Вернуться к теме 3D-печати в аэрокосмической отрасли
Опубликовано: 17 августа 2026 г.
Последнее обновление: 17 августа 2026 г.
Автор: Феликс Ли, генеральный директор компании Forgecise
Специализация: Передовые производственные технологии | Теплотехника | Применение аддитивных технологий в производстве
Table of Contents
Об авторе
Феликс Ли — генеральный директор компании ForgeciseВ своей работе он специализируется на передовых технологиях производства и инженерных решениях для промышленного применения следующего поколения. Он исследует, как аддитивное производство, оптимизированные конструкции и новые материалы могут помочь в решении сложных инженерных задач в области теплового менеджмента, легких систем и высокопроизводительных компонентов.
Краткий ответ: Что такое теплообменники со сверхтонкими стенками?
Сверхтонкостенные теплообменники — это передовые системы охлаждения, использующие чрезвычайно тонкие металлические стенки и сложные внутренние конструкции для более быстрой передачи тепла при одновременном уменьшении размеров и веса. Благодаря конструкциям TPMS и аддитивному производству металлов, инженеры могут создавать каналы для жидкости и системы охлаждения, недоступные для традиционных методов механической обработки и пайки.
Вкратце:
- Сверхтонкостенные теплообменники помогают решить растущие проблемы охлаждения в серверах для искусственного интеллекта, аэрокосмических системах, электромобилях и автоспорте.
- Структуры TPMS, такие как Gyroid, Schwarz Diamond и Schwarz P, улучшают теплопередачу за счет увеличения площади поверхности и улучшения движения жидкости.
- В системе Flow ADMS используются методы компьютерного проектирования для снижения потерь давления при сохранении высоких тепловых характеристик.
- Технология лазерного послойного спекания порошка позволяет инженерам создавать чрезвычайно тонкие стенки и сложные внутренние каналы в виде единого цельного компонента.
- Такие компании, как Conflux Technology, PrintSky и PWR Advanced Cooling Technology, уже применяют эти идеи в реальных продуктах.
Почему традиционные теплообменники достигают предела своих возможностей?
Современные инженерные системы выделяют больше тепла в меньших помещениях.
Это происходит во многих отраслях:
- центры обработки данных искусственного интеллекта
- Электрические энергетические системы
- Аэрокосмические двигатели
- Высокопроизводительные автомобили
- двигатели для автоспорта
Задача изменилась.
Инженеры теперь задают не только вопросы:
«Как можно отвести тепло?»
Они спрашивают:
«Как можно отводить больше тепла с меньшей площади, не увеличивая вес и не потребляя слишком много энергии?»
Традиционные системы охлаждения достигают своих физических пределов.
Проблемы, возникающие при использовании традиционных микроканальных конструкций.
Микроканальные теплообменники используются уже много лет, поскольку меньший размер каналов обеспечивает большую площадь поверхности.
Большая площадь поверхности обычно означает лучшую теплопередачу.
Однако, более мелкие каналы создают другую проблему: более высокое сопротивление.
Когда гидравлический диаметр канала приближается к значению около 1 мм или опускается ниже него, поведение жидкости изменяется.
Эффект усиливается:
- Трение о стенки увеличивается
- Потребности в насосах возрастают.
- Управление тепловыми пограничными слоями становится все сложнее.
Тепловой пограничный слой — это тонкий слой жидкости у стенки, который быстро достигает температуры стенки.
После стабилизации этот слой замедляет передачу тепла между жидкостью и стенкой.
Таким образом, инженерам приходится соблюдать сложный баланс:
Более узкие каналы улучшают теплопередачу.
Однако меньший диаметр каналов также увеличивает потери давления.
Почему традиционные конструкции ребер также имеют свои ограничения
Смещенные ленточные ребра широко используются в компактных теплообменниках, поскольку они создают турбулентность и увеличивают площадь поверхности.
Но когда эти структуры становятся меньше и толще, возникают проблемы.
