基于3D 打印技術(shù)的一體式換熱器模型設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)M

工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)中的《模型與塑造》課程是一門綜合性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課程。為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，彌補(bǔ)理論與實(shí)踐相脫節(jié)的現(xiàn)象，該課程緊密地與企業(yè)實(shí)際問題相結(jié)合，嘗試將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到換熱器領(lǐng)域，以解決換熱器使用中出現(xiàn)的諸多問題，為此探討了一體式換熱器，并進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)?zāi)M。學(xué)生通過調(diào)研多家生產(chǎn)企業(yè)，了解了一體式換熱器的生產(chǎn)過程、工藝，及換熱器長(zhǎng)時(shí)間使用后的現(xiàn)狀和存在的問題，抓住重點(diǎn)問題，對(duì)換熱器損壞的原因進(jìn)行了分析，并從材料的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D 打印制作等方面進(jìn)行探討，達(dá)到學(xué)以致用的效果。學(xué)生對(duì)課程有了更深入的理解，能促進(jìn)學(xué)生的快速發(fā)展，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)業(yè)能力，為他們?nèi)蘸蟛饺牍ぷ鲘徫淮蛳铝己玫幕A(chǔ)。

1 3D 打印技術(shù)概述

3D 打印是快速成型技術(shù)中的一種類型，其以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，采用塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，通過逐層打印后以堆疊的方式來構(gòu)造三維物體技術(shù)，然后通過計(jì)算機(jī)控制將打印材料層層疊加，最終將計(jì)算機(jī)上的圖形變成三維物體。3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有：(1)無需任何模具或機(jī)械加工，就可以通過計(jì)算機(jī)中的圖形數(shù)據(jù)直接用3D 打印機(jī)制造出任意復(fù)雜形狀的物體，這樣能降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率，縮短研發(fā)周期；(2)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝過程得到了簡(jiǎn)化，單個(gè)產(chǎn)品就能快速有效地制造出來；(3)能解決用傳統(tǒng)工藝技術(shù)無法制造的零件，如飛機(jī)的機(jī)翼、熱交換器等；(4) 3D 打印機(jī)技術(shù)制作的產(chǎn)品與工廠機(jī)器生產(chǎn)出來的產(chǎn)品相比，3D 打印產(chǎn)品質(zhì)量更輕，但產(chǎn)品質(zhì)量同樣堅(jiān)固。3D 打印成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于它不受場(chǎng)地限制，可放到許多地方，如辦公室、教室、創(chuàng)新中心、活動(dòng)室、商店、實(shí)驗(yàn)室等，只要有電源和電腦的地方就可以打印。當(dāng)然對(duì)于汽車部件、飛機(jī)部件等大物品，就需要大型號(hào)的打印機(jī)和大的空間放置。如今3D 打印快速成型技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如汽車制造業(yè)、科技教育、醫(yī)療、工藝美術(shù)設(shè)計(jì)、橋梁、建筑設(shè)計(jì)、土木工程，以及其他領(lǐng)域。

目前3D 打印成型技術(shù)主要有四種：光固化成型SLA、疊成成型LOM、激光燒結(jié)成型SLS、熔融層積成型FDM

。其中FDM 是一種高性能的快速成型工藝，特別適合內(nèi)腔、外部形狀復(fù)雜的零件制造，以及有特殊要求的模具制造等。因此，F(xiàn)DM 熔融層積成型技術(shù)受到了國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域越來越多的關(guān)注，在市場(chǎng)上也獲得了一致好評(píng)，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)、制造業(yè)、教育科研、醫(yī)療、藝術(shù)與文物等行業(yè)，發(fā)展前景廣闊。

FDM 熔融層積成型技術(shù)的工作原理是將絲狀的熱熔性材料經(jīng)過傳輸機(jī)構(gòu)送進(jìn)熱熔噴嘴，熱熔性材料會(huì)在熔噴嘴被高溫熔化后擠出絲來，同時(shí)熱熔噴嘴在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)計(jì)算機(jī)上圖形的截面輪廓信息，將擠出的材料涂敷在工作臺(tái)板上并迅速冷卻凝固成型，一層打印成型完成后，打印機(jī)工作臺(tái)下降一個(gè)高度，然后又繼續(xù)重復(fù)上面的操作，此時(shí)會(huì)與前面打印的一層截面粘結(jié)在一起，直至形成實(shí)體模型

