洞察|碳捕捉方案迎来革新:Hybrid DfAM与增材制造


Kirill Volcheck

减少碳排放是当今最紧迫的环境问题。不幸的是,即使总体排放显著减少,我们仍需要从大气中移除更多的碳来实现净负减排。

这就是碳捕捉技术(Carbon Capture)的作用。它涉及将废气排放引导至一个系统中,以去除碳,然后将其储存或用于制造新产品。碳捕捉始于风扇或涡轮将加压空气引入直接空气捕集系统。接下来,过滤器捕获碳并释放出无二氧化碳的空气。当过滤器变满时,通过加热释放捕获的碳进行储存或利用。

这个过程中的每一步都涉及复杂的组件,如涡轮、气体冷凝器、换热器和气体接触器,其制造成本较高。

增材制造(Additive Manufacturing)显著改善了碳捕捉系统的经济性,但需要能够高效制造零部件。Oqton的 工业级增材制造软件3DXpert 被用于设计和打印碳捕捉的几个创新部件,因为它具备简化制造流程所需的功能。

让我们来看看使用增材制造制造碳捕捉部件的优势以及涉及3DXpert的案例。

通过3D打印克服制造挑战

增材制造以三种方式简化了关键碳捕捉部件的设计和制造:

  • 部件整合:可以将复杂的设计转变为单体部件,从而降低成本并简化供应链。
  • 表面积:碳捕捉部件涉及依赖最大化表面积以实现最佳效率的过程。增材制造便于制造提供这种表面积增加的格子结构。
  • 制造因素:为了使碳捕捉变得有利可图,其部件需要使用先进材料以确保最长的使用寿命。增材制造更容易使用这些材料。它还加快了开发过程,实现更快的迭代和可扩展制造。
  • 混合DfAM实现复杂部件的高效设计?

    3D打印碳捕捉所使用的部件通常包含多种几何表达。一个3D模型可能由实体表示进出口,由网格表示有机形状,由参数化梁表示复杂格子结构,由隐式几何表示内部结构,以及由体素表示基于网格的公式。这种几何范围通常是增材制造软件的一个巨大问题。

    在大多数情况下,软件只能处理其中一种几何表达或文件格式。这会导致一些大问题,比如将隐式几何转换为网格并创建一个无法使用的大文件大小,或将实体文件转换为网格并处理数据完整性问题。

    理想情况下,你希望能够在3D打印软件中保留原始几何形状。这就是混合建模,或混合DfAM,所能实现的。它指的是能够将各种几何表达组合在一个设计中,对其进行编辑,然后从其原生格式转换为准确的打印指令。

    例如,在3DXpert中具备混合DfAM功能,设计师可以使用隐式几何表示、实体、网格和体素。

    碳捕捉案例如何通过混合DfAM和3D打印推动碳捕捉

    减少碳排放是我们当前最紧迫的环境问题。即使我们能够显著减少总体排放,为了实现净负排放,我们仍然需要从大气中进一步去除更多的碳。

    这就是碳捕捉技术的作用。它涉及将尾气引导到一个系统中,以去除其中的碳,然后将其储存或用于制造新产品。碳捕捉的过程从风扇或涡轮将加压空气引入直接空气捕集系统开始。接下来,过滤器捕获碳,并释放出无二氧化碳的空气。当过滤器变满时,通过加热释放被捕获的碳,以便进行储存或利用。

    这个过程中涉及复杂的组件,比如涡轮、气体冷凝器、热交换器和气体接触器,它们的制造成本很高。

    增材制造(增材制造)极大地改善了碳捕捉系统的经济性,但需要能够高效制造零部件。Oqton的工业级增材制造软件3DXpert被用于设计和打印碳捕捉的几个创新部件,因为它具备简化制造过程所需的功能。

    让我们来看看使用增材制造制造碳捕捉部件的优势以及涉及3DXpert的案例。

    碳捕捉案例研究

    以下是需要Hybrid DfAM 来创建碳捕捉组件的三个示例。

    1. 热交换器

    Oqton-HEXblue 3D打印热交换器
    该热交换器结合了多种几何表示。您可以看到隐式建模的强化翅片、结合 BRep 和网格特征制成的管道以及实体法兰。

    该部件的设计目的是将支撑的需求减少到最低限度。 3DXpert 中的切片功能使得使用 AL6061 合金进行打印成为可能,但这可能会带来挑战,特别是当它用于制造极薄的翅片(300 微米)时,其冷却效率比传统交换器高得多。

    2. 堆叠式冷水机
    Oqton-3D打印冷水机
    该冷水机专为非常稳定的冷却而设计。它在四秒内实现稳定冷却,并在 XY 平面提供微开尔文级冷却梯度。该设计允许整合并减少 30:1 的零件数量,因此生产成本要低得多。

    该设计采用双冷却回路,一个通过径向翅片阵​​列,另一个在周围的护套中。借助随机(基于 Voronoi 的)晶格,冷却变得高效,该晶格放置在内部空隙中以引发湍流并提供更多表面积以实现更好的热传递。

    冷却器的活性元件是伪随机晶格结构。在均匀的八位桁架单元的基础上,进行轻微的洗牌和随机化,打破直线流路,引入更多的表面积,实现高效沉淀。

    3. 螺旋气体接触器
    Oqton-3D打印螺旋气体接触器
    这种螺旋气体接触器的设计将近 500 个部件合并为一个整体部件。

    接触器具有三个主要子系统:
    • 具有晶格表面的螺旋室以捕获碳
    • 溶剂输送和分配系统,通过喷头冲洗掉捕获的碳
    • 和用于热控制的冷却套。

    外部主体、溶剂分布和冷却套几何形状均采用 BRep 实体建模进行设计。接触晶格表面设计为分布在共形螺旋空间中的零厚度晶格翅片的“X”形单元。为了避免支撑螺旋室的顶面,格子的最上面一排被一排特殊的单元取代,提供额外的翅片作为支撑几何形状。

    初步研究表明,具有“正常”几何厚度的点阵设计打印起来会花费太长时间,因为常规切片和剖面线技术会创建具有许多小矢量的边界轮廓和旋转剖面线。初步估计需要近三周的印刷时间。借助 3DXpert,可以创建优化的孵化策略,将机器时间缩短至一周。

    DfAM的”M”:制造

    增材制造在过去几年中取得了长足的进步。八年前,当我们开始开发 3DXpert 时,打印具有多种几何表示的复杂零件几乎是不可能的。但我们一直在不断改进软件的功能,以帮助创新者将他们的想法变成现实。有了这些碳捕捉部件,我们就看到了这一成果。

    继续阅读

    免费下载52页白皮书:增材制造设计手册点播研讨会:如何高效设计晶格|增材的细节系列混合建模:结合先进技术处理多格式数据,减小格式转换影响用户故事:ADDMAN用3DXpert提升航空航天零件金属打印效率

    返回动态