Жидкость начинает создавать:
- Зоны рециркуляции
- Застойные зоны
- Более высокое трение
Повышение давления может превысить выгоду от теплопередачи.
Это означает, что добавление дополнительных элементов конструкции не всегда приводит к улучшению системы охлаждения.
Для решения требуется другой тип геометрии.
Как теплообменники TPMS улучшают тепловые характеристики?
Теплообменники с тройным периодическим минимальным покрытием (TPMS) используют непрерывные математические поверхности, повторяющиеся в трех измерениях. Эти структуры создают отдельные сети жидкости с чрезвычайно большой площадью поверхности, что обеспечивает лучшую теплопередачу в компактном пространстве.
К распространенным конструкциям систем контроля давления в шинах относятся:
- Желточная железа
- Алмаз Шварц
- Шварц П.
В отличие от прямых каналов, структуры TPMS создают изогнутые и соединенные между собой пути.
Жидкость не просто движется вперед.
Оно постоянно меняет направление.
Как система TPMS контролирует движение тепла
Конструкции TPMS улучшают тепловые характеристики несколькими способами.
Большая площадь теплопередачи
Сложная геометрия поверхности создает значительно большую площадь контакта между горячей и холодной жидкостями.
Это позволяет большему количеству тепла перемещаться через разделительную стену.
Более эффективное смешивание жидкостей
Изогнутые траектории нарушают термический пограничный слой.
Вместо того чтобы позволять теплому слою накапливаться у стенки, геометрическая форма обеспечивает непрерывное поступление свежей жидкости в контакт с поверхностью.
Более равномерное распределение температуры
Традиционные каналы часто создают зоны с высокой и низкой температурой.
Конструкция TPMS обеспечивает более равномерное распределение тепла по всему компоненту.
Это особенно ценно для:
- Охлаждение серверов с помощью ИИ
- Мощная электроника
- Аэрокосмические системы
- терморегулирование батареи
Как конструкции TPMS разделяют две жидкости?
Одной из наиболее полезных особенностей конструкций TPMS является их способность создавать две отдельные, но взаимосвязанные сети потоков.
Например:
- Горячая моторная жидкость проходит через одну сторону.
- Охлаждающая жидкость проходит с другой стороны.
- Их разделяет очень тонкая металлическая стенка.
Всю конструкцию можно напечатать как единый компонент.
Есть:
- Без паяных соединений
- Не складывайте тарелки друг на друга.
- Между слоями отсутствуют традиционные герметизирующие материалы.
Это уменьшает количество потенциальных точек отказа.
Насколько лучше теплообменники TPMS?
Испытания и моделирование показывают, что теплообменники TPMS превосходят по своим характеристикам традиционные конструкции.
По сравнению с обычными теплообменниками на печатных платах:
- Общее улучшение тепловых характеристик может достигать приблизительно от 15% до 100%
- Улучшение числа Нуссельта может достигать приблизительно от 16% до 120%
Причина не только в большей площади поверхности.
Реальное преимущество заключается в контроле движения жидкости.
Высокоэффективный теплообменник — это не просто металлическая конструкция.
Это тщательно спроектированная система циркуляции жидкости.
Почему Flow ADMS — это следующий шаг после традиционных систем TPMS?
Традиционные конструкции систем контроля давления в шинах (TPMS) решают многие проблемы, но всё же имеют свои ограничения.
Гироидная структура обеспечивает превосходную теплопередачу.
Однако повторяющийся узор заставляет жидкость двигаться по одному и тому же сложному пути повсюду.
Это приводит к ненужным потерям давления.
Именно здесь вступает в игру Flow ADMS.
Что такое система управления потоком ADMS?
Технология Flow ADMS (Adaptive Density Minimal Surfaces) использует компьютерную оптимизацию для корректировки внутренней геометрии в соответствии с поведением жидкости.
Вместо использования одного повторяющегося шаблона структура изменяется в зависимости от требований к потоку данных.
