Il white paper di Fabrisonic sugli scambiatori di calore stampati in 3D metal per la NASA JPL

Il white paper di Fabrisonic sugli scambiatori di calore stampati in metallo 3D per la NASA JPL

Fondata nel 2011, la Fabrisonic , con sede nell’Ohio, utilizza il suo processo di stampa 3D ibrido in metallo, denominato Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), per unire strati di lamina metallica in uno stato solido grazie alle vibrazioni ultrasoniche ad alta frequenza. Fabrisonic monta il suo processo di stampa 3D ibrido brevettato su apparecchiature CNC tradizionali: in primo luogo, un oggetto viene costruito con la stampa 3D e quindi smussato con la lavorazione CNC mediante fresatura alla dimensione e alla superficie richieste. Non è necessaria alcuna fusione, poiché la stampante UAM 3D di Fabrisonic 6 ‘x 6’ x 3 ‘può “strofinare” una lamina metallica e crearla nella forma finale della rete, e quindi eseguire le operazioni su qualsiasi altra cosa necessaria alla fine del processo.

Lo scorso anno, il presidente e amministratore delegato di Fabrisonic, Mark Norfolk, ha dichiarato  a RAPID 2017 che circa il 30% delle attività dell’azienda era in scambiatori di calore, poiché il processo di produzione è molto più fluido grazie alla tecnologia di stampa 3D in metallo a bassa temperatura – non superiore di 250 ° F. UAM consente di unire leghe metalliche notoriamente difficili da saldare, come 1000, 2000, 6000 e 7000 serie in rame, alluminio, acciaio inossidabile e metalli refrattari esotici … che sono tutti utilizzati nei sistemi di gestione del calore della  NASA Jet Propulsion Laboratory(JPL).

Justin Wenning, un ingegnere di produzione di Fabrisonic ha recentemente pubblicato un white paper , intitolato “Space-grade 3D Metal Printed Heat Exchangers”, che approfondisce il lavoro che sta facendo con il metallo stampato 3D di Fabrisonic scambiatori di calore per applicazioni aerospaziali. La società ha partecipato a un programma biennale in JPL e il 3D ha stampato una nuova classe di scambiatori di calore in metallo che ha superato gli intensi test di JPL.

“Per ogni missione interplanetaria supervisionata da JPL, sono necessari numerosi dispositivi critici di scambiatori di calore per regolare i sensibili sistemi elettronici di bordo dalle temperature estreme sperimentate nello spazio. Questi dispositivi possono essere piccoli (3 pollici x 3 pollici) o grandi (3 piedi x 3 piedi), “ha scritto Wenning nel suo white paper.
Per molti anni, la NASA ha incollato tubi di metallo piegati e li ha fissati a, l’esterno della struttura di un veicolo spaziale, che pesa molto e non ha un buon rendimento termico. Anche questi dispositivi sono stati assemblati e controllati a mano, quindi la produzione potrebbe richiedere fino a nove mesi. Alla fine della sua collaborazione con la NASA JPL, Fabrisonic ha dimostrato che la stampa 3D può essere utilizzata per migliorare tutti questi problemi.

Evoluzione dello scambiatore di calore stampato UAM 3D con NASA JPL. I campioni sono iniziati in piccolo per  valutare le prestazioni di burst di riferimento e di perdita di elio nel 2014. Il team ha quindi iniziato a concentrarsi sulla scala della tecnologia e sull’integrazione di sistemi. Il culmine è uno scambiatore di calore funzionante a grandezza naturale.
Il sistema UAM non utilizza alcuna atmosfera controllata, quindi la dimensione della parte e il design variano notevolmente. La NASA JPL ha iniziato a collaborare con Fabrisonic nel 2014, grazie a una sovvenzione R & TD JPL spontanea, per esaminare piccoli e semplici scambiatori di calore UAM, prima di passare a strutture più grandi nel 2015 attraverso il programma SBIR / STTR della NASA. Il risultato è stato un prototipo di scambiatore di calore funzionante a grandezza naturale per la missione rover di Mars 2020 che è stato fabbricato in molto meno tempo, con una massa più leggera del 30%.

