剖析3D打印如何成就面向未来的下一代热交换器

根据3D科学谷的市场观察，Gen3D 参与了 多材料3D打印解决方案商Aerosint的一个项目，在该项目中合作了一个多材料热交换器的设计与制造。热交换器的外表面是由不锈钢打印而成的，而热交换器的内表面（作为两种流体之间传递热量的表面）是由高导电铜合金制成

这只是我们在未来增材制造热交换器中可能会看到的一个例子。本期，3D科学谷与谷友一起来探索3D打印所开辟的脑洞大开的下一代热交换器。

▲Aerosint多材料3D打印

Aerosint



▲ Gen3D

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脑洞大开的新设计理念

AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术，如果任何这些钎焊接头之间出现故障，都可能导致热交换器出现故障。因此，3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。

增材制造可用于创建定制形状和尺寸的热交换器，这在赛车运动等行业很常见，在这些行业中，许多组件都封装在一个紧凑的体积中。AM-增材制造技术非常适合这一点，这样可以设计定制外形和歧管以直接适应紧凑的空间体积。

金属增材制造工艺（如激光粉末床熔化）能够打印非常薄壁的材料。可以成功生产诸如 0.1 毫米厚的壁，虽然这并非没有挑战，通常需要对工艺参数进行研发以生产这些薄壁结构。然而，薄壁特性使其成为热交换器的理想选择。

在材料方面，增材制造可用于生产各种材料的热交换器，根据3D科学谷的市场观察，从铝合金一直到高温合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，以及其他材料，如铜和铜合金也可以使用，这些材料是传热应用的理想选择。其中根据3D科学谷全球战略合作伙伴AMPower预测，3D打印铜合金的年增长率将达到46.6%。这来自于热交换器，燃烧室，铜感应器等产品的应用发展。

/设计热交换器的挑战

不过，根据3D科学谷的了解，换热器的设计可能非常具有挑战性，因为传热受三个要素控制：传导、对流、辐射。



▲ Gen3D

k 是热导率，这通常取决于材料选择，因此使用具有最高热导率的材料似乎是合乎逻辑的。然而，在为无限应用设计热交换器时，通常需要查看相互冲突的规范元素。因此，材料的导热性很重要，但是，还需要考虑强度、材料的密度和熔点。这些因素综合起来，才有助于为换热器设计找到最佳材料。

A 元素表明需要尝试最大化用于传递热量的表面积.

dx 定义了热交换器的壁厚,壁厚越小，跨壁的导热性越好。因此，在设计热交换器时，壁厚通常是增材制造工艺的设计约束。

目前原则上，用于激光粉末床熔化 (LPBF) 材料的增材制造的最小壁厚约为 0.5 毫米。然而，这些只是指导方针，通过仔细的参数优化，可以将最小壁厚优化到远低于此值。

除了壁厚的设计，还可以通过最大化表面积来提高热交换效率。根据3D科学谷的市场观察，一种流行的热交换器晶格类型是 TPMS 点阵晶格（三重周期最小表面）。使用 TPMS 晶格，可以仅使用 TPMS 方程将热交换器分成多个域。

随着热量的散失，对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS类型散热器的旋转鳍片可增强边界层混合，与传统散热器设计相比，具有提供更高有效表面积的潜力。

/TPMS的四两拨千斤

根据3D科学谷的市场观察，市场上有不少商业软件可以提供 TPMS 点阵晶格建模。当前流行的软件包括nTopology和Gen3D。

nTop是用于高级制造中的设计和仿真的计算建模平台，nTop的驱动方法将设计，仿真和制造知识统一起来，实现了自动化，从而使工程师可以拥有更大的设计自由度并改善工作流程。

下面是使用 Gen3D 使用表面晶格的示例，通过在 Gen3D 中更改单元尺寸和晶格密度，可以调整换热器的参数，通过 TPMS三重周期最小表面成为增加换热器设计的绝佳方式。

TPMS三重周期最小表面设计和3D打印范例方面最新的进展，3D科学谷曾分享过《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》论文中通过无STL的概念解决效率问题，涵盖设计和制造的两个方面。具体来说，将设计的隐式实体建模与制造的直接切片无缝集成。

/在挑战中前行

不过必须小心，因为表面积的增加会带来热交换器的压降。表面积和压降之间的这种平衡是换热器设计人员每天都面临的平衡挑战。

关于面向未来的设计，请参考3D科学谷此前发布的《从大自然的蚂蚁和树木获得灵感，创成式软件构建面向未来的设计》。

此外，最大的挑战往往是在验证和阶段，包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除，并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损技术，例如用于检查粉末的共振或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而，CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器，甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。