В процессе проектирования используются следующие методы:
- Вычислительная гидродинамика (CFD)
- Управление векторным полем
- Локальная корректировка геометрии
- Оптимизация пути потока
Почему система Flow ADMS снижает потери давления?
Традиционная гироидная конструкция похожа на строительство дорог с одинаковой разметкой повсюду.
Система Flow ADMS ближе к проектированию дорог на основе реального транспортного потока.
Данная конструкция позволяет направлять жидкость по более лёгким путям, сохраняя при этом большую площадь теплопередачи.
Результаты испытаний показывают:
Технология Flow ADMS позволяет снизить перепад давления примерно на 20–30% по сравнению со стандартными гироидными структурами.
Это важно, потому что меньшие потери давления означают:
- Меньше энергии насоса
- Повышение эффективности системы
- Упрощенная интеграция в более крупные системы охлаждения.
Почему для теплообменников TPMS требуется аддитивное производство металлов?
Сверхтонкостенные теплообменники TPMS невозможно надежно изготовить традиционными методами, поскольку их внутренняя структура слишком сложна. Аддитивное производство позволяет инженерам создавать полные трехмерные жидкостные сети с чрезвычайно тонкими стенками, без паяных соединений и с меньшим количеством точек отказа.
Свобода проектирования — главная причина, по которой аддитивное производство стало важным инструментом для создания современных тепловых систем.
Цифровая модель теперь может включать в себя:
- Изогнутые внутренние каналы
- Множественные пути движения жидкости
- Сверхтонкие разделительные стенки
- Легкие решетчатые структуры
Производственный процесс, наконец, соответствует тому, что могут спроектировать инженеры.
Почему у станков с ЧПУ и пайки есть ограничения?
Традиционные теплообменники часто изготавливаются следующими способами:
- Резка или формовка металлических листов
- Создание каналов
- Многослойное наложение
- Соединение деталей методом пайки
Этот подход хорошо подходит для многих задач.
Однако это создает проблемы, когда инженерам требуется экстремальная производительность.
Проблема обработки на станках с ЧПУ
Обработка на станках с ЧПУ удаляет материал с помощью режущих инструментов.
Ограничение заключается в доступе.
Режущий инструмент должен физически достичь той области, которую необходимо обработать.
Структуры TPMS содержат сложные внутренние поверхности, которые изгибаются в трех измерениях.
До многих мест невозможно добраться обычными инструментами.
Результат:
Проект может существовать на компьютере, но его невозможно изготовить традиционными методами.
Проблема пайки
Пайка позволяет объединить несколько металлических деталей в один компонент.
Однако каждое соединение создает еще одно возможное место отказа.
К числу проблем относятся:
- Термическое напряжение
- Деформация в процессе обработки в печи
- Небольшие протечки
- Усталостное разрушение с течением времени
В критически важных системах даже небольшая утечка может привести к серьезным проблемам.
Например:
Утечка охлаждающей жидкости внутри высоковольтной электронной системы может повредить всю систему.
В аэрокосмической отрасли возникают аналогичные проблемы, поскольку отказы происходят при вибрации, изменениях давления и экстремальных температурах.
Как лазерная порошковая послойная сварка позволяет создавать усовершенствованные теплообменники?
Лазерное спекание порошкового слоя (LPBF) стало одной из основных технологий для производства современных теплообменников с аддитивными технологиями.
Процесс работает по следующей схеме:
- Нанесение тонкого слоя металлического порошка.
- Расплавление отдельных участков лазером
- Добавление еще одного слоя порошка
- Процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова.
В конечном итоге компонент создается в виде единой цельной конструкции.
Слои не собраны.
Паяные соединения отсутствуют.
Внутренних соединений нет.
Насколько тонкими могут быть стенки теплообменников с добавками?
Современные технологии аддитивного производства металлов продолжают расширять границы размеров.
