Na łamach czasopisma naukowego Aerospace, chińscy naukowcy przedstawili wyniki badań nad helikoidalnymi strukturami sieciowanymi typu HSL (hollow spiral lattice), przeznaczonymi do druku 3D metodą LPBF (laser powder bed fusion). Tego rodzaju struktury są coraz powszechniej wykorzystywane w budowie wymienników ciepła, między innymi w branży lotniczej.
W dotychczasowej praktyce inżynierskiej struktury lattice dla wymienników ciepła były projektowane pod kątem wytrzymałości mechanicznej lub pod kątem optymalnej wymiany ciepła. Proponowane podejście analityczne pozwala na pogodzenie obu funkcjonalności w obrębie jednej struktury.
U podstaw rozwiązania konstrukcyjnego leży pojedyncza komórka struktury o geometrii poczwórnej helisy. Poszczególne linie helisy wyprowadzone są z dwóch punktów. Dwie z nich są prawoskrętne a dwie – lewoskrętne. Pary prawo- i lewoskrętnych helis pozostają równoległe na całej długości i okresowo przecinają się z helisami o przeciwnej orientacji.
Jako że parametryczna konstrukcja komórki elementarnej przekłada się na makroskalową morfologię, wytrzymałość i funkcjonalność otrzymywanej struktury, na potrzeby modelu obliczeniowego zidentyfikowano parametry o newralgicznym znaczeniu, takie jak promień helisy i jej kąt, a także wewnętrzna i zewnętrzna średnica kanału. Są one ściśle ze sobą związane, a ich komplementarna optymalizacja jest niezbędna dla otrzymania wydajnych struktur HSL.
Przyjęto stały kąt 45° w celu zapewnienia podtrzymania podczas wydruku niepodpartych odcinków przez proszek. Przeprowadzono wydruk i badania eksperymentalne dla struktur z helisami o średnicy wewnętrznej w zakresie 1÷4 mm i zewnętrznej w przedziale od 2÷4 mm. Próbki wykonano ze stopu tytanu Ti6Al4V.
Badania eksperymentalne porównano z wynikami symulacji MES w odniesieniu do wytrzymałości na ściskanie. Analizy CFD posłużyły zaś do zbadania przepływu medium, zarówno wewnątrz samych spiralnych kanałów, jak i przez całą objętość struktury. Wewnątrz kanałów odnotowano formację wirów Deana, sprzyjających mieszaniu się przepływającego medium dla lepszej wymiany ciepła. Analiza Pareto wskazała wewnętrzną średnicę kanałów rzędu 2 mm jako optymalną pod kątem obu typów przepływu. Wykazano także prawidłowość świadczącą o wzroście wytrzymałości wraz z wzrostem średnicy wewnętrznej kanałów.
Prezentowana metodologia wytycza nowy kierunek rozwoju struktur lattice do budowy wydajnych układów wymiany ciepła do wymagających zastosowań. Możliwość rozgraniczenia wewnętrznego i zewnętrznego przepływu w obrębie struktury umożliwia wykorzystanie tego typu struktur na potrzeby aktywnych systemów chłodzenia, na przykład w układach paliwowych hipersonicznych statków powietrznych. Dalsze prace nad rozwojem struktur będą skupiały się na optymalizacji typu Multiphysics w warunkach sprzężenia termo-mechanicznego.
Li, S. et al.: Design of Hollow Spiral Lattice Architectures for Integrated Thermal and Mechanical Performance in Additive Manufacturing, Aerospace, 13, 368, 2026