Gli scambiatori di calore stampati in 3D creati da Fabrisonic implicano la costruzione di tubazioni ad anello fluido pompato direttamente nella struttura per maggiore efficienza e robustezza, in quanto il processo UAM dell’azienda può anche essere utilizzato per miscelare materiali come rame e alluminio.

UAM inizia con un substrato di metallo e il materiale viene quindi aggiunto e rimosso dalla struttura per rendere i passaggi interni del dispositivo. Per aiutare con la deposizione del materiale, viene aggiunta una struttura di supporto solubile in acqua, prima di aggiungere resistenza e caratteristiche, rispettivamente, con trattamento termico opzionale e lavorazione CNC finale. Fabrisonic ha poi aggiunto la tubazione SS, che aiuta con gli attacchi di montaggio, alla struttura in alluminio con saldatura ad attrito per le parti di sviluppo della NASA JPL.

La NASA JPL aveva anche bisogno di aumentare il suo livello di preparazione tecnologica (TRL) da 3 a quasi 6. Durante il programma, Fabrisonic e la sua filiale EWI hanno stampato e testato decine di diversi scambiatori di calore, al fine di sviluppare un prototipo finale per la qualifica a terra standard basati sugli scambiatori di calore esistenti della NASA JPL.

Passi di processo UAM per la fabbricazione di scambiatori di calore JPL NASA.
La qualifica NASA JPL TRL 6 comprendeva diversi test, tra cui prove di pressione di prova a 330 PSI, ciclo termico controllato di due giorni da -184 ° F a 248 ° F in una camera ambientale e test di vibrazione su uno shaker elettrodinamico, che simulava un comune lancio di un razzo di giorno (1-10 G) in tutti gli orientamenti mentre è collegato a una massa fittizia allo stesso tempo per l’imitazione di un normale pacchetto di elettronica ospitato. Altri test inclusi:

Test di Burst superiore a 2500 PSI con 0.030 pollici. spessore del muro
Test di tenuta dell’elio a meno di 1 × 10-8 cc / s di GHe tra test termico e vibrazione
Scansioni TC 3D complete di ciascun campione prima e dopo i test meccanici, al fine di valutare la densità del vuoto e qualsiasi danno al test accumulato

Ciascuno dei tre componenti dello scambiatore di calore stampato UAM ha superato le qualifiche, il che ha portato la tecnologia al suo obiettivo vicino a TRL 6. Per confermare i risultati, gli scienziati JPL della NASA hanno completato più perdite di elio e test a raffica, insieme a test di shock termico su alcuni dispositivi ; questo ha comportato l’immersione di alcuni scambiatori di calore in azoto liquido (-320 ° F) per testare i loro giunti di alluminio in acciaio inossidabile saldati con frizione bi-metallica. Secondo il white paper, le articolazioni erano “post-immersione” robusta ed elastica a tenuta “.

La nuova classe di scambiatori di calore in metallo stampato di Fabrisonic, sviluppata nell’ambito della NASA JPL, ha applicazioni in altre applicazioni di produzione commerciale, che l’azienda sta attualmente esplorando.

“Ad esempio, la mancanza di fusione in UAM consente l’integrazione di più metalli in una costruzione poiché si evita la chimica ad alta temperatura”, ha scritto Wenning. “Pertanto, il rame può essere integrato come diffusore di calore in punti critici, migliorando le prestazioni termiche con una leggera penalizzazione del peso.”
A causa delle basse temperature, l’UAM può anche essere utilizzato per incorporare i sensori in metallo solido. Negli scambiatori di calore stampati in 3D, i sensori possono aiutare a monitorare la salute del sistema e migliorare il controllo integrandosi in luoghi importanti.

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