В настоящее время доступны следующие возможности:
- Вокруг 0,3 мм толщина стенок для надежного производства
- Вокруг 0,15 мм как передовой рубеж производства
- Будущие цели вблизи 0,05 мм
При таких размерах контроль производственного процесса приобретает чрезвычайно важное значение.
Небольшой дефект может привести к:
- Утечка между каналами для жидкости.
- Сниженная прочность
- Более низкая усталостная прочность
Именно поэтому технологии печати и методы контроля качества должны развиваться параллельно.
Какое оборудование используется в производстве теплообменников со сверхтонкими стенками?
Velo3D Сапфир
Система Velo3D Sapphire решает одну из самых больших проблем в аддитивном производстве металлов: создание внутренних опорных конструкций.
Традиционная 3D-печать часто требует использования поддерживающих конструкций внутри сложных устройств.
Удаление этих опор из узких каналов может быть затруднительным.
Система Sapphire предоставляет:
- Возможность построения с коэффициентом соотношения высоты к толщине приблизительно 200:1.
- Печать без поддерживающих элементов под углом всего 10 градусов.
- Более эффективный контроль сложных внутренних проходов.
Это делает его подходящим для современных тепловых компонентов.
AddUp FormUp 350
Платформа AddUp FormUp 350 специализируется на промышленном аддитивном производстве металлов.
В число его возможностей входят:
- Контроль мелкодисперсного порошка
- Усовершенствованные системы повторного нанесения покрытий
- Печать высокого разрешения
Эта система использовалась для производства очень тонких внутренних ребер, в том числе конструкций вокруг:
толщина 0,15 мм
при этом обеспечивая герметичность.
Какие материалы используются для изготовления теплообменников со сверхтонкими стенками?
Выбор материала определяет, сможет ли теплообменник с добавками выдерживать экстремальные температуры, давление, вибрацию и многократные термические циклы. В разных отраслях промышленности выбирают разные материалы в зависимости от условий эксплуатации.
Инконель 718: Тепловые системы для аэрокосмической отрасли
Сплав Inconel 718 широко используется в аэрокосмической отрасли благодаря своим следующим свойствам:
- Прочность при высоких температурах
- Коррозионная стойкость
- Хорошие показатели утомляемости
Недостаток – вес.
По сравнению с алюминием:
- Оно тяжелее
- Она передает тепло менее эффективно.
Однако аддитивное производство меняет этот баланс.
Благодаря возможности создавать чрезвычайно тонкие конструкции, инженеры сокращают количество необходимого материала.
Тонкий теплообменник из сплава Inconel 718 способен обеспечивать работу при высоких температурах, сохраняя при этом контроль над весом.
Aheadd CP1: Усовершенствованный алюминий для автоспорта и вычислительной техники.
Алюминий остается привлекательным, потому что он обладает следующими преимуществами:
- Низкий вес
- Хорошая теплопроводность
Традиционные добавки к алюминию, такие как:
- AlSi10Mg
- Ф357
имеют ограничения.
Они часто требуют:
- Обработка раствором
- Быстрое охлаждение
- Дополнительная термическая обработка
Эти этапы могут привести к деформации сверхтонких структур.
Почему Aheadd CP1 отличается
Компания Constellium разработала Aheadd CP1 специально для лазерной порошковой послойной сварки.
К его преимуществам относятся:
- Не требуется закалка раствора
- Простой процесс старения
- Повышенная стабильность размеров
- Хорошая свариваемость
Типичный процесс старения включает в себя:
- Примерно 400 °C в течение четырех часов
Дополнительные преимущества:
- Стабильная работа при температуре до 300°C.
- Совместимо с печатными слоями толщиной 50–100 микрон.
- Одобрено FIA для применения в Формуле-1.
Возможны ли полимерные и керамические структуры TPMS?
Да.
Хотя в высокотемпературных системах охлаждения преобладают металлы, концепции TPMS (системы контроля давления в шинах) расширяются и на другие материалы.
