Hinetics联合Protolabs 3D 打印电动航空器散热组件，助力飞机电动发动机腾飞

导读：人类使用动力飞机飞行已有一个多世纪，其中绝大多数飞行都是使用内燃机完成的。航空燃料造成了高空污染，将温室气体排放到平流层并加速了气候变化。

如今，航空旅行正在发展一种新模式，即清洁运行的电动发动机。2017 年，Kiruba Haran 博士从伊利诺伊大学分拆出一家新公司，旨在研究、开发和推进电动发动机为飞机提供动力。他创立了 Hinetics，这是一家由高频和高场电磁 NETICS 组成的混合体。该公司还基于超导技术制造大型发电机，因此 Hinetics 的产品涵盖了消耗和发电。开发能够高效长距离运行的电动发动机的困难绝非小事。研究和开发仍在继续，而 Hinetics 是这一切的核心。

Hinetics 的核心理念是飞机电气化，但他们也为混合动力（电动/内燃）发动机提供动力系统解决方案。作为一家初创公司，他们有机会在飞机以外的领域提供先进技术。最终，他们的目标是制造具有特定高功率和高效率的电动机器，而飞机是他们通过为有远见的公司提供电动解决方案而攻克的第一个行业。

Hinetics 电气工程师Peter Xiao 表示：“如果有人想制造电动飞机并想驾驶它，他们需要了解飞机的空气动力学，也知道如何设计重量分布。但他们不知道如何制造一个足够轻的发动机来安装在飞机上。这就是为什么他们可能会向我们订购。这是一次非常深入的合作。”

△Hinetics采用3D打印技术来制造轻型风冷散热器。

挑战：散热问题

所有发动机都会产生热量，需要散热才能正常运转。内燃机的效率约为 30-40%，而 Hinetics 发动机在实际测试中通常可达到 95% 以上。尽管电动机产生的废热远少于内燃机，但它们面临着更为严格的热管理要求，以保持电气绝缘。

散热的一种方式是通过液体冷却。作为传热介质，液体有助于从活动部件（例如电机）散发热量。问题是液体很重，而电动汽车（无论是汽车、卡车还是飞机）仅电池就已经很重了。Hinetics 的目标是尽可能找到一种减轻部件重量的方法，因为更轻的部件意味着更长的飞行距离。他们的第一个设计使用了水冷。这种散热器虽然非常高效，但可能更适合具有现有液体循环的系统，例如带有内燃机的混合动力汽车。

解决方案：大幅面金属 3D 打印

Hinetics团队面临的挑战的关键是制造高功率密度电机。电机及其整个传动系统必须尽可能轻便高效。这些电机的热管理也很重要。热量可能会导致电机性能下降，缩短其使用寿命，或者比预期更快出现故障。该团队决定使用铝（一种常用于散热器的材料）来为电机创建风冷散热解决方案。更短的交货时间和生成复杂几何图形的能力使他们转向 3D 打印。然后他们求助于 Protolabs来打印零件。

最初的设计是水冷装置，但这不切实际，而且增加了太多重量。半年后，该团队开发了一个风冷装置。在设计中，铝制 3D 打印翅片向外辐射，并由额外的叶轮辅助冷却。该部件是在 GE X Line 2000R 双激光粉末床系统上生产的。该部件重量轻，特别注意在减轻重量的同时最大化表面积。由于该部件对于 Y 轴来说太大，因此还必须重新设计。

△这款GE X Line 打印机可以打印像 Hinetics 散热器这样的大幅面金属部件。

Hinetics 电气工程师PeterXiao表示：“这些部件的制造绝对具有挑战性，即使使用最先进的增材制造机器也存在风险和不确定性，但Protolabs 能够将它们加工到满足我们研究需求的高精度水平。”

Protolabs 3D 打印应用工程经理 Eric Utley 表示：“X Line 的优点在于，它让我们能够制造出一些最复杂、最大型的金属部件。这种复杂性既可以减少材料使用量，又可以增加表面积，这些部件就是如此，它们具有大量内置功能。”

然而，设计上有一个小问题。打印机上其中一个轴的限制是 15.7 英寸（400 毫米）。这仍然很大，但 Hinetics 的部件规格需要 15.91 英寸（404 毫米）。与Protolabs 合作，Hinetics 在两侧略微改变了设计，将圆形各压扁 2 毫米。这个小小的让步使他们能够在我们的 GE X Line 2000R 打印机上进行直接金属激光烧结 (DMLS)，该打印机同时使用两个激光器，大大缩短了周转时间。

Protolabs 的日常业务正在商品化。Xometry、中国企业和激烈的竞争使得“打印 STL”业务很难盈利。但是，这里有一个制造起来非常复杂的关键部件的例子。Protolabs有一个应用工程部门，可以帮助他们处理这种复杂、高价值部件的困难依赖性和挑战。许多其他服务会等着你弄清楚这一切，并希望收到一个完全连贯的 STL 来继续前进。显然，对于 Hinetics 来说，信任他们的供应商是至关重要的。如果他们信任供应商的知识和能力，那么关于设计的建议和如何最好地制造它就会被接受。

应用程序开发非常困难，很少有人能做好。对于 Protolabs 来说，良好的应用工程可以加速其客户进入增材制造领域的步伐。客户可以通过 Protolabs 迈出第一步，制造出硬件部件，并且可能永远不会再选择其他供应商。同时，复杂的散热器可以作为吸引其他业务的光环部件。

热管理是目前 3D 打印的热门话题。对于太空、航空航天、电动汽车、国防和许多其他领域，人们正在转向 3D 打印来制造热管理设备。如今，电子产品、导弹、无人机等的散热器和热交换器的先进设计都在制造中。它们都需要轻便、具有特定的性能要求并按照规格工作。这些要求通常使它们成为 3D 打印的良好商业案例。如果它们需要挤在某个地方、需要保形或需要快速迭代，则尤其如此。

如果 Protolabs 开发出一种专门用于散热器设计和生产的服务，那么他们就能够成为客户更有效的力量倍增器，并赢得更多业务。