چگونه از قالب های ساخته شده به صورت افزودنی برای ایجاد هندسه های پیچیده و بهینه هیتر PTFE استفاده می شود؟

بخاری غوطه وری PTFE معمولی به لوله های اکسترود شده اولیه و میله های ماشینکاری شده محدود می شود. PTFE را نمی‌توان مانند یک پلاستیک معمولی قالب‌بندی{1}}تزریق کرد و بنابراین نمی‌توان یک بخاری پیچیده به شکل ارگانیک ساخت، چه با یک غلاف خود پیچ ​​خورده- یا یک کانال جریان مارپیچ داخلی. باید با فشرده کردن پودر و پختن آن مانند یک تکه سفال ساخته شود. ساخت افزودنی در حال حاضر "کوره" را برای نسل جدیدی از اشکال PTFE تامین می کند. یک قالب پیچیده و پرینت سه بعدی فولاد ضد زنگ با کانال‌های گرمایش و سرمایش هماهنگ برای فشرده‌سازی و تف جوشی پودر PTFE به طرح‌های بخاری بسیار بهینه، پیچیده و غیرقابل ساخت- استفاده می‌شود.

معایب ساخت متعارف بخاری PTFE
PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​یک ماده شگفت انگیز برای بخاری های غوطه وری است. از نظر شیمیایی بی اثر، نچسب و عایق الکتریکی است. اما به معنای سنتی ترموپلاستیک نیست. PTFE را نمی‌توان ذوب کرد و قالب‌گیری{4}}تزریق کرد. ویسکوزیته مذاب برای جریان بسیار زیاد است. در عوض، قطعات PTFE با قالب گیری فشرده سازی و تف جوشی ساخته می شوند. فرآیند شامل موارد زیر است:

پودر PTFE در یک قالب فلزی ریخته می شود که معمولاً تحت فشار کم از قبل ساخته می شود.

فشار دادن پودر در فشار بالا (معمولاً 50-100 مگاپاسکال) برای ایجاد یک "پریفرم"

پریفرم از قالب خارج می شود و در یک کوره با دمای 360-380 درجه پخت می شود، جایی که ذرات به هم جوش می خورند.

اجازه ندهید قطعه خیلی سریع سرد شود وگرنه ترک می خورد.

از نظر تاریخی این به اشکال ساده محدود شده است: استوانه، لوله، بلوک و ورق. ویژگی‌های پیچیده مانند کانال‌های داخلی منحنی، ضخامت‌های متفاوت دیوار یا توربولاتورهای سطحی را نمی‌توان ایجاد کرد، زیرا پیش‌فرم در هنگام بیرون‌ریزی خرد می‌شود یا پودر به طور یکنواخت بسته نمی‌شود. ماشینکاری PTFE از استوک جامد امکان پذیر است اما منجر به مواد زائد می شود و نمی تواند هندسه های داخلی محصور را ایجاد کند. نتیجه این است که بخاری‌های PTFE از نظر لوله‌های مستقیم، صفحات صاف یا کویل‌های ساده محافظه‌کار هستند.

قالب های ساخته شده برای هندسه های پیچیده بخاری PTFE
تکنیک هندسه بخاری PTFE قالب تولید افزودنی تفکر معمولی را معکوس می‌کند: قالب به جای اینکه مستقیماً PTFE را ماشین کاری یا قالب‌گیری کند، به شکلی پیچیده و چند{1}}پرینت شده است. سپس از این قالب برای فشرده سازی و تف جوشی پودر PTFE استفاده می شود و پیچیدگی را به اجزای بخاری تمام شده تحویل می دهد.

مرحله 1: چاپ سه بعدی قالب فلزی (فیوژن بستر پودری لیزری)
این قالب با استفاده از همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) - نوعی تولید افزودنی فلزی - تولید می‌شود. یک لایه نازک از فلز پودر ریز روی یک صفحه ساختمانی (معمولاً فولاد ضد زنگ 316 لیتری، اینکونل یا فولاد ابزار) قرار می گیرد. لیزر پرقدرت به طور انتخابی پودر را مطابق با مدل طراحی به کمک رایانه (CAD) ذوب می کند. یک لایه دیگر اعمال می شود و روند تکرار می شود. قالب لایه به لایه ساخته می شود.

قالب چاپ سه بعدی صرفاً یک محفظه توخالی نیست. می تواند باشد:

کانال‌های خنک‌کننده منسجم - کانال‌های داخلی که از کانتور حفره قالب پیروی می‌کنند و اجازه گرمایش و سرمایش یکنواخت را در طول چرخه تف جوشی می‌دهند. این کانال ها هرگز نمی توانند در قالب معمولی حفر شوند.