Полимерные структуры TPMS
Современные полимерные системы позволяют создавать сложные геометрические формы для:
- Прототипы систем охлаждения
- Легковесные приложения
- Тестирование компонентов
Некоторые материалы обеспечивают:
- Точность печати составляет около 0,08 мм.
- Термостойкость до приблизительно 268°C
Керамические структуры TPMS
Исследователи также тестируют конструкции керамических датчиков давления в шинах (TPMS).
Один из подходов сочетает в себе:
- Глина
- Опилки
- Грибной мицелий
После стрельбы:
- Органические материалы исчезают
- Пористые керамические структуры остаются
Эти конструкции способны поглощать и распределять воду, создавая пассивные испарительные системы охлаждения.
Это показывает, что TPMS — это не только концепция металлообработки.
Это более широкий метод контроля движения тепла и жидкости.
Как компании используют теплообменники с добавками в настоящее время?
Сверхтонкостенные теплообменники с аддитивными технологиями уже используются в автомобильной, аэрокосмической и автоспортивной отраслях. Эти примеры демонстрируют, как усовершенствованная геометрия может снизить вес, улучшить компоновку и решить тепловые проблемы, с которыми не справляются традиционные конструкции.
Пример автомобильной промышленности: Donkervoort и технология Conflux
Компания Donkervoort совместно с Conflux Technology разработала систему водяного охлаждения наддувочного воздуха для суперкара P24 RS.
Цели инженерного проекта заключались в следующем:
- Улучшение эффективности охлаждения
- Снизьте вес
- Разместить систему охлаждения в ограниченном пространстве моторного отсека
В решении использована передовая технология аддитивного производства.
Результат:
- Вес дополнительного охладителя: около 1,4 кг
- Традиционный воздухоохладитель: о 16 кг
Это создано на основе:
Снижение веса на 91%.
Меньшие по размеру размеры конструкции также позволили:
- Размещение радиатора ближе к двигателю.
- Сокращение впускного тракта примерно на две трети.
- Улучшенная компоновка автомобиля
- Более быстрая реакция дроссельной заслонки
Пример из аэрокосмической отрасли: проект PrintSky HEWAM.
Аэрокосмические системы требуют наличия охлаждающих компонентов, которые включают в себя:
- Легкий
- Сильный
- Надежно работает при вибрации
- Устойчивость к перепадам температуры
В рамках проекта PrintSky HEWAM был разработан аддитивный теплообменник для применения в вертолетах.
В проекте использовалось:
- AddUp FormUp 350
- Инконель 718
Итоговый результат:
- Внешние стенки толщиной 0,5 мм
- внутренние ребра толщиной 0,35 мм
- внешние ребра толщиной 0,2 мм
Цельный изогнутый теплообменник был напечатан как единый компонент.
Достичь такой формы традиционными методами производства было бы крайне сложно.
Пример из автоспорта: технология усовершенствованного охлаждения PWR.
Команды Формулы-1 работают в условиях экстремальных температурных и упаковочных ограничений.
Каждый компонент должен находиться в равновесии:
- Масса
- Способность к охлаждению
- Надежность
- Ограничения по площади
Технология PWR Advanced Cooling Technology использует аддитивное производство с помощью систем Velo3D для создания сложных компонентов системы охлаждения.
Сочетание:
- Печать без поддержки
- Расширенные внутренние каналы
- Впереди CP1 алюминий
позволяет создавать легкие системы охлаждения для высокопроизводительных гоночных автомобилей.
Каковы основные проблемы в производстве?
Удаление порошка
Неиспользованный порошок может застревать внутри сложных каналов TPMS.
Производители используют:
- Многоосевое перемещение
- Вибрация
- Акустический резонанс
для разрыхления и удаления застрявших частиц.
Внутренняя проверка
Поскольку инженеры не могут заглянуть внутрь готовой детали, требуется проведение углубленных испытаний.
