Innovative design strategies for PBF-LB/M heat pipes

Bruno Miguel Mira Pinto

Key information

Authors:

Bruno Miguel Mira Pinto (Bruno Miguel Mira Pinto)

Supervisors:

Maria de Fátima Reis Vaz (Maria de Fátima Reis Vaz); Stefan Reich

Published in

November 29, 2023

Abstract

Heat Pipes (HPs) são dispositivos de transferência de calor utilizados em diversas indústrias. Manufatura aditiva (AM) é apresentada como uma melhoria em relação aos processos de fabrico convencionais de HPs, particularmente com uma estrutura porosa fabricada a partir de estruturas treliçadas. Contudo, uma estratégia de design automatizado que possa ser personalizada através de parâmetros pré-definidos, é ainda necessária. Esta dissertação pretende desenvolver um configurador de design (DC) automatizado para uma HP, fabricada através de powder bed fusion-laser beam/metal (PBF-LB/M) utilizando o software Rhinoceros e o respetivo plug-in Grasshopper, no qual, por meio de desenho assistido por algoritmos (AAD), introduz a automatização no processo. A criação do DC foi realizada por meio da aplicação do processo de desenvolvimento de produto (PDP). O DC considerou as restrições de fabrico de HPs e PBF-LB/M. Foi estabelecida uma relação entre a aplicação e as condições de funcionamento com os parâmetros da HP e as restrições do processo PBF-LB/M. Como validação, foram produzidas amostras de HPs. Os parâmetros definidos incluíram a aplicação em equipamentos eletrónicos, o aço inoxidável 316L como material e para a estrutura porosa, uma estrutura treliçada cúbica de corpo centrado (BCC). As medições revelaram desvios residuais em relação à geometria gerada. A estrutura treliçada BCC foi produzida corretamente e complementada pela cobertura exterior da HP. Em conclusão, o DC para HPs produzidas por PBF-LB/M em Grasshopper foi desenvolvido com sucesso, sendo capaz de gerar um ficheiro STL preciso, utilizando uma estrutura treliçada BCC e considerando as limitações do processo de fabrico. Heat pipes (HPs) are versatile devices used in various industries for transferring heat. Additive manufacturing (AM) is reported in the literature as an improved method to produce HPs, particularly those with a wick structure composed of a lattice arrangement, compared to conventional manufacturing processes. However, an automated design strategy that can be customized for a specific application and set of working conditions is still needed. This thesis aims to develop an automated design configurator (DC) for manufacturing HPs using powder bed fusion-laser beam/metal (PBF-LB/M). The software Rhinoceros, along with its plug-in Grasshopper, was utilized to introduce design automation in the process through algorithms-aided design (AAD). The framework for the DC was created using a product development process (PDP) and took into consideration the manufacturing constraints of HPs and PBF-LB/M. A relationship between the application and operating conditions with HP parameters and process-related restrictions was established. The proposed approach was validated by producing PBF-LB/M HP demonstrators. The parameters used were electronic applications, 316L steel as the material, and a wick structure with a lattice arrangement made of body-centered cubic (BCC) unit cells. Residual deviations were observed when comparing the measurements to the generated geometry. Moreover, the structure's integrity was verified, and a wick made of lattice structures and a container was observed. In conclusion, a fully functional automated DC for PBF-LB/M HPs was successfully developed in Grasshopper. It is capable of generating an accurate STL file using a lattice structure made of BCC unit cells while considering manufacturing-related restrictions.