3D принтиране в ОВК индустрията

3D принтирането или адитивното производство се налага като съществена промяна в хода на развитие на промишлеността, особено през последното десетилетие. Освен че често се използва като инструмент за производство на естетически, нефункционални части в даден проект, технологията често намира приложение и за изработването на функционални на етап прототипиране, при това в много широк спектър от индустриални области.

Все по-ускореното развитие на адитивното производство позволява използването му за прототипиране на части във въздухоплавателната промишленост например, а отскоро и в ОВК индустрията.

Съществуват много организации и асоциации, които проучват технологията и въздействието върху околната среда на адитивното производство, а на базата на тези проучвания се изготвят индустриални стандарти. Очаква се в близкото бъдеще адитивното производство да замести изцяло днешните индустриални производствени методи. В следващите десетилетия то значително ще повлияе на веригите на стойността паралелно с разработването на съответните теория и инструменти за проектиране. 

Особено тенденциите за развитие на т. нар. “облачно” производство и “масова персонализация” разчитат в основата си главно на 3D производството. Според актуални проучвания на някои от водещите изследователски компании в света на тема нововъзникващите технологии, 3D печатът ще бъде широко разпространена и приложима технология в масовата индустрия през следващите 2 до 5 години.

Приложимост на технологията в ОВК индустрията
3D принтирането в ОВК индустрията още не е напълно приета технология – единици я използват за прототипиране и разработване на нови компоненти и оборудване. Тези компании са основно производители на вентилатори и вентилационни системи. Други представители на индустрията обаче са насочили вниманието си към усъвършенстването на технологията на топлообменниците. 

В тази сфера вече е използвано директно метално принтиране (DMP) за производство на миниатюрен топлообменник като единична, цялостна част от титан. След успешно проектиране, производство и тестване, т. нар. мембранен тръбен топлообменник (Webbed Tube Heat Exchanger, WTHX) се счита за първия пластинчат топлообменник, успешно направен чрез 3D принтиране. Този топлообменник е 20% по-лек, 20% по-ефективен и може да се произвежда много по-бързо. Той е от изключително значение за сектора, тъй като честите течове са добре познат проблем при топлообменниците, а подобен 3D принтиран цял топлообменник не позволява изтичане.

WTHX може да подпомогне разширяването на потенциалните приложения на полимерните топлообменници и към малки производствени обеми и системи с по-ограничени разходи. Той демонстрира, че е възможно да се прототипира топлообменник с нетрадиционни, променливи форми, които са невъзможни за производство чрез стандартните техники за формоване като екструдиране или щанцоване. 

WTHX е първият пластинчат топлообменник, произведен чрез FDM (fused deposition modeling) технология и успешно използван за пренос на топлина през полимерна структура от горещ газ към студена течност. При тестване въздух в помещение е загрят до 120°C и след това охладен от вода при 27°C, така пренасяйки близо 65 W топлинна енергия през 500 cm3 топлообменник.

Друга нова разработка с потенциално приложение в ОВК системи е 3D принтиран порест блок, който попива вода като гъба, но същевременно позволява свободното преминаване на въздух през него. Така водата се изпарява от порите на блока и след това охлажда околния въздух. Този материал може потенциално да замени електрическите климатични системи и да контролира по-ефективно температурата в съответните помещения.

Съществува и още едно сериозно потенциално приложение на 3D принтирането в ОВК индустрията и то е за персонализиране на климатични системи, което не е рентабилно чрез традиционните производствени методи. Адитивното производство може да позволи изработването на климатик, който е изцяло съобразен с функционалните нужди на клиента. Контролните панели могат да са напълно конфигурирани за потребителя, а функционалността на системата да е изцяло персонализирана с различни варианти за пространствена ориентация на климатика, ефективност и въздушен поток.

3D принтирането може да позволи на потребителите да се сдобият с климатична система, която работи точно според изискванията им. В устройството могат да се интегрират специфични функции, а тези, които са ненужни, да не се включват в крайния дизайн. Това е значително подобрение, тъй като повечето стандартни модели са ограничени от гледна точка на набора от функционалности, които предлага системата, независимо дали те изобщо са необходими за конкретното приложение на клиента.

Предварителни проучвания
С цел проучване на възможностите за внедряване на 3D принтиране в производството на вентилация с рекуперация на топлина (HRV системи) наскоро е създадена работна група, която да разгледа особеностите при 3D производство на ОВК компоненти и оборудване. На първи етап с производството на компоненти са разгледани топлообменниците. 
При вентилационните системи с рекуперация на топлина най-често са използвани топлообменници, изработени от полиетилен терефталат (ПЕТ) или алуминий. За целите на адитивното производство се предлага широк диапазон от материали, но за производството на топлообменник въздух-въздух с кръстосан поток е използван акрилонитрил-бутадиен-стирен (ABS), т. е. термопластмаса.

Освен използваният материал е важен и геометричният дизайн, с който 3D принтерите ще работят за нуждите на ОВК индустрията. В момента на пазара са налични редица 3D принтери за различни геометрични параметри като дебелина на слоя, дебелина на единичната стена и диаметър на дюзата при адитивно производство.
В дизайна на топлообменниците са заложени решетки, които трябва специално да бъдат предвидени при адитивно производство. 

По принцип, при наличие на определени ъгли или разстояние в произвежданото изделие се използват носещи елементи, които след това се премахват механично или химично. Но малките пропуски на решетките в топлообменниците са изключително трудни за почистване и изискват допълнително време, материали и разходи. Затова бъдещите тенденции в 3D печата са за самоподдържаща се геометрия, която може да бъде произведена и без употреба на опори. Тази оптимизация е ключова от гледна точка определянето на най-ефективен производствен процес, какъвто може да бъде адитивното производство. Ще се подобри и ефективността на топлопредаване, както и ще се понижи налягането.

Вторият основен етап е производството на оборудване. За тази цел се предлагат два основни начина за изработката на стандартна система за вентилация с рекуперация на топлина, което обикновено съчетава много на брой процеси. Първият вариант е хибриден – изграждане на външната обвивка чрез адитивно производство като цялостна единична част, а след това добавяне на отделни компоненти (топлообменник, вентилатори, филтри и електронно оборудване). 

Другият вариант е изцяло адитивно производство на външното тяло заедно с топлообменника като единична част, а след това сглобяване на останалите компоненти. Установено е, че това позволява обемът на топлообменника да е почти двойно по-голям, отколкото при хибридния производствен подход.

Последният етап от бъдещата перспектива за 3D печат в ОВК индустрията включва интеграцията на ОВК системи директно в сградата. Мащабното адитивно производство може да позволи вграждане на въздуховоди в стените или фасадата на сградата още при нейното строителство.

Заключенията на експерти са, че адитивното производство ще се наложи като алтернативен инструмент за производство на първо място на ОВК компоненти, а след това и на цели климатични и вентилационни системи. Прогнозира се, че 3D принтирането напълно ще промени процеса на проектиране към по-свободни и нелинейни дизайни. Вследствие на това ОВК системите ще станат по-компактни и ефективни, като в същото време капацитетът им ще се запази.