Hinetics聯(lián)合Protolabs 3D 打印電動(dòng)航空器散熱組件，助力飛機(jī)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)騰飛

導(dǎo)讀：人類使用動(dòng)力飛機(jī)飛行已有一個(gè)多世紀(jì)，其中絕大多數(shù)飛行都是使用內(nèi)燃機(jī)完成的。航空燃料造成了高空污染，將溫室氣體排放到平流層并加速了氣候變化。

如今，航空旅行正在發(fā)展一種新模式，即清潔運(yùn)行的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。2017 年，Kiruba Haran 博士從伊利諾伊大學(xué)分拆出一家新公司，旨在研究、開發(fā)和推進(jìn)電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)為飛機(jī)提供動(dòng)力。他創(chuàng)立了 Hinetics，這是一家由高頻和高場(chǎng)電磁 NETICS 組成的混合體。該公司還基于超導(dǎo)技術(shù)制造大型發(fā)電機(jī)，因此 Hinetics 的產(chǎn)品涵蓋了消耗和發(fā)電。開發(fā)能夠高效長(zhǎng)距離運(yùn)行的電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的困難絕非小事。研究和開發(fā)仍在繼續(xù)，而 Hinetics 是這一切的核心。

Hinetics 的核心理念是飛機(jī)電氣化，但他們也為混合動(dòng)力（電動(dòng)/內(nèi)燃）發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力系統(tǒng)解決方案。作為一家初創(chuàng)公司，他們有機(jī)會(huì)在飛機(jī)以外的領(lǐng)域提供先進(jìn)技術(shù)。最終，他們的目標(biāo)是制造具有特定高功率和高效率的電動(dòng)機(jī)器，而飛機(jī)是他們通過為有遠(yuǎn)見的公司提供電動(dòng)解決方案而攻克的第一個(gè)行業(yè)。

Hinetics 電氣工程師Peter Xiao 表示：“如果有人想制造電動(dòng)飛機(jī)并想駕駛它，他們需要了解飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)，也知道如何設(shè)計(jì)重量分布。但他們不知道如何制造一個(gè)足夠輕的發(fā)動(dòng)機(jī)來安裝在飛機(jī)上。這就是為什么他們可能會(huì)向我們訂購。這是一次非常深入的合作�！�

△Hinetics采用3D打印技術(shù)來制造輕型風(fēng)冷散熱器。

挑戰(zhàn)：散熱問題

所有發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)產(chǎn)生熱量，需要散熱才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。內(nèi)燃機(jī)的效率約為 30-40%，而 Hinetics 發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際測(cè)試中通常可達(dá)到 95% 以上。盡管電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱遠(yuǎn)少于內(nèi)燃機(jī)，但它們面臨著更為嚴(yán)格的熱管理要求，以保持電氣絕緣。

散熱的一種方式是通過液體冷卻。作為傳熱介質(zhì)，液體有助于從活動(dòng)部件（例如電機(jī)）散發(fā)熱量。問題是液體很重，而電動(dòng)汽車（無論是汽車、卡車還是飛機(jī)）僅電池就已經(jīng)很重了。Hinetics 的目標(biāo)是盡可能找到一種減輕部件重量的方法，因?yàn)楦�輕的部件意味著更長(zhǎng)的飛行距離。他們的第一個(gè)設(shè)計(jì)使用了水冷。這種散熱器雖然非常高效，但可能更適合具有現(xiàn)有液體循環(huán)的系統(tǒng)，例如帶有內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力汽車。

解決方案：大幅面金屬 3D 打印

Hinetics團(tuán)隊(duì)面臨的挑戰(zhàn)的關(guān)鍵是制造高功率密度電機(jī)。電機(jī)及其整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)必須盡可能輕便高效。這些電機(jī)的熱管理也很重要。熱量可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能下降，縮短其使用壽命，或者比預(yù)期更快出現(xiàn)故障。該團(tuán)隊(duì)決定使用鋁（一種常用于散熱器的材料）來為電機(jī)創(chuàng)建風(fēng)冷散熱解決方案。更短的交貨時(shí)間和生成復(fù)雜幾何圖形的能力使他們轉(zhuǎn)向 3D 打印。然后他們求助于 Protolabs來打印零件。

