下篇-3D打印铜电感器线圈仿真分析与用户实测

铜电感器线圈是许多行业的关键组件,合格的铜电感器线圈需满足电导率、可焊性、能耗等严格性能要求。

传统方式制造的电感应器仍存在制造痛点。一般来说电感应器中的电感线圈需要经历若干机械制造工序,线圈通过手动弯曲和焊接达到想要的形状,其中小块铜(管)被放在一起并焊接。焊接是一个耗时的过程并且导致大量的生产成本产生。并且焊接点都会破坏电流并导致性能下降。电感器的效率不仅受焊接接头的影响,而且还受到电感器几何形状的限制。

在此背景下,增材制造-3D打印铜电感器线圈成为实现铜电感线圈设计与制造优化升级的新方式。但作为一种在工业领域进行应用的复杂组件,3D打印铜电感器线圈的质量与性能是否能够满足工业要求是应用领域最为关注的话题。

GKN 增材制造部门与3D打印铜电感线圈用户开展的仿真分析与测试实验结果,对于3D打印铜电感器线圈在工业中的应用具有参考意义。3D科学谷在《上篇-3D打印铜电感器线圈仿真分析与用户实测》分享了仿真分析部分,本期将分享下篇-GKN 工业用户开展的3D打印铜电感线圈测试实验结果。

block 尺寸精度与水流量得到改进

GKN 工业领域的客户对3D打印铜电感线圈进行了实验测试。在测试中,一家主要的汽车供应商比较3D打印和传统方法生产的两种感应线圈。在第一个实验中,测试对象包括一个3D打印标准环形感应线圈,用于对比传统研磨和焊接方法制成的环形线圈。在第二个测试中,测试对象是小尺寸的3D打印发夹式线圈与传统工艺制造的发夹式线圈。

分析感应线圈的几何质量
通过简单查看传统线圈与3D打印线圈已可以看出明显差异。根据GKN,与传统线圈相比,3D打印环形感应线圈和发夹线圈均显示出卓越的尺寸保真度和公差,同时还消除了任何焊接需求。

Copper_GKN_1线圈侧视图:左图为传统工艺制造的线圈(与直线形状的偏差较大),右图为3D打印的线圈。
来源:GKN

Copper_GKN_2线圈前视图:左图为传统工艺制造的线圈,右图为3D打印的线圈。
来源:GKN

block 高效的水流性能

在性能方面,3D打印铜线圈的更高尺寸精度可改善水流。

在第一个实验中的两种环形线圈中,3D打印线圈的盘管比传统工艺制造的环形盘管水流性能略有提高。

Copper_GKN_3直径为8毫米的发夹线圈:左图为传统工艺制造的线圈,最大水流量为2升 / 分;右图为3D打印线圈,水流量为7升 / 分。
来源:GKN

在第二个实验中的两种发夹式线圈中,3D打印线圈的水流量为 6-7升 / 分,而传统线圈的水流量为2升 / 分。发夹式线圈具有难以使用传统制造制造的复杂结构,通过增材制造可以精确实现设计的几何形状,并且盘管的总体水流性能显著提高。

GKN 制造的3D打印铜电感器线圈公差符合ISO 2768 mK级标准。3D打印铜电感器线圈的固定板等功能区域需要机加工。

block 线圈在硬化过程中的行为

在进行尺寸精度和公差比较之后,GKN 的工业用户对四个铜线圈进行了硬化处理,并评估了它们的行为差异。总体来看,3D打印线圈和常规线圈都表现出相似的硬化行为。例如,两个环形线圈均产生相似宽度的硬化轮廓。但是,3D打印线圈确实具有更均匀的硬化轮廓。

仔细观察两个环形线圈的硬化行为,可以看到常规线圈的硬度在端部略高。但通过调整淬火机的参数,就可以针对3D打印线圈矫正偏差。

Copper_GKN_4_1左侧常规线圈与3D打印线圈硬化轮廓显示出相似的硬化宽度。
来源:GKN

Copper_GKN_4_2在距表面不同距离处测得的硬度值表明,3D打印环形线圈具有与传统线圈非常相似的硬化曲线,硬度仅有微小的偏差。
来源:GKN

在低能耗的应用实验中,测试用户发现了温度之间略有偏差。实验人员通过分析来确定确定这是由功耗、能量值还是感应电压值引起的,但未发现明显差异。但他们在谐振电路的电流消耗和频率中发现了偏差。
Copper_GKN_5图表显示了传统环形感应线和3D打印环形感应线圈在不同频率和能量水平下的硬化行为差异。
来源:GKN

当比较两个发式线圈的硬化行为时,传统线圈表现出更大的硬化深度和更高的对称度。这与常规线圈中集中器材料的数量有关,该数量高于3D打印的发夹线圈。

Copper_GKN_6直径为8mm的发夹线圈,左图为传统发夹式线圈,右图为3D打印发夹式线圈。
来源:GKN

但如上图,对于具有挑战性的直径为8mm的发夹线圈几何形状,左侧传统发夹式线圈无法实现与右侧3D打印线圈相同的尺寸质量和对称性。

硬化过程中线圈形状的不对称还导致高度的不对称轮廓。必须指出的是,这种不对称是由于3D打印线圈的原始设计文件的形状略有不对称而发生的。零件的旋转可使结果均匀化。

由于常规线圈在硬化测试完成之前就被破坏了,所以结果尚无定论,但3D打印铜线圈完成了测试,并最终证明了3D打印铜线圈能够与常规纯铜线圈的硬化结果相匹配,展示了3D打印线圈可以承受很高的温度,并且在高能应用方面优于常规线圈。线圈在一个周期内以不同的功率水平被加热,表明它对较高的能量输入反应良好,可以达到较高的温度。

block 总结

总体而言,感应线圈测试实验证明,在某些参数上通过CuCr1Zr 铜合金制造3D打印线圈显示了在尺寸精度和水流量方面的改进,表明3D打印线圈比常规线圈更可预测和更一致。

测试中确实发生的偏差不是3D打印线圈本身导致的,而是其设计和硬化机参数的结果,这两个因素相对易于通过调整来得到改善。

此外,通过完全重新设计感应线圈,可以进一步利用增材制造的优势。例如,可以将铜线圈定制为独特的应用,从而获得卓越的性能和更低的能耗。

—全篇完—

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