根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，Gen3D 參與了 多材料3D打印解決方案商Aerosint的一個項目，在該項目中合作了一個多材料熱交換器的設(shè)計與制造。熱交換器的外表面是由不銹鋼打印而成的，而熱交換器的內(nèi)表面（作為兩種流體之間傳遞熱量的表面）是由高導(dǎo)電銅合金制成

這只是我們在未來增材制造熱交換器中可能會看到的一個例子。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來探索3D打印所開辟的腦洞大開的下一代熱交換器。

▲Aerosint多材料3D打印

Aerosint



▲ Gen3D

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腦洞大開的新設(shè)計理念

AM -增材制造的優(yōu)勢在于能夠?qū)峤粨Q器芯和歧管作為單個整體部件生產(chǎn)。傳統(tǒng)上生產(chǎn)熱交換器的方法是制造單獨的翅片或板并將它們粘合或焊接在一起。這是一種手動技術(shù)，如果任何這些釬焊接頭之間出現(xiàn)故障，都可能導(dǎo)致熱交換器出現(xiàn)故障。因此，3D打印所實現(xiàn)的在單個制造過程中生產(chǎn)所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)是有利的。

增材制造可用于創(chuàng)建定制形狀和尺寸的熱交換器，這在賽車運動等行業(yè)很常見，在這些行業(yè)中，許多組件都封裝在一個緊湊的體積中。AM-增材制造技術(shù)非常適合這一點，這樣可以設(shè)計定制外形和歧管以直接適應(yīng)緊湊的空間體積。

金屬增材制造工藝（如激光粉末床熔化）能夠打印非常薄壁的材料。可以成功生產(chǎn)諸如 0.1 毫米厚的壁，雖然這并非沒有挑戰(zhàn)，通常需要對工藝參數(shù)進行研發(fā)以生產(chǎn)這些薄壁結(jié)構(gòu)。然而，薄壁特性使其成為熱交換器的理想選擇。

在材料方面，增材制造可用于生產(chǎn)各種材料的熱交換器，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，從鋁合金一直到高溫合金，如 Inconel 718 和 Inconel 625，以及其他材料，如銅和銅合金也可以使用，這些材料是傳熱應(yīng)用的理想選擇。其中根據(jù)3D科學(xué)谷全球戰(zhàn)略合作伙伴AMPower預(yù)測，3D打印銅合金的年增長率將達到46.6%。這來自于熱交換器，燃燒室，銅感應(yīng)器等產(chǎn)品的應(yīng)用發(fā)展。

/設(shè)計熱交換器的挑戰(zhàn)

不過，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，換熱器的設(shè)計可能非常具有挑戰(zhàn)性，因為傳熱受三個要素控制：傳導(dǎo)、對流、輻射。



▲ Gen3D

k 是熱導(dǎo)率，這通常取決于材料選擇，因此使用具有最高熱導(dǎo)率的材料似乎是合乎邏輯的。然而，在為無限應(yīng)用設(shè)計熱交換器時，通常需要查看相互沖突的規(guī)范元素。因此，材料的導(dǎo)熱性很重要，但是，還需要考慮強度、材料的密度和熔點。這些因素綜合起來，才有助于為換熱器設(shè)計找到最佳材料。

A 元素表明需要嘗試最大化用于傳遞熱量的表面積.

dx 定義了熱交換器的壁厚,壁厚越小，跨壁的導(dǎo)熱性越好。因此，在設(shè)計熱交換器時，壁厚通常是增材制造工藝的設(shè)計約束。

目前原則上，用于激光粉末床熔化 (LPBF) 材料的增材制造的最小壁厚約為 0.5 毫米。然而，這些只是指導(dǎo)方針，通過仔細的參數(shù)優(yōu)化，可以將最小壁厚優(yōu)化到遠低于此值。

除了壁厚的設(shè)計，還可以通過最大化表面積來提高熱交換效率。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，一種流行的熱交換器晶格類型是 TPMS 點陣晶格（三重周期最小表面）。使用 TPMS 晶格，可以僅使用 TPMS 方程將熱交換器分成多個域。

隨著熱量的散失，對流自然會導(dǎo)致空氣流過散熱器的散熱片。TPMS類型散熱器的旋轉(zhuǎn)鰭片可增強邊界層混合，與傳統(tǒng)散熱器設(shè)計相比，具有提供更高有效表面積的潛力。

/TPMS的四兩撥千斤

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，市場上有不少商業(yè)軟件可以提供 TPMS 點陣晶格建模。當(dāng)前流行的軟件包括nTopology和Gen3D。

nTop是用于高級制造中的設(shè)計和仿真的計算建模平臺，nTop的驅(qū)動方法將設(shè)計，仿真和制造知識統(tǒng)一起來，實現(xiàn)了自動化，從而使工程師可以擁有更大的設(shè)計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，通過在 Gen3D 中更改單元尺寸和晶格密度，可以調(diào)整換熱器的參數(shù)，通過 TPMS三重周期最小表面成為增加換熱器設(shè)計的絕佳方式。

TPMS三重周期最小表面設(shè)計和3D打印范例方面最新的進展，3D科學(xué)谷曾分享過《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》論文中通過無STL的概念解決效率問題，涵蓋設(shè)計和制造的兩個方面。具體來說，將設(shè)計的隱式實體建模與制造的直接切片無縫集成。

/在挑戰(zhàn)中前行

不過必須小心，因為表面積的增加會帶來熱交換器的壓降。表面積和壓降之間的這種平衡是換熱器設(shè)計人員每天都面臨的平衡挑戰(zhàn)。

關(guān)于面向未來的設(shè)計，請參考3D科學(xué)谷此前發(fā)布的《從大自然的螞蟻和樹木獲得靈感，創(chuàng)成式軟件構(gòu)建面向未來的設(shè)計》。

此外，最大的挑戰(zhàn)往往是在驗證和階段，包括如何確保所有的粉末都已從通道中清除，并且所有的壁都已在內(nèi)部完美地創(chuàng)建。當(dāng)前有許多無損技術(shù)，例如用于檢查粉末的共振或用于檢查結(jié)構(gòu)完整性的 CT 掃描。然而，CT 掃描可能是一個昂貴的過程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生產(chǎn)換熱器，甚至不可能深入表面幾厘米以檢查部件的完整性。