。FDM 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：(1)材料無氣味、無毒，操作簡(jiǎn)單、安全，適用于辦公室和家庭；(2)無激光器等貴重器件，機(jī)器價(jià)格便宜；(3)耗材為卷軸絲狀，易于保存、搬運(yùn)和更換；(4)耗材壽命長(zhǎng)、利用率高、價(jià)格也比較便宜。FDM 成型流程圖，如圖1 所示。

《美國(guó)翻譯標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量指南》明確規(guī)定,翻譯項(xiàng)目的各個(gè)階段應(yīng)由客戶與翻譯服務(wù)提供方共同實(shí)施,以得到符合商定規(guī)范的成品[5]。不論規(guī)模大小,所有的翻譯項(xiàng)目都要求客戶和項(xiàng)目經(jīng)理互動(dòng)。有效的互動(dòng)對(duì)項(xiàng)目成功十分必要。項(xiàng)目越復(fù)雜,涉及的人越多,溝通就變得更為重要。項(xiàng)目經(jīng)理,某些情況下與譯員是同一人,除與涉及的內(nèi)部或外部各方溝通進(jìn)展之外,還主導(dǎo)整個(gè)項(xiàng)目,項(xiàng)目經(jīng)理的職責(zé)是保證規(guī)范得到實(shí)施。因此,在必要時(shí)分,客戶反過來也應(yīng)向項(xiàng)目經(jīng)理提供及時(shí)可靠的幫助。

2 一體式換熱器概述

根據(jù)3D 打印機(jī)的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用了MakerBot Replicator FDM 3D 打印機(jī)（第五代機(jī)型）儀器，材料選用了1.75mm 直徑的ABS 材料。

一體式換熱器具有如下特點(diǎn)：一是，結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、重量輕，可省去壓緊板、固定螺絲和軸等結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)化了換熱器的組成；二是，一體式的結(jié)構(gòu)還可以有效解決換熱器的松動(dòng)、損壞和密封墊老化等影響換熱器安全和使用壽命的問題；三是，具有高效、高可靠性、耐高溫高壓及安全性的特征，能達(dá)到機(jī)器的工作要求；四是，可減少現(xiàn)有多零件組裝、多接口引起的尺寸偏差，以及使用過程中振動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱器之間的零部件松動(dòng)和損壞等問題。

3 基于3D 打印技術(shù)的一體式換熱器模型設(shè)計(jì)的意義

管式換熱器管子的排列方式主要有正方形排列、等邊三角形排列和同心圓排列三種，其特點(diǎn)為：(1)正方形的清洗方式適合機(jī)械清洗管束，排列方式是直列排列，因此正方形管子排列方式較好，但流通截面積較小；(2)等邊三角形排列方式是最普遍的，其管間距都相等，排列管數(shù)最多，但管間不容易清洗，流通截面積大，流速快；(3)同心圓式排列的管數(shù)最緊湊，布管且均勻，流通截面積大，流速快。根據(jù)上述特點(diǎn)，同心圓管子排列較好，非常適合一體式換熱器，所以選用同心圓排列方式。

能用于制作一體式換熱器的材料有金屬、塑料等，以往研究人員曾嘗試使用合金、陶瓷等材料研制耐腐蝕換熱器，但發(fā)現(xiàn)性價(jià)比不高

。高分子材料、塑料材料都有著良好的耐腐蝕性能，它們質(zhì)輕、表面光滑、抗污染性能好，這些優(yōu)點(diǎn)可有效解決換熱器的結(jié)垢和腐蝕等問題，但塑料的導(dǎo)熱性能較差。楊杰輝等對(duì)聚丙烯進(jìn)行了改性，并應(yīng)用于空壓機(jī)的翅片管換熱器上