最初的設(shè)計(jì)是水冷裝置，但這不切實(shí)際，而且增加了太多重量。半年后，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)風(fēng)冷裝置。在設(shè)計(jì)中，鋁制 3D 打印翅片向外輻射，并由額外的葉輪輔助冷卻。該部件是在 GE X Line 2000R 雙激光粉末床系統(tǒng)上生產(chǎn)的。該部件重量輕，特別注意在減輕重量的同時(shí)最大化表面積。由于該部件對(duì)于 Y 軸來說太大，因此還必須重新設(shè)計(jì)。

△這款GE X Line 打印機(jī)可以打印像 Hinetics 散熱器這樣的大幅面金屬部件。

Hinetics 電氣工程師PeterXiao表示：“這些部件的制造絕對(duì)具有挑戰(zhàn)性，即使使用最先進(jìn)的增材制造機(jī)器也存在風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，但Protolabs 能夠?qū)⑺鼈兗庸さ綕M足我們研究需求的高精度水平。”

Protolabs 3D 打印應(yīng)用工程經(jīng)理 Eric Utley 表示：“X Line 的優(yōu)點(diǎn)在于，它讓我們能夠制造出一些最復(fù)雜、最大型的金屬部件。這種復(fù)雜性既可以減少材料使用量，又可以增加表面積，這些部件就是如此，它們具有大量?jī)?nèi)置功能�！�

然而，設(shè)計(jì)上有一個(gè)小問題。打印機(jī)上其中一個(gè)軸的限制是 15.7 英寸（400 毫米）。這仍然很大，但 Hinetics 的部件規(guī)格需要 15.91 英寸（404 毫米）。與Protolabs 合作，Hinetics 在兩側(cè)略微改變了設(shè)計(jì)，將圓形各壓扁 2 毫米。這個(gè)小小的讓步使他們能夠在我們的 GE X Line 2000R 打印機(jī)上進(jìn)行直接金屬激光燒結(jié) (DMLS)，該打印機(jī)同時(shí)使用兩個(gè)激光器，大大縮短了周轉(zhuǎn)時(shí)間。

Protolabs 的日常業(yè)務(wù)正在商品化。Xometry、中國企業(yè)和激烈的競(jìng)爭(zhēng)使得“打印 STL”業(yè)務(wù)很難盈利。但是，這里有一個(gè)制造起來非常復(fù)雜的關(guān)鍵部件的例子。Protolabs有一個(gè)應(yīng)用工程部門，可以幫助他們處理這種復(fù)雜、高價(jià)值部件的困難依賴性和挑戰(zhàn)。許多其他服務(wù)會(huì)等著你弄清楚這一切，并希望收到一個(gè)完全連貫的 STL 來繼續(xù)前進(jìn)。顯然，對(duì)于 Hinetics 來說，信任他們的供應(yīng)商是至關(guān)重要的。如果他們信任供應(yīng)商的知識(shí)和能力，那么關(guān)于設(shè)計(jì)的建議和如何最好地制造它就會(huì)被接受。

應(yīng)用程序開發(fā)非常困難，很少有人能做好。對(duì)于 Protolabs 來說，良好的應(yīng)用工程可以加速其客戶進(jìn)入增材制造領(lǐng)域的步伐。客戶可以通過 Protolabs 邁出第一步，制造出硬件部件，并且可能永遠(yuǎn)不會(huì)再選擇其他供應(yīng)商。同時(shí)，復(fù)雜的散熱器可以作為吸引其他業(yè)務(wù)的光環(huán)部件。

熱管理是目前 3D 打印的熱門話題。對(duì)于太空、航空航天、電動(dòng)汽車、國防和許多其他領(lǐng)域，人們正在轉(zhuǎn)向 3D 打印來制造熱管理設(shè)備。如今，電子產(chǎn)品、導(dǎo)彈、無人機(jī)等的散熱器和熱交換器的先進(jìn)設(shè)計(jì)都在制造中。它們都需要輕便、具有特定的性能要求并按照規(guī)格工作。這些要求通常使它們成為 3D 打印的良好商業(yè)案例。如果它們需要擠在某個(gè)地方、需要保形或需要快速迭代，則尤其如此。

如果 Protolabs 開發(fā)出一種專門用于散熱器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的服務(wù)，那么他們就能夠成為客戶更有效的力量倍增器，并贏得更多業(yè)務(wù)。