ضخامت دیواره متغیر: قالب می‌تواند در بخش‌هایی با تنش بالا ضخیم‌تر و در مناطقی که انتقال حرارت باید سریع‌تر باشد، نازک‌تر باشد و بهینه‌سازی مشخصات حرارتی در حین تف جوشی.

بافت سطح: میکرو-دنده ها، فرورفتگی ها یا سایر بافت ها را می توان در محفظه داخلی چاپ کرد و به سطح غلاف PTFE منتقل می شود. چنین بافت هایی ممکن است انتقال حرارت همرفتی را افزایش دهند یا جریان آشفته در سیال گرم شده را القا کنند.

زیر برش‌ها و برآمدگی‌ها: قالب‌های معمولی به دلیل ویژگی‌هایی که با قالب چاپ سه‌بعدی موجود است، نمی‌توانند باز شوند.

مرحله 2: پر کردن و فشرده سازی پودر
قالب فلزی چاپ شده سه بعدی با-پودر PTFE با خلوص بالا (گرید بکر با توزیع اندازه ذرات تنظیم شده) پر شده است. پودر به دقت پراکنده می شود تا یک بسته بندی همگن به دست آید، به ویژه در حفره های دشوار با معابر کوچک یا گوشه های تیز. سپس قالب بسته می شود و فشار تک محوری یا ایزواستاتیک بالا اعمال می شود. فشار، پودر PTFE را به یک پریفرم "سبز" وادار می کند و هر جنبه ای از حفره قالب را می گیرد.

قالب به صورت افزودنی ساخته شده است. این اجازه می دهد تا هندسه داخلی قالب با زوایای کششی ساخته شود تا پریفرم پس از فشرده سازی حذف شود. برای طرح‌های پیچیده‌تر (مثلاً یک لوله مارپیچ با باله‌های داخلی)، قالب ممکن است در دو یا چند قسمت به هم پیوسته تولید شود، قبل از فشرده‌سازی مونتاژ شده و پس از تف جوشی برداشته شود. در برخی از روش‌های آزمایشی، قالب «قربانی‌پذیر» است، یعنی فلز پس از تف جوشی به‌صورت شیمیایی ذوب می‌شود و تنها قطعه PTFE باقی می‌ماند.

مرحله 3: پخت سیکل کنترل شده در کوره
پیش‌فرم PTFE، خرد شده و هنوز در قالب (یا به وسیله تف جوشی منتقل می‌شود) با کنترل دقیق دما در کوره قرار می‌گیرد. همجوشی کامل بدون نقص به چرخه تف جوشی بستگی دارد:

رمپ گرمایشی. دما به تدریج با سرعت کنترل شده (معمولاً 30-60 درجه در ساعت) به 360-380 درجه افزایش می یابد. روغن داغ یا هوای داغ را می‌توان از طریق قالب چاپ شده سه بعدی- با کانال‌های منسجم عبور داد، که می‌توان از آن برای دستیابی به گرمایش ثابت در سراسر حفره پیچیده استفاده کرد.

خیساندن: PTFE برای مدت زمان معینی (2 تا 6 ساعت) در دمای پخت نگهداری می شود تا امکان ذوب کامل ذرات پلیمری فراهم شود.

سطح شیب دار خنک کننده: درجه حرارت به آرامی (10-20 درجه در ساعت) کاهش می یابد تا از شوک حرارتی و ترک جلوگیری شود. سرعت خنک‌سازی به‌طور مداوم توسط کانال‌های خنک‌کننده منسجم قالب کنترل می‌شود.

قالب فلزی پرینت سه بعدی -یکبار--در طول عمر بسیار عالی است و شکل بخاری پیچیده، سفید و از نظر شیمیایی خنثی را به وجود می‌آورد که قبلاً فقط در ذهن یک طراح قابل تصور بود.

مرحله 4: برداشتن قالب و تکمیل
پس از خنک شدن، جزء PTFE از قالب خارج می شود. برای قالب‌هایی که بریدگی‌ها یا ویژگی‌های داخلی دارند، قالب را می‌توان در دو تکه چاپ کرد که بدون پیچ و مهره و تقسیم می‌شوند. روش دیگر، برای قالب های قربانی، فلز در اسید حل می شود (به عنوان مثال، اسید نیتریک برای فولاد ضد زنگ) که PTFE را از بین نمی برد. مولفه PTFE حاصل یک مؤلفه تقریباً-شبکه-شکل است که فقط به حداقل برش فلاش یا ساختارهای پشتیبانی نیاز دارد.

