Как формы, изготовленные методом аддитивного производства, используются для создания сложных, оптимизированных геометрий ПТФЭ-нагревателей?

Типичный погружной нагреватель из ПТФЭ ограничивается обычными экструдированными трубками и обработанными стержнями. ПТФЭ нельзя отлить под давлением-как обычный пластик, поэтому не удалось изготовить сложный нагреватель органической формы ни со скрученной само-оболочкой, ни с внутренним спиральным проточным каналом. Его нужно изготовить путем уплотнения порошка и обжига, как керамику. Аддитивное производство теперь обеспечивает «печь» для нового поколения форм из ПТФЭ. Сложная, напечатанная на 3D-принтере форма из нержавеющей стали с конформными каналами нагрева и охлаждения используется для сжатия и спекания порошка ПТФЭ в высокооптимизированные, сложные и не-нетехнологичные конструкции нагревателей.

Недостатки традиционного производства тефлонового нагревателя
ПТФЭ (политетрафторэтилен) — чудесный материал для погружных нагревателей. Он химически инертен, не-не прилипает и обладает электроизоляционными свойствами. Но это не термопласт в традиционном понимании. ПТФЭ нельзя плавить и-лить под давлением. Вязкость расплава слишком высока для текучести. Вместо этого детали из ПТФЭ изготавливаются путем компрессионного формования и спекания. Процесс состоит из:

Порошок ПТФЭ засыпают в металлическую форму, обычно предварительно отформованную под низким давлением.

Прессование порошка под высоким давлением (обычно 50-100 МПа) для изготовления «преформы».

Преформа вынимается из формы и спекается в печи при температуре 360–380 градусов, где частицы сплавляются вместе.

Не позволяйте детали остыть слишком быстро, иначе она треснет.

Исторически это ограничивалось простыми формами: цилиндрами, трубками, блоками и листами. Сложные элементы, такие как изогнутые внутренние каналы, разная толщина стенок или турбулизаторы на поверхности, не могут быть созданы, поскольку заготовка разобьется при выталкивании или порошок не будет упаковываться равномерно. Механическая обработка ПТФЭ из твердого материала возможна, но приводит к образованию отходов и не позволяет получить закрытую внутреннюю геометрию. В результате нагреватели из ПТФЭ стали консервативными по форме-прямых трубок, плоских пластин или простых змеевиков.

Пресс-формы, изготовленные аддитивным способом, для нагревателей из ПТФЭ сложной геометрии
Методика геометрии нагревателя из ПТФЭ в форме аддитивного производства меняет типичное мышление: форма печатается на 3D-принтере в сложную, многофункциональную- форму, а не пытается напрямую обрабатывать или формовать ПТФЭ. Эта форма затем используется для сжатия и спекания порошка ПТФЭ, придавая сложность готовому компоненту нагревателя.

Шаг 1: 3D-печать металлической формы (лазерная порошковая сварка)
Пресс-форма изготавливается с использованием лазерной плавки в порошковом слое (LPBF) – одного из видов аддитивного производства металлов. На рабочую пластину наносится тонкий слой мелкодисперсного металлического порошка (обычно это нержавеющая сталь 316L, инконель или инструментальная сталь). Мощный-лазер избирательно плавит порошок в соответствии с моделью компьютерного-автоматизированного проектирования (САПР). Наносится еще один слой и процесс повторяется. Форма формируется слой за слоем.

Форма, напечатанная на 3D-принтере, — это не просто полая камера. Это может быть:

Конформные каналы охлаждения – внутренние каналы, повторяющие контур полости формы и обеспечивающие равномерный нагрев и охлаждение во время цикла спекания. Эти каналы невозможно просверлить в обычной форме.

Переменная толщина стенок: форма может быть толще на участках с высокими нагрузками и тоньше на участках, где передача тепла должна быть более быстрой, что оптимизирует тепловой профиль во время спекания.

Текстурирование поверхности: микро-ребра, ямочки или другие текстуры можно напечатать во внутренней камере и перенести на поверхность оболочки из ПТФЭ. Такие текстуры могут усилить конвективный теплообмен или вызвать турбулентное течение в нагретой жидкости.

Подрезы и выступы. Обычные формы не открываются из-за особенностей, доступных в форме, напечатанной на 3D-принтере,-которая может быть изготовлена ​​как расходуемая или составная-сборка, которая растворяется или разбирается после спекания.

Шаг 2: Наполнение и уплотнение порошка
Металлическая форма, напечатанная на 3D-принтере-, заполнена порошком ПТФЭ-высокой чистоты (первичный сорт с регулируемым гранулометрическим составом). Порошок тщательно диспергируется для получения однородной упаковки, особенно в сложных полостях с небольшими проходами или острыми углами. Затем форму закрывают и прикладывают высокое одноосное или изостатическое давление. Давление заставляет порошок ПТФЭ превращаться в «зеленую» заготовку, захватывая каждый аспект полости формы.

