逐步實現碳中和，洞悉3D列印的再生燃燒器iRecu的設計奧秘

根據3D科學谷的市場觀察，依靠天然氣工作的熔爐中，在 1200°C 溫度條件下且過量空氣為 10% 時，如果不使用熱回收裝置，則 63% 的輸入能力將會隨廢氣損失掉，而無法回收到過程當中。

3D列印技術開闢了新的可能性：增材製造的系列部件將為熱加工技術的能源轉型做出重大貢獻。在這方面，藉助 3D 列印，可以生產出表面積更大的複雜結構，從而提高整個系統的效率。全新開發的 IntrinSiC 換熱式燃燒器或 IRecu，用於間接加熱熱處理爐。該產品利用了 3D 列印的所有靈活性。憑藉 3D 列印的陀螺結構，它將能源效率最大化到前所未有的水平。

Kueppers Solutions GmbH

逐步實現碳中和

根據3D科學谷，新設計與3D列印工藝的結合，將誕生全新的市場機遇，創造飛躍的製造附加值，帶來更可持續的人類社會發展前景，3D列印-增材製造正在向多維度的深化層面發展。

新型蓄熱式燃燒器 iRecu

根據3D科學谷的市場瞭解，Kueppers 開發的新型蓄熱式燃燒器 iRecu 使用數學上覆雜的結構作為熱交換器：三重週期最小曲面（簡稱 TPMS），TPMS結構是一種的典型的為增材製造而設計的結構，它們既具有高強度重量比，又具有非常高的表面積質量比，多被整合在需要進行熱交換的3D列印部件中，例如熱交換器、散熱器。

3D科學谷

這種複雜的設計沒有3D列印就無法制造出來，透過這種結構，在當今的標準尺寸中可以實現 90% 的更高效率。自恢復式燃燒器 iRecu 的整個流程鏈——從CAD 模型的建立到成品的製造——是 100% 數字化的，意味著最大的靈活性。

此外，還減少了成本和時間，3D列印帶來的數字流程鏈和製造過程的自由度使得在批次生產中提供為客戶流程單獨設計的“定製產品”成為可能。

根據3D科學谷，三重週期最小曲面 (TPMS) 是平滑的無限曲率曲面，平均曲率為零，將 3D 空間劃分為兩個共連續相。TPMS 結構由於其光滑的表面和均勻的曲率而增強了增材製造能力，可以實現自支撐製造。

根據3D科學谷的瞭解，在這個案例中，熱加工系統實現碳中和的三個步驟：

第 1 步：使用 TPMS 最佳化設計的熱交換器使得化石燃料更有效，減少二氧化碳排放

使用化石燃料時更有效的熱回收減少了所需的能量，因此也減少了二氧化碳排放。可以顯著降低運營成本。在 1,000 °C 的過程中，目前使用天然氣執行，無需預熱空氣，用新型蓄熱式燃燒器 iRecu 的系統替代意味著節能 40%。

陶瓷和金屬換熱器已經被用作熱交換器。然而，到目前為止，這些都是帶有肋條或旋鈕以增加表面積的簡單管子。這些幾何形狀的最佳化潛力非常低，需要創新的解決方案來提高熱回收效率並加速能源轉型。

3D 列印的 TPMS 結構

為了更好地說明，新鮮空氣通路用灰色表示，廢氣通路用紅色表示。

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在換熱式燃燒器領域，除了效率之外，氮氧化物的排放也是一個關鍵因素。由於燃燒空氣的預熱，整個燃燒反應在明顯更高的溫度水平下進行。促進了熱氮氧化物的形成。這就是 Kueppers 採用新開發的增材製造的燃氣-空氣混合裝置的優勢，儘管燃燒空氣溫度很高，但它仍遠低於法律限制。

第 2 步：化石燃料和可再生燃料的混合執行

全世界範圍的國家氫能戰略重點都在關注氫作為可再生燃料氣體，當前的燃燒器系統必須進行調整或更換以允許結合使用兩種燃料氣體。雙燃料混合裝置可以以穩定、安全的方式燃燒天然氣、氫氣或兩種氣體的任何混合物，並符合法定排放限制，即使兩種燃料氣體具有非常不同的燃燒特性。

自恢復式燃燒器 iRecu 這種雙通道混合單元只能在金屬3D 列印中實現，具有相應的製造公差（±0.1 毫米）和自由度。

雙燃料混合單元，兩個獨立的通道系統整合在一個元件中，用於燃料天然氣和氫氣。

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預計2022年將提供首批綠色氫源，然而，在未來幾年內，這一數量將不足以立即轉換為 100% 氫氣。因此，透過混合執行的雙燃料混合裝置，可以交替兩種燃料的使用。

第 3 步：轉換為 100% 可再生燃料

在不久的將來，從 2030 年左右開始，將有足夠的綠色氫氣從混合執行轉向 100% 無二氧化碳生產。然後可以在不修改系統的情況下進行這種轉換。只有天然氣的燃料通道將在工廠停止使用並關閉。

根據3D科學谷的市場瞭解，iRecu 可以節省化石燃料和可再生燃料，並有效地產生過程熱量。儘管再生燃料稀缺，這已經可以向能源轉型邁出重要一步。

僅在德國，熱加工行業的二氧化碳排放量就與汽車行業的排放量相當。幾乎所有需要 600 °C 至 1500 °C 高溫的工藝也會產生相應的高溫廢氣。很大一部分熱能通常在過程中損失，在3D科學谷看來，在所有創造價值的源頭，在所有可能顛覆的源頭，演算法無疑是最重要的部分之一。實現高強度重量比，又具有非常高的表面積質量比的TPMS也是演算法的一種，與增材製造技術結合起來，使得設計師能夠建立兼具高強度和散熱特性的多功能結構。

透過軟體應用TPMS

3D科學谷曾介紹了nTopology 公司的設計師透過nTop Platform設計的散熱器實現表面積最大化，同時實現質量最小化。設計師使用了三重週期性最小表面（TPMS），對於結構應用而言，該設計顯示出高強度重量比。該設計如果與增材製造技術結合使用，將使設計師能夠建立兼具高強度和散熱特性的多功能結構。

具有不同週期性和厚度的三種TPMS結構。

nTopology

nTopology 對Gyroids（螺旋），Schwarz基元和Lidinoids 這三類TPMS結構進行了研究與評估，其中每種型別的結構都是正弦和餘弦的線性組合，而這些組合會在三維空間中形成周期性的波形幾何形狀。根據3D科學谷的瞭解，就像二維波形一樣，設計的可能性可以透過改變這些方程式的幅度和週期來實現，透過將這些設計輸入與實驗設計（DOE）方法結合起來，可以準確地評估這些元件的效能。

隨著熱量的散失，對流自然會導致空氣流過散熱器的散熱片。TPMS型別散熱器的旋轉鰭片可增強邊界層混合，與傳統散熱器設計相比，具有提供更高有效表面積的潛力。

nTopology 進行了簡單的數值研究，從而找出效能最高的TPMS散熱器，即設計輸入可最大程度地增加表面積，並最大程度地減少最終散熱器的質量。設計師使用nTop Platform 計算幾何核心以及分析方法進行了實驗，根據3D科學谷的瞭解，設計師可以快速進行幾何更改並評估設計輸入的效能輸出。從上圖中可以看出哪個設計的表面積最大。