بخاری های PTFE اکنون قادر به هندسه های پیچیده هستند
آزادی طراحی قالب‌های ساخته شده با مواد افزودنی، کلاس‌های کاملاً جدیدی از پیکربندی‌های بخاری PTFE را ممکن می‌سازد:

هندسه مزیت عملکرد/توضیحات
غلاف پیچ خورده، مارپیچ خودبه خود-(مقطع بیضی شکل پیچ خورده در طول بخاری) باعث حرکت چرخشی برای افزایش همرفت طبیعی می شود کاهش ضخامت لایه مرزی بهبود ضریب انتقال حرارت به میزان 20-40٪
کانال یکپارچه برای انتقال حرارت جریان مارپیچی-سیال در یک تونل مارپیچی داخلی دیواره گرمکن یک اثر مبدل حرارتی دو لوله یا چند{1}}در داخل یک بدنه PTFE ایجاد می‌کند. ایده آل برای گرم کردن سیالات چسبناک.
ضخامت دیوار (متفاوت است) دیواره های نازک تر در نوک (جایی که اتلاف گرما کمتر است) و ضخیم تر به سمت فلنج توزیع تنش گرمایی را بهینه می کند، وزن را کاهش می دهد و نقاط داغ را از بین می برد.
توربولاتورهای سطحی (دنده ها یا گودی ها)دنده های میکرو-چاپ شده در قسمت بیرونی بخاری باعث افزایش اختلاط آشفته سیال اطراف می شود. انتقال حرارت را با افزایش جزئی افت فشار افزایش می دهد
پایه‌ها/براکت‌های اتصال یکپارچه غلاف بخاری دارای پایه‌های غیرلغزنده داخلی-است که آن را از کف مخزن بالا می‌برد. بدون پارگی PTFE جداگانه، بدون گرم شدن کف مخزن
بخاری چند کاناله اکستروژن تک PTFE با چندین لوله موازی برای عناصر گرمایشی کنترل منطقه مستقل را در یک نمایه فشرده ارائه می دهد سیم کشی را برای بخاری های چند منطقه ای ساده می کند
هیچ یک از این اشکال از طریق قالب گیری فشرده سنتی (محدودیت های بیرون ریختن قالب) یا ماشین کاری (محدودیت های دسترسی به ابزار) قابل دستیابی نیستند. این محدودیت ها با استفاده از ساخت افزودنی قالب حذف می شوند.

دقت فنی: چالش ها و راه حل های اصلی
تغییر حجم و انقباض PTFE
PTFE در طول پخت تغییر حجم زیادی دارد، از چگالی پریفرم سبز، ~ 1.5-1.7 گرم بر سانتی متر مکعب، تا چگالی بدنه کاملاً پخته شده، 2.1-2.2 گرم بر سانتی متر مکعب. این معادل یک انقباض خطی 5-10٪ بسته به پودر و روش است. این انقباض باید هنگام طراحی قالب چاپ سه بعدی در نظر گرفته شود. حفره قالب به طور کلی با ضریب انقباض پیش بینی شده بزرگ می شود (به عنوان مثال، 1.08 برابر در هر جهت). از آنجایی که انقباض کاملاً همسانگرد نیست، طراحی قالب عموماً یک فرآیند تکراری پالایش بر اساس آزمایش‌ها است.

انتشار و آلودگی کپک
PTFE به خوبی به فلزات متصل نمی شود، اما می تواند به طور مکانیکی در زیر برش ها یا زبری سطح قفل شود. قبل از قرار دادن پودر در حفره قالب، یک عامل رهاسازی قالب (به عنوان مثال، یک فیلم نازک فلوروپلیمر یا یک اسپری آزاد کننده) روی حفره قالب اعمال می شود. عامل آزادسازی باید:

در دمای تف جوشی (360-380 درجه) بدون تجزیه یا خروج گاز زنده بمانید.

- PTFE را برای کاربردهای نیمه هادی یا دارویی (جایی که قابل استخراج بررسی می شود) آلوده نکنید

خنک کننده جداسازی صاف و بدون پاره شدن PTFE را امکان پذیر می کند

مکرراً از مواد آزادکننده{0}در دمای بالا بر اساس نیترید بور یا خود PTFE استفاده می شود. بسته به کیفیت نچسب طبیعی PTFE و چرخه خنک‌کننده دقیق تنظیم شده برای آزاد کردن قطعه، قالب را می‌توان بدون هیچ عامل رهاسازی در کاربردهای فوق‌العاده{2}}پال‌کاری و مورد استفاده قرار داد.

چرخه یکنواختی زینترینگ
هرچه طراحی پیچیده‌تر و ضخامت دیوار متفاوت‌تر باشد، گرمایش و سرمایش ناهموار بیشتر می‌تواند باعث ایجاد کرنش‌های داخلی، تاب برداشتن یا فضای خالی شود. یکی از مزیت های اصلی کانال های گرمایش و سرمایش منسجم است که ممکن است بر روی قالب فلزی چاپ شود. از این لوله ها می توان برای به گردش درآوردن یک سیال گرم کننده (مثلا روغن حرارتی) در طول چرخه تف جوشی استفاده کرد تا قالب را در دمای ثابت در تمام طول مدت نگه دارد. بدون کانال‌های منسجم، قالب باید به گرمایش تابشی کوره متوسل شود، که لزوماً برای هندسه‌های پیچیده غیریکنواخت است.

