剖析3D打印如何成就面向未來(lái)的下一代熱交換器

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

這只是我們在未來(lái)增材制造熱交換器中可能會(huì )看到的一個(gè)例子。本期，3D科學(xué)谷與谷友一起來(lái)探索3D打印所開(kāi)辟的腦洞大開(kāi)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(kāi)的新設計理念

AM -增材制造的優(yōu)勢在于能夠將熱交換器芯和歧管作為單個(gè)整體部件生產(chǎn)。傳統上生產(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(dòng)技術(shù)，如果任何這些釬焊接頭之間出現故障，都可能導致熱交換器出現故障。因此，3D打印所實(shí)現的在單個(gè)制造過(guò)程中生產(chǎn)所有內部結構是有利的。

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(chē)運動(dòng)等行業(yè)很常見(jiàn)，在這些行業(yè)中，許多組件都封裝在一個(gè)緊湊的體積中。AM-增材制造技術(shù)非常適合這一點(diǎn)，這樣可以設計定制外形和歧管以直接適應緊湊的空間體積。

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?？梢猿晒ιa(chǎn)諸如 0.1 毫米厚的壁，雖然這并非沒(méi)有挑戰，通常需要對工藝參數進(jìn)行研發(fā)以生產(chǎn)這些薄壁結構。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3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)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，這些材料是傳熱應用的理想選擇。其中根據3D科學(xué)谷全球戰略合作伙伴AMPower預測，3D打印銅合金的年增長(cháng)率將達到46.6%。這來(lái)自于熱交換器，燃燒室，銅感應器等產(chǎn)品的應用發(fā)展。

/設計熱交換器的挑戰

不過(guò)，根據3D科學(xué)谷的了解，換熱器的設計可能非常具有挑戰性，因為傳熱受三個(gè)要素控制：傳導、對流、輻射。



▲ Gen3D

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

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，跨壁的導熱性越好。因此，在設計熱交換器時(shí)，壁厚通常是增材制造工藝的設計約束。

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，這些只是指導方針，通過(guò)仔細的參數優(yōu)化，可以將最小壁厚優(yōu)化到遠低于此值。

除了壁厚的設計，還可以通過(guò)最大化表面積來(lái)提高熱交換效率。根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，一種流行的熱交換器晶格類(lèi)型是 TPMS 點(diǎn)陣晶格（三重周期最小表面）。使用 TPMS 晶格，可以?xún)H使用 TPMS 方程將熱交換器分成多個(gè)域。

隨著(zhù)熱量的散失，對流自然會(huì )導致空氣流過(guò)散熱器的散熱片。TPMS類(lèi)型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。

/TPMS的四兩撥千斤

根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，市場(chǎng)上有不少商業(yè)軟件可以提供 TPMS 點(diǎn)陣晶格建模。當前流行的軟件包括nTopology和Gen3D。

nTop是用于高級制造中的設計和仿真的計算建模平臺，nTop的驅動(dòng)方法將設計，仿真和制造知識統一起來(lái)，實(shí)現了自動(dòng)化，從而使工程師可以擁有更大的設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(guò)在 Gen3D 中更改單元尺寸和晶格密度，可以調整換熱器的參數，通過(guò) TPMS三重周期最小表面成為增加換熱器設計的絕佳方式。

TPMS三重周期最小表面設計和3D打印范例方面最新的進(jìn)展，3D科學(xué)谷曾分享過(guò)《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》論文中通過(guò)無(wú)STL的概念解決效率問(wèn)題，涵蓋設計和制造的兩個(gè)方面。具體來(lái)說(shuō)，將設計的隱式實(shí)體建模與制造的直接切片無(wú)縫集成。

/在挑戰中前行

不過(guò)必須小心，因為表面積的增加會(huì )帶來(lái)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計人員每天都面臨的平衡挑戰。

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

此外，最大的挑戰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部完美地創(chuàng )建。當前有許多無(wú)損技術(shù)，例如用于檢查粉末的共振或用于檢查結構完整性的 CT 掃描。然而，CT 掃描可能是一個(gè)昂貴的過(guò)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。