。王偉等對(duì)金屬材料換熱器和塑料材料換熱器的性能進(jìn)行了對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是塑料材質(zhì)的換熱器比金屬材質(zhì)的換熱器在海水中的耐腐蝕性能更好，其成本也更低

。胡亞才等對(duì)塑料換熱技術(shù)在耐腐蝕性能等方面進(jìn)行了研究，研究的成果已在溴化鋰吸收式制冷機(jī)上應(yīng)用

。陳志峰等將金屬換熱器和塑料換熱器在耐腐蝕性能、成本等方面進(jìn)行了研究和比較，發(fā)現(xiàn)用于污水源熱泵、塑料換熱器的優(yōu)勢(shì)更為明顯

。

4 基于3D 打印技術(shù)的一體式換熱器模型設(shè)計(jì)的思路

管式換熱器是當(dāng)前在換熱器行業(yè)應(yīng)用最多的一種，它通常是用普通碳鋼、不銹鋼或紫銅材料生產(chǎn)的。管式換熱器工作原理：一種流體介質(zhì)從管子的封頭連接管處進(jìn)入，隨后流體在管內(nèi)流動(dòng)，然后又從另一端封頭出口管流出；同樣，另一種流體介質(zhì)由殼體的接管進(jìn)入，在管內(nèi)流動(dòng)，然后從殼體上的另一接管處流出。

提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全預(yù)警有利于農(nóng)業(yè)健康發(fā)展，提高國(guó)民生活水平，是當(dāng)前相關(guān)部門需高度重視的一項(xiàng)工作。只有充分意識(shí)到提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全預(yù)警的意義，才能使其含有的實(shí)效性在農(nóng)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮出最大化，才會(huì)為社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)做鋪墊。

為了提高換熱器模型管內(nèi)流體的流速，要對(duì)換熱器的管束進(jìn)行分程，但不是分程越多越好，因?yàn)槌虜?shù)多了，容易造成管程內(nèi)的動(dòng)力能耗增大，管殼式換熱器管殼程分程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定管程數(shù)分1、2、4、6 四種類型。根據(jù)換熱器管殼程分程的特點(diǎn)，在進(jìn)行一體式換熱器模型設(shè)計(jì)時(shí)，從換熱效率和流速方面選擇了2 和4 兩種形式的分程設(shè)計(jì)。

4.1 一體式換熱器模型管徑設(shè)計(jì)

換熱管一般采用的管徑是Φ19mm 和Φ25mm 二種尺寸，Φ19mm 管徑的換熱器結(jié)構(gòu)緊湊、換熱管傳熱系數(shù)高、單位體積傳熱面積大，所以一體式換熱器模型管徑設(shè)計(jì)選用Φ19mm 的管徑。

4.2 一體式換熱器模型管子排列方式設(shè)計(jì)

3D 打印機(jī)可以快速制作內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱器，一體式成型可以有效解決以往由于焊接技術(shù)等原因造成的換熱器可靠性等方面的問題。一體式換熱器具有輕質(zhì)、高效、高可靠性、耐高溫高壓的設(shè)計(jì)技術(shù)。3D 打印技術(shù)能夠完成薄壁、輕質(zhì)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的高精度制造，為換熱器在工業(yè)方面的應(yīng)用提供了技術(shù)保障，給換熱器制造帶來新的技術(shù)革命，加快推進(jìn)了3D 打印技術(shù)在換熱器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1.1 制定健康宣教內(nèi)容 充分發(fā)揮高年資護(hù)士的積極性，總結(jié)臨床護(hù)理經(jīng)驗(yàn)，查找相關(guān)資料，將病房常見的顱腦損傷的一般病程、癥狀處理、手術(shù)方式、麻醉種類、各種手術(shù)前的準(zhǔn)備方法及意義、術(shù)后康復(fù)鍛煉的步驟和方法、出院后的注意事項(xiàng)等進(jìn)行整理歸納，寫成既符合醫(yī)學(xué)科學(xué)又通俗易懂的教育材料，并制成宣傳冊(cè)，供患者隨時(shí)翻閱。