Форма изготавливается аддитивно. Это позволяет построить внутреннюю геометрию формы с углами уклона для удаления заготовки после сжатия. Для более сложных конструкций (например, спиральной трубки с внутренними ребрами) форма может быть изготовлена ​​из двух или более взаимосвязанных частей, собранных перед сжатием и удаленных после спекания. В некоторых экспериментальных процедурах пресс-форму можно «принести в жертву», т. е. металл химически расплавляется после спекания, оставляя только кусок ПТФЭ.

Шаг 3. Спекание в контролируемой печи
Преформа из ПТФЭ, измельченная и все еще находящаяся в форме (или перенесенная в приспособление для спекания), помещается в печь с точным контролем температуры. Получение полного провара без дефектов зависит от цикла спекания:

Отопление рампы. Температуру повышают постепенно с контролируемой скоростью (обычно 30–60 градусов в час) до 360–380 градусов. Горячее масло или горячий воздух можно пропускать через 3D-напечатанную форму с конформными каналами, которые можно использовать для достижения равномерного нагрева во всей сложной полости.

Вымачивание: ПТФЭ выдерживается при температуре спекания в течение определенного периода времени (2-6 часов), чтобы обеспечить полное плавление частиц полимера.

Скорость охлаждения: температура снижается медленно (10-20 градусов в час), чтобы избежать термического удара и растрескивания. Скорость охлаждения постоянно контролируется конформными каналами охлаждения формы.

Металлическая форма, напечатанная на 3D-принтере,-является идеальной,-вживающейся--в утробе жизни, рождающей сложную, белую и химически инертную форму нагревателя, которую раньше можно было представить только в уме дизайнера.

Шаг 4: Удаление формы и отделка
После охлаждения компонент из ПТФЭ извлекают из формы. Для форм с подрезами или внутренними элементами форму можно напечатать из двух частей, которые отвинчиваются и разделяются. Альтернативно, для расходных форм металл растворяется в кислоте (например, азотной кислоте для нержавеющей стали), которая не разрушает ПТФЭ. Получаемый в результате компонент из ПТФЭ имеет почти -чистую- форму, требующую лишь минимальной обрезки заусенцев или опорных структур.

Нагреватели из ПТФЭ теперь могут иметь сложную геометрию.
Свобода проектирования аддитивных форм позволяет создавать совершенно новые классы конфигураций нагревателей из ПТФЭ:

Геометрия/описание преимущества производительности
Витая оболочка, само-поднимающаяся спираль (скрученное овальное сечение по длине нагревателя) Вызывает вихревое движение для усиления естественной конвекции. Уменьшает толщину пограничного слоя. Улучшает коэффициент теплопередачи на 20–40 %.
Встроенный канал для спирального потока-теплоносителя во внутреннем спиральном туннеле стенки нагревателя. Создает эффект двухтрубного или многоходового-теплообменного теплообменника внутри одного корпуса из ПТФЭ. Идеально подходит для нагрева вязких жидкостей.
Толщина стенки (варьируется) Более тонкие стенки на конце (где тепловыделение ниже) и толще по направлению к фланцу Оптимизирует распределение тепловой нагрузки, уменьшает вес и устраняет точки перегрева
Поверхностные турбулизаторы (ребра или углубления)Микро-ребра, напечатанные на внешней стороне нагревателя, улучшают турбулентное перемешивание окружающей жидкости; усиливает теплообмен при незначительном увеличении перепада давления
Встроенные крепежные ножки/кронштейны. Оболочка нагревателя имеет встроенные нескользящие ножки, которые поднимают ее над дном резервуара. Никаких отдельных стоек из ПТФЭ, никакого нагревания дна резервуара.
Многоканальный-нагревательОдиночный профиль из ПТФЭ с несколькими параллельными трубками для нагревательных элементов. Обеспечивает независимое управление зонами в компактном профиле. Упрощает проводку для много-зонных нагревателей.
Ни одну из этих форм невозможно получить с помощью традиционного компрессионного формования (ограничения на выталкивание формы) или механической обработки (ограничения доступа к инструменту). Эти ограничения устраняются за счет использования аддитивного производства пресс-формы.

Техническая точность: основные проблемы и решения
Изменение объема и усадка ПТФЭ
ПТФЭ имеет большое изменение объема в процессе спекания: от плотности сырой заготовки ~1,5–1,7 г/см3 до плотности полностью спеченного изделия 2,1–2,2 г/см3. Это соответствует линейной усадке 5–10 % в зависимости от порошка и процедуры. Эту усадку необходимо учитывать при проектировании формы для 3D-печати. Полость формы обычно увеличивается на ожидаемый коэффициент усадки (например, 1,08x в каждом направлении). Поскольку усадка не является полностью изотропной, проектирование пресс-формы обычно представляет собой итеративный процесс уточнения, основанный на тестовых запусках.