Промышленные компьютерные томографические исследования:
- Внутренние стены
- Пористость
- Качество канала
Другой метод, гамма-излучение, индуцированное частицами (PIGE), позволяет обнаруживать определенные элементы на очень низких концентрациях.
Например:
- Обнаружение фтора: около 40 частей на миллион.
Это помогает проверить чистоту материала и качество обработки.
Каково будущее аддитивных технологий в области терморегулирования?
Следующий этап развития теплотехники объединит в себе следующие элементы:
- Искусственный интеллект
- Аддитивное производство
- Передовые материалы
- Вычислительное проектирование
Инструменты искусственного интеллекта могут анализировать тысячи возможных вариантов дизайна, используя следующие методы:
- Данные CFD
- Тепловые расчеты
- Правила производства
Инженеры могут перейти от ручного тестирования к более быстрому проектированию с помощью компьютера.
Системы охлаждения, разработанные с использованием ИИ.
В будущем рабочие процессы могут выглядеть следующим образом:
- Инженеры определяют требования к охлаждению.
- Искусственный интеллект генерирует возможные структуры.
- CFD оценивает производительность
- Программное обеспечение для производства проверяет возможность печати.
- Изготавливается конечный компонент.
Это позволяет сократить время разработки с нескольких месяцев до гораздо более коротких циклов.
Модульные производственные системы
Отрасль также движется в сторону увеличения объемов производства.
В будущем на заводах могут использоваться:
- Специализированные ячейки для аддитивного производства
- Автоматизированные системы контроля
- Производственные линии, разработанные с учетом использования тепловых компонентов.
Это позволило бы ежегодно обеспечивать работу десятков тысяч современных холодильных установок.
Часто задаваемые вопросы
Что такое теплообменники со сверхтонкими стенками?
Краткий ответ:
Сверхтонкостенные теплообменники — это легкие системы охлаждения, использующие очень тонкие металлические стенки и усовершенствованные внутренние конструкции для более быстрой передачи тепла в небольших пространствах.
В этих системах часто используются конструкции TPMS и технологии аддитивного производства из металла, поскольку традиционная механическая обработка и пайка не позволяют создать необходимую внутреннюю геометрию.
Почему в теплообменниках используются конструкции TPMS?
Краткий ответ:
Структуры TPMS улучшают теплопередачу за счет увеличения площади поверхности и контроля движения жидкости.
Такие структуры, как гироид и алмаз Шварца, создают непрерывные каналы, которые нарушают тепловые пограничные слои, улучшают перемешивание и обеспечивают более равномерное распределение температуры внутри компактных систем.
Как 3D-печать металлом улучшает конструкцию теплообменников?
Краткий ответ:
Технология 3D-печати металлом позволяет инженерам создавать сложные системы охлаждения в виде единого компонента.
Технология лазерного послойного спекания порошка позволяет создавать тонкие стенки, внутренние каналы и легкие геометрические формы, которые невозможно изготовить традиционными методами.
В каких отраслях промышленности используются теплообменники с добавками?
Краткий ответ:
В аэрокосмической, автомобильной, автоспортивной отраслях, а также в сфере высокопроизводительных вычислений используются теплообменники с добавками.
Эти отрасли промышленности нуждаются в системах охлаждения, которые были бы меньше по размеру, легче и могли бы выдерживать более высокие тепловые нагрузки.
Что такое Flow ADMS?
Краткий ответ:
Flow ADMS — это оптимизированный подход к проектированию TPMS, который регулирует внутреннюю геометрию в соответствии с поведением жидкости.
В нем используются методы вычислительной гидродинамики и векторного проектирования для снижения потерь давления при сохранении высокой эффективности теплопередачи.
Рекомендуемые внешние источники
- Центр поиска Google — Функции поиска с использованием ИИ и рекомендации по полезному контенту
- Velo3D — технология аддитивного производства металлов
- AddUp — Промышленное аддитивное производство металлов
- Constellium — Aheadd CP1 Алюминиевый сплав
- Технические регламенты FIA