4.3 一體式換熱器模型管殼程分程設(shè)計(jì)

一般換熱器的設(shè)計(jì)主要考慮設(shè)備結(jié)構(gòu)、材料、尺寸、重量、流量大小、流體的性質(zhì)、溫度、壓力等方面的問題。

兩種形式的一體式換熱器設(shè)計(jì)如下：一種是2 個(gè)S 型管道的一體式換熱器，如圖2 所示，換熱效率一般；另一個(gè)是4 個(gè)S 型管道的一體式換熱器，如圖3 所示，換熱效率較高。換熱器剖視圖，如圖4 所示，換熱器立體圖，如圖5 所示。一體式換熱器的三維設(shè)計(jì)選用了工程軟件SolidWorks 進(jìn)行建模。

4.4 一體式換熱器模型的材料選擇

基于3D 打印技術(shù)的一體式換熱器模型設(shè)計(jì)，可直接進(jìn)行數(shù)字化、一體化制造，這樣可減少現(xiàn)有多零件的組裝、多接口引起的尺寸偏差，以及使用過程中振動(dòng)導(dǎo)致?lián)Q熱器之間的零部件松動(dòng)和損壞等問題。3D 打印技術(shù)可直接制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱器，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)加工方式不能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工工藝。

以往學(xué)術(shù)界對(duì)塑料換熱器及其應(yīng)用進(jìn)行了一些探究，對(duì)進(jìn)一步開展換熱器的研究與實(shí)踐提供了一定的指導(dǎo)。鑒于3D 打印機(jī)材料的限制，填充改性的塑料暫時(shí)不適合當(dāng)前已開發(fā)的3D 打印機(jī)，適合3D 打印機(jī)的材料有：ABS、PLA、PC、PPSF 等，但研究選擇的是ABS 工程材料：(1) ABS 具有材質(zhì)輕、流體阻力小、抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)。(2) ABS 耐化學(xué)腐蝕強(qiáng)，表面強(qiáng)度高。ABS 快速成型的強(qiáng)度幾乎可達(dá)到ABS 注塑件的強(qiáng)度，耐熱溫度為93.3°C。由此可見，ABS 具有良好的機(jī)械性能和物理性能，所以采用ABS 材料制作3D 打印的一體式換熱器模型。隨著今后3D 打印技術(shù)的發(fā)展，可選擇具有更好換熱效率的材料制作換熱器。

在以上的研究中發(fā)現(xiàn)：(1)塑料或高分子材料自身都具有良好的防腐蝕和抗結(jié)垢性能，換熱器采用塑料材料制作，可有效解決換熱器的壽命的問題。盡管塑料的熱導(dǎo)率較低，但可通過填充改性提高塑料的熱導(dǎo)率。(2)塑料加工成型方便，加工工藝比金屬簡(jiǎn)單，只要提高塑料的導(dǎo)熱性能，塑料換熱器在各行業(yè)中的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

前文所引彭紹升《儒行述》中的徐枋小傳，在其篇末是這樣表明史源的：“《居易堂集》《蘇州府志》。”是則，傳主的自我人生選擇，特別是詩文集中的自我抒懷和陳情，對(duì)身后為其寫作傳記、行狀者，還是起著至關(guān)重要的作用的。對(duì)此，徐枋本人是深信不疑的，這在其自編《居易堂集》的時(shí)候，就表現(xiàn)得尤為突出，在《自序》中，他這樣說道：

5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

換熱器是化工、石油、機(jī)械、電力、動(dòng)力、食品、輕工、船舶、冶金等多個(gè)領(lǐng)域廣泛使用的重要設(shè)備，是整個(gè)工程應(yīng)用系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，通過換熱器可將不同溫差的流體進(jìn)行熱量交換。因此，換熱器在國(guó)民生產(chǎn)中占有非常重要的地位。換熱器大多是金屬材料制造的，換熱器結(jié)構(gòu)主要有管殼式結(jié)構(gòu)和板式結(jié)構(gòu)兩大類，它主要由殼體、換熱管、管板、折流擋板、封頭等多種零部件組成?，F(xiàn)有換熱器使用中易出現(xiàn)的問題有：一是，金屬換熱器存在腐蝕和結(jié)垢的問題；二是，換熱器在使用過程中容易發(fā)生振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器之間的零部件松動(dòng)和損壞；三是，換熱器的密封墊容易老化，會(huì)造成換熱器的泄漏