Выброс и загрязнение плесени
ПТФЭ плохо сцепляется с металлами, но может механически блокировать подрезы или шероховатости поверхности. Перед помещением порошка в полость формы на полость формы наносится антиадгезив (например, тонкая пленка из фторполимера или антиадгезивный спрей). Агент по выпуску должен:

Выдержать температуру спекания (360–380 градусов) без разложения или выделения газа;

- Не загрязнять ПТФЭ в полупроводниковой или фармацевтической промышленности (где проверяются экстрагируемые вещества).

Охлаждение обеспечивает плавное разделение без разрыва ПТФЭ.

Часто используемые высокотемпературные разделительные составы на основе нитрида бора или ПТФЭ. Пресс-форму можно подвергать электрополировке и использовать без какого-либо антиадгезива в сверх-чистых средах, в зависимости от естественного-неприлипающего качества ПТФЭ и точно регулируемого цикла охлаждения для отделения детали.

Равномерность цикла спекания
Чем сложнее конструкция и чем разнообразнее толщина стенок, тем более вероятно, что неравномерный нагрев и охлаждение могут вызвать внутренние напряжения, деформации или пустоты. Одним из основных преимуществ являются конформные каналы нагрева и охлаждения, которые можно напечатать на металлической форме. Эти трубки можно использовать для циркуляции нагревательной жидкости (например, термомасла) на протяжении всего цикла спекания, чтобы поддерживать постоянную температуру формы на протяжении всего цикла. Без конформных каналов пресс-форме пришлось бы прибегнуть к радиационному нагреву в печи, который обязательно-неравномерен для сложных геометрических форм.

Статус: прототип и раннее производство
Пресс-формы для деталей нагревателей из ПТФЭ, изготовленные методом аддитивного производства, все еще находятся на стадии прототипирования и мелкосерийного производства. Хотя основные производители ПТФЭ и исследовательские организации установили эффективность этого подхода, коммерческая доступность ограничена. Ключевые барьеры:

Высокая стоимость формы: металлическая форма, напечатанная на 3D-принтере, стоит 5 000–5 000–20 000, в отличие от нескольких сотен долларов за типичную обработанную форму. Однако для дорогостоящих применений (например, нагрева полупроводников или фармацевтических препаратов) повышение производительности может оправдать затраты.

Длительное время выполнения заказа: металлическая форма, напечатанная на 3D-принтере, изготавливается за несколько дней или недель, тогда как традиционная форма может быть обработана за несколько часов. Аддитивное производство может подойти для разовых-прототипов, но при крупносерийном производстве экономика может измениться.

Валидация процесса: спекание ПТФЭ в сложных формах требует интенсивных испытаний, чтобы гарантировать повторяемость, точность размеров и отсутствие пустот и трещин. Каждая новая геометрия требует специальной методологии проверки.

Но путь очевиден. Поскольку аддитивное производство металлов становится быстрее и дешевле, а спрос на высокопроизводительные и энергоэффективные нагреватели растет, внедрение 3D-печатных форм для изготовления нагревателей из ПТФЭ будет ускоряться.

Перспективы на будущее: оптимизация конструкции для теплопередачи и надежности
Конечная цель пресс-форм для аддитивного производства — это не просто возможность создавать сложные формы, но и оптимизировать эти формы для заданных параметров производительности с помощью инструментов вычислительного проектирования. Методы оптимизации топологии позволяют разработать конструкцию оболочки нагревателя, которая оптимизирует передачу тепла к окружающей жидкости с минимальным использованием материала и термическим напряжением. Эту оптимизированную геометрию, обычно органическую- и костяную-по внешнему виду, можно сразу же распечатать в виде металлической формы, а затем перенести на ПТФЭ. В результате получается обогреватель, который легче, отзывчивее и долговечнее, чем любой аналогичный обогреватель традиционной конструкции.

Вывод: открытие новых возможностей в конструкции нагревателей из ПТФЭ
Пресс-формы, изготовленные методом аддитивного производства, открывают новый уровень сложности в конструкции нагревателей из ПТФЭ, позволяя впервые придать пластику термически оптимизированную форму свободной-формы. Лазерная сварка в порошковом слое (LPBF) металлических форм с конформными каналами, переменной толщиной стенок и сложными внутренними полостями позволяет сжимать и спекать порошок ПТФЭ с геометриями, которые невозможно достичь с помощью субтрактивной обработки или традиционного процесса компрессионного формования. Скрученные конструкции теперь могут создавать самоперемешивающиеся оболочки, собственные каналы потока и поверхностные турбулизаторы. Технология все еще находится в основном на стадии прототипа, но свобода, которую она дает при проектировании, может стать началом новой эры высокопроизводительных,-индивидуальных,-коррозионностойких-нагревателей.

Будущее отопления связано не только с новыми материалами, но и с новыми формами, которые может создавать сложное производство. Для нагревателей из ПТФЭ форма больше не является ограничением, а является конструктивной переменной, которую необходимо оптимизировать. 3D-печатная форма — ключ к раскрытию этой свободы.