وضعیت: نمونه اولیه و تولید اولیه
قالب برای قطعات بخاری PTFE تولید شده توسط تولید افزودنی هنوز در مراحل اولیه و تولید دسته ای کوچک است. اگرچه سازندگان عمده PTFE و سازمان‌های تحقیقاتی اثربخشی این رویکرد را ثابت کرده‌اند، در دسترس بودن تجاری محدود است. موانع اصلی عبارتند از:

هزینه قالب بالا: قالب فلزی پرینت سه بعدی 5000 - 5000 - 20000 هزینه دارد، در مقابل چند صد دلار برای یک قالب ماشینکاری شده معمولی. با این حال، برای کاربردهای با ارزش بالا (یعنی گرمایش نیمه هادی یا دارویی)، بهبود عملکرد ممکن است هزینه را توجیه کند.

زمان طولانی: قالب فلزی پرینت سه بعدی در چند روز تا هفته ساخته می شود، در حالی که قالب سنتی را می توان در چند ساعت ماشین کاری کرد. تولید افزودنی ممکن است برای نمونه‌های اولیه-خیلی خوب باشد، اما ممکن است شرایط اقتصادی برای تولید بزرگ تغییر کند.

اعتبار سنجی فرآیند: تف جوشی PTFE در قالب های پیچیده نیاز به آزمایش فشرده برای تضمین تکرارپذیری، دقت ابعادی و عدم وجود حفره یا ترک دارد. هر هندسه جدید به یک روش اعتبار سنجی مناسب نیاز دارد.

اما مسیر مشخص است. از آنجایی که تولید مواد افزودنی فلزی سریعتر و ارزان تر می شود و تقاضا برای بخاری های کارآمد انرژی با کارایی بالا افزایش می یابد، استفاده از قالب های چاپ سه بعدی برای تولید هندسه بخاری PTFE تسریع می شود.

چشم انداز آینده: بهینه سازی طراحی برای انتقال حرارت و قابلیت اطمینان
وعده نهایی قالب های تولید افزودنی صرفا توانایی ساخت اشکال پیچیده نیست، بلکه بهینه سازی آن اشکال برای پارامترهای عملکرد مشخص با استفاده از ابزارهای طراحی محاسباتی است. تکنیک‌های بهینه‌سازی توپولوژی می‌تواند یک طراحی غلاف بخاری ایجاد کند که انتقال حرارت به سیال اطراف را با حداقل استفاده از مواد و تنش حرارتی بهینه می‌کند. این هندسه بهینه شده، معمولاً آلی- و مانند ظاهر استخوانی-، می‌تواند بلافاصله به عنوان یک قالب فلزی چاپ شود و سپس به PTFE منتقل شود. نتیجه بخاری است که سبک تر، پاسخگوتر و بادوام تر از هر بخاری مشابهی است که به طور سنتی ساخته شده است.

نتیجه گیری: ایجاد زمینه جدید در طراحی بخاری PTFE
قالب‌های ساخته شده با افزودنی مرز جدیدی از پیچیدگی را در طراحی بخاری PTFE باز می‌کنند و به پلاستیک اجازه می‌دهند برای اولین بار به شکلی آزاد و از نظر حرارتی بهینه‌سازی شود. همجوشی بستر پودر لیزری (LPBF) قالب‌های فلزی با کانال‌های منسجم، ضخامت دیواره متغیر و حفره‌های داخلی پیچیده، امکان فشرده‌سازی و تف جوشی پودر PTFE را به شکل‌های هندسی فراهم می‌کند که با هیچ ماشینکاری کاهنده یا فرآیند قالب‌گیری فشرده‌سازی سنتی قابل دستیابی نیست. طرح های پیچ خورده اکنون می توانند غلاف{3}}خود همزن، کانال های جریان ذاتی و توربولاتورهای سطحی را ارائه دهند. این فناوری هنوز عمدتاً در مرحله نمونه اولیه است، اما آزادی که در طراحی ایجاد می‌کند، می‌تواند آغاز دوران جدیدی از گرم‌کننده‌های-با کارایی بالا، سفارشی-ساخت-ضد خوردگی باشد.

آینده گرمایش تنها در مورد مواد جدید نیست، بلکه اشکال جدیدی است که تولید پیچیده می تواند ایجاد کند. شکل بخاری های PTFE دیگر یک محدودیت نیست، بلکه یک متغیر طراحی است که باید بهینه شود. قالب چاپ سه بعدی کلید باز کردن این آزادی است.