；四是，換熱器本身的材質(zhì)影響，一般換熱器采用的是碳鋼，但碳鋼易生銹、耐腐蝕性差，長(zhǎng)期使用容易造成換熱器的腐蝕，腐蝕后會(huì)導(dǎo)致設(shè)備性能失效；五是，換熱器本身的質(zhì)量問題等，在換熱器制造過程中，如果隔板存在未焊透或焊后變形等質(zhì)量問題，工作過程中又受到水和不穩(wěn)定氣流的不斷沖擊后，就會(huì)導(dǎo)致隔板的變形、斷裂。這些故障均會(huì)影響換熱器的使用壽命。

“我說，你記不記得跟我一起上過課?”她說，“不好意思，我無意冒犯，但即使我們一起上過課，我可能也不記得了。對(duì)我來說，所有無私者看起來都一樣。我是說，到現(xiàn)在他們還那樣，但你選擇加入無畏派，你已經(jīng)不是其中一員了?！?/p>

5.1 裝載或拔出ABS 材料

將ABS 材料盤裝載到打印機(jī)背面的耗材盒子后，將料盤上ABS 材料的一端裝載到打印機(jī)的噴嘴中。需要先預(yù)熱噴嘴，設(shè)定溫度為210℃，待噴嘴完全預(yù)熱，即溫度達(dá)到后，機(jī)器就會(huì)發(fā)出裝材料指令，此時(shí)就將 ABS 材料送入到噴頭的裝料管中，然后不斷地將ABS 材料往下推送，ABS 材料在裝料管中受熱熔化，直到ABS 材料從噴頭的噴嘴中涌出，這時(shí)就在控制面板上按轉(zhuǎn)盤讓ABS 材料停止擠出。拔出材料需注意要等ABS 材料完全冷卻下來，再將其從噴嘴中拉出。

5.2 打印基準(zhǔn)的選擇

在makebot 軟件中，先是要通過旋轉(zhuǎn)縮放等命令，調(diào)整好模型位置大小，將已建好的換熱器三維模型打開，并調(diào)整好成型的位置，注意要考慮打印機(jī)的工作范圍來決定模型尺寸。一體式換熱器模型打印的基準(zhǔn)面選擇至關(guān)重要。若是以箱體的一個(gè)基面為標(biāo)準(zhǔn)，則兩側(cè)的外螺紋在打印時(shí)由于沒有打印支撐，會(huì)造成打印失敗，所以此次制作選擇了以管道外側(cè)的一個(gè)面作為打印基面，打印物體剖面圖，如圖6 所示。

5.3 打印換熱器模型

打印機(jī)溫度預(yù)熱達(dá)到后，軟件提示后便開始打印了，此時(shí)選擇 Print（打?。蛴C(jī)便開始逐層打印，直至打印完成。注意不要在打印完成后立刻就關(guān)閉打印機(jī)，因?yàn)橐寚婎^冷卻后再斷電，不然噴頭容易堵。打印好的一體式換熱器模型，如圖7 所示。

6 結(jié)語

根據(jù)當(dāng)前換熱器存在的問題及3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)，從材料的選擇、結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、3D 打印實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方面進(jìn)行了研究。采用ABS 工程塑料制作一體式換熱器，可有效解決金屬換熱器的腐蝕和結(jié)垢問題。選擇3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一體式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的換熱器制作，可見3D 打印技術(shù)應(yīng)用于換熱器等工業(yè)領(lǐng)域的前景非常廣闊。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用到換熱器領(lǐng)域，開闊了工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生的視野，也為換熱器行業(yè)設(shè)計(jì)師提供了思路。

環(huán)境約束下長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶投入效率的時(shí)空差異···················王琳玉 于麗英 (3,486)

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