作者:Greg Ducharme, LCS, Laird Thermal Systems产品总监
增材制造，也被称为3D打印，正在制造过程中发挥越来越大的作用。有许多不同类型的3D打印方法用于物理创建所需的对象。在这篇应用笔记中，我们将专注于粉末床3D打印，它使用激光束、电子束或热打印头的热量来熔化材料，并创建一个固体物体。
为了优化3D打印性能，激光和电子束光学必须有效冷却。精确的冷却也需要帮助控制液体粉末的粘度，因为它被分配到热打印头的表面。电源通常也需要冷却。冷冻机系统是热敏性添加剂制造系统的常用冷却方法，而热电冷却器也可用于现场冷却元件。
应用程序概述
增材制造从在CAD(计算机辅助设计)、3D建模程序或3D扫描仪中创建的数字文件开始。软件将数字文件图像切割成数千个水平层，为3D打印机创建一个模板。粉末床3D打印机使用激光束、电子束或热加热的打印头熔化塑料树脂或金属材料，并立即逐层放置在打印床上，直到3D物体完成。
通过增材制造技术，复杂产品现在可以很容易地概念化，并以极高的精度制造出来。因此，一系列行业正在实施增材制造技术。例如，医疗行业正在使用3D打印来制作石膏、假肢、髋关节置换等等。航空航天和汽车工业正在制造新的和改造轻量化的部件。
根据research Cosmos的一份研究报告，到2025年，全球增材制造市场预计将从84亿美元增至366.1亿美元。这包括2019 - 2025年预测期间17.7%的复合年增长率。此外，随着3D打印机的成本持续下降，许多预测者预测，增材制造将普遍用于家庭。
3D打印机器需要冷却解决方案，以确保长运行寿命和最大性能。
应用程序的挑战
由于各种原因，温度控制在增材制造应用中是必不可少的。激光和电子束光学必须热保护，以确保更长的工作寿命和优越的性能，以适当熔化印刷材料。根据打印所用材料的不同，激光或电子束产生的热量可以有许多千瓦。为了获得最佳性能，激光光学通常需要稳定的工作温度为20°C±0.1°C，而在室温环境下，环境温度可能在23°C至35°C之间波动。激光束和电子束电源通常也需要冷却，因为过热会降低可靠性和使用寿命。
热打印头喷嘴还必须适当冷却，以适当地熔化塑料树脂或金属，以保持适当的材料粘度。如果喷头运行过热，会导致过多的材料熔化打印，影响3D物体的质量和精度。当它冷却时，多余的物质也会堵塞或堵塞喷嘴。如果喷嘴不够热，会导致材料粘度过大，无法正确打印。这也会在打印过程中堵塞喷嘴。
当印刷更小和更复杂的零件时，温度控制很重要。精心制作的3D打印物品必须快速冷却，以确保设计的完整性。
无论粉末床3D打印机使用激光束、电子束还是热打印头喷嘴，都必须对余热进行有效管理和散热，以保证3D打印质量。将热量从敏感电子设备中移走，必须用一个热效率高的解决方案来完成。耗电系统的制造商，如增材制造设备，需要使用能够提高性能，同时降低能耗的组件。
许多国家的政府，尤其是北美和欧盟，都要求原始设备制造商逐步淘汰使用传统的高全球变暖潜势(GWP)制冷剂。传统的压缩机系统使用对环境有害的HFC制冷剂，如R134a和R404A。现代压缩机系统现在使用多种天然制冷剂，包括R744(二氧化碳)，R717(氨)，R290(丙烷)，R600a(异丁烷)和R1270(丙烯)。天然制冷剂并非没有一些并发症。他们很难和危险的工作，因为许多是易燃的。然而，天然制冷剂对环境更有利，所有政府机构都批准使用。
比较冷却技术
两种通常用于冷却3D打印激光系统的方法是基于压缩机的制冷系统，如冷却器和使用热电冷却器的环境液体循环系统。与液体到空气的热交换器不同，这两种系统都有低于环境温度的冷却能力。
与使用热电冷却器的环境液体循环相比，基于压缩机的制冷系统提供更高的性能系数(COP)。例如，如果应用程序需要冷却3kW的热负荷，一个标准的基于压缩机的制冷系统通常需要大约1kW的能量来适当地冷却它。冷却器通过一个基于压缩机的制冷单元来冷却流出的流体(冷却剂)，然后将其输送到敏感的激光电子设备来提供冷却。
