Hinetics聯合Protolabs 3D 打印電動航空器散熱組件，助力飛機電動發(fā)動機騰飛

導讀：人類使用動力飛機飛行已有一個多世紀，其中絕大多數飛行都是使用內燃機完成的。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，即清潔運行的電動發(fā)動機。2017 年，Kiruba Haran 博士從伊利諾伊大學分拆出一家新公司，旨在研究、開發(fā)和推進電動發(fā)動機為飛機提供動力。他創(chuàng)立了 Hinetics，這是一家由高頻和高場電磁 NETICS 組成的混合體。該公司還基于超導技術制造大型發(fā)電機，因此 Hinetics 的產品涵蓋了消耗和發(fā)電。開發(fā)能夠高效長距離運行的電動發(fā)動機的困難絕非小事。研究和開發(fā)仍在繼續(xù)，而 Hinetics 是這一切的核心。

Hinetics 的核心理念是飛機電氣化，但他們也為混合動力（電動/內燃）發(fā)動機提供動力系統(tǒng)解決方案。作為一家初創(chuàng)公司，他們有機會在飛機以外的領域提供先進技術。最終，他們的目標是制造具有特定高功率和高效率的電動機器，而飛機是他們通過為有遠見的公司提供電動解決方案而攻克的第一個行業(yè)。

Hinetics 電氣工程師Peter Xiao 表示：“如果有人想制造電動飛機并想駕駛它，他們需要了解飛機的空氣動力學，也知道如何設計重量分布。但他們不知道如何制造一個足夠輕的發(fā)動機來安裝在飛機上。這就是為什么他們可能會向我們訂購。這是一次非常深入的合作�！�

△Hinetics采用3D打印技術來制造輕型風冷散熱器。

挑戰(zhàn)：散熱問題

所有發(fā)動機都會產生熱量，需要散熱才能正常運轉。內燃機的效率約為 30-40%，而 Hinetics 發(fā)動機在實際測試中通�？蛇_到 95% 以上。盡管電動機產生的廢熱遠少于內燃機，但它們面臨著更為嚴格的熱管理要求，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，液體有助于從活動部件（例如電機）散發(fā)熱量。問題是液體很重，而電動汽車（無論是汽車、卡車還是飛機）僅電池就已經很重了。Hinetics 的目標是盡可能找到一種減輕部件重量的方法，因為更輕的部件意味著更長的飛行距離。他們的第一個設計使用了水冷。這種散熱器雖然非常高效，但可能更適合具有現有液體循環(huán)的系統(tǒng)，例如帶有內燃機的混合動力汽車。

解決方案：大幅面金屬 3D 打印

Hinetics團隊面臨的挑戰(zhàn)的關鍵是制造高功率密度電機。電機及其整個傳動系統(tǒng)必須盡可能輕便高效。這些電機的熱管理也很重要。熱量可能會導致電機性能下降，縮短其使用壽命，或者比預期更快出現故障。該團隊決定使用鋁（一種常用于散熱器的材料）來為電機創(chuàng)建風冷散熱解決方案。更短的交貨時間和生成復雜幾何圖形的能力使他們轉向 3D 打印。然后他們求助于 Protolabs來打印零件。

最初的設計是水冷裝置，但這不切實際，而且增加了太多重量。半年后，該團隊開發(fā)了一個風冷裝置。在設計中，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)上生產的。該部件重量輕，特別注意在減輕重量的同時最大化表面積。由于該部件對于 Y 軸來說太大，因此還必須重新設計。

△這款GE X Line 打印機可以打印像 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具有挑戰(zhàn)性，即使使用最先進的增材制造機器也存在風險和不確定性，但Protolabs 能夠將它們加工到滿足我們研究需求的高精度水平�！�

Protolabs 3D 打印應用工程經理 Eric Utley 表示：“X Line 的優(yōu)點在于，它讓我們能夠制造出一些最復雜、最大型的金屬部件。這種復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，它們具有大量內置功能�！�

然而，設計上有一個小問題。打印機上其中一個軸的限制是 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 在兩側略微改變了設計，將圓形各壓扁 2 毫米。這個小小的讓步使他們能夠在我們的 GE X Line 2000R 打印機上進行直接金屬激光燒結 (DMLS)，該打印機同時使用兩個激光器，大大縮短了周轉時間。

Protolabs 的日常業(yè)務正在商品化。Xometry、中國企業(yè)和激烈的競爭使得“打印 STL”業(yè)務很難盈利。但是，這里有一個制造起來非常復雜的關鍵部件的例子。Protolabs有一個應用工程部門，可以幫助他們處理這種復雜、高價值部件的困難依賴性和挑戰(zhàn)。許多其他服務會等著你弄清楚這一切，并希望收到一個完全連貫的 STL 來繼續(xù)前進。顯然，對于 Hinetics 來說，信任他們的供應商是至關重要的。如果他們信任供應商的知識和能力，那么關于設計的建議和如何最好地制造它就會被接受。

應用程序開發(fā)非常困難，很少有人能做好。對于 Protolabs 來說，良好的應用工程可以加速其客戶進入增材制造領域的步伐�？蛻艨梢酝ㄟ^ Protolabs 邁出第一步，制造出硬件部件，并且可能永遠不會再選擇其他供應商。同時，復雜的散熱器可以作為吸引其他業(yè)務的光環(huán)部件。

熱管理是目前 3D 打印的熱門話題。對于太空、航空航天、電動汽車、國防和許多其他領域，人們正在轉向 3D 打印來制造熱管理設備。如今，電子產品、導彈、無人機等的散熱器和熱交換器的先進設計都在制造中。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計和生產的服務，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。