另一种热解决方案是使用热电装置进行精确的局部冷却的环境液体回路。通过使用佩尔蒂尔效应，热电冷却器可以将敏感电子器件的稳定温度维持在其最高工作温度以下。用于这种应用的热电冷却器有高达296W的抽热能力，最大温差(ΔT)为72°C。在这种应用中，大量的热通过一个非常小的空间传播。通常使用的热电冷却器是25×25、30×30或52×52毫米。
与其他技术相比，热电冷却器通常是一种更经济的解决方案，提供高可靠性和长寿命运行，几乎无需维护。
再循环冷却器的解决方案
来自莱尔德热系统公司的Nextreme再循环冷水机平台为增材制造应用(包括粉末床3D打印)提供可靠和精确的温度控制。它能够有效地控制3D打印系统中所有敏感电子器件的温度，包括电源、激光或电子束光学以及热打印头。此外，冷水机可以用来快速冷却较小和/或高度详细的3D打印对象，以保持设计完整性。
与传统压缩机系统相比，Nextreme循环冷水机平台采用高性能变速电机，运行噪音低，能耗低50%。通过使用环保的R513A制冷剂，与传统的氢氟碳化合物(HFC)制冷剂相比，它将全球变暖潜势(GWP)降低了一半。
冷水机平台保持温度稳定在设定值的±0.1°C范围内。该装置可以对流体进行加热和冷却，以保持热设定点，提供了更大的灵活性，减少了实现单独加热元件的需要。精确的温度控制使3D打印机受益匪浅，确保了电源、光学和热打印头的最佳性能。
该Nextreme冷水机有一个LCD触摸屏显示，允许用户控制温度设定值，流量和报警设置，冷却剂类型，而冷却剂水平很容易通过前面板上的指示窗口监控。
为了最大限度的正常运行时间，Nextreme冷水机配备了一个可选的“热插拔”5微米水过滤器，用于过滤来自冷却液回路的微粒。设备的维护可以随时进行，无需停机。与使用机械浮子开关的冷水机相比，光学液位传感器没有移动部件，可靠性和正常运行时间都有所提高。当液位低于可接受的操作条件时，可编程警报向用户发出警报。为了防止在高压操作条件下对设备造成损坏，冷水机感知供应流体压力，当超过低或高压限制时，会提醒用户。
如果3D打印机使用的激光或电子束需要在再循环流体回路中使用去离子水，则Nextreme再循环冷水机可以配备高纯度管道、不锈钢和塑料润湿材料，适合在1至3 MOhm*cm的流体电阻率水平下操作。
Nextreme冷水机系列有三种标准型号，1800 W, 2800 W和5000 W。所有这些模型都可以配置以满足特定的应用程序需求。
Nextreme循环制冷机提供精确的温度控制
加法制造的应用程序。
热电冷却器的解决方案
对于占地面积小于100 x 100毫米的激光器，热电冷却器通常直接安装在激光器的外部以实现温度稳定。用于激光和电子束冷却的热电冷却器通常每平方面积有很高的抽热以匹配产生的热量。对于这些类型的应用，通常使用热流密度高达13 W/cm2的热电冷却器。在这些高热泵水平下运行的热电冷却器常常超过散热器和风扇向周围环境散热的能力。因此，环境液冷系统和冷板是一个更好的选择，因为它可以最大限度地减少源的空间限制，同时将热量传递到有更多空间的区域，将热量排到环境环境中。对于较大的热负荷，可能需要一组多个热电冷却器。当使用多阵列时，重要的是要搭接热电冷却器的表面，以便在安装到热交换器时厚度在严格的公差范围内。这对于减小热电冷却器和热交换器之间的气隙是很重要的。
Laird Thermal Systems UltraTEC UTX系列为3D打印提供精确的温度控制。
Laird Thermal Systems公司的UltraTEC UTX系列可以处理增材制造应用的现场冷却。该系列采用先进的热电材料，与标准半导体材料相比，具有更高的抽热能力，并提供了10%的热抽热能力比标准热电冷却器。热电冷却器具有更高的隔热屏障，提供更大的温差ΔTmax = 72K
UltraTEC UTX系列可以在低于环境温度的情况下散热，并散热出3D打印机的敏感部件。热电冷却器家族中最大的型号达到了296 W的抽热能力。该系列的形状因子范围从25 × 25毫米到52 × 52毫米。由于其固体结构，热电冷却器提供可靠的运行，几乎不需要维护，降低了总拥有成本。
Laird热系统
www.lairdthermal.com
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