關(guan) 於(yu) 3D打印集成熱交換功能的殼體(ti) ，3D科學穀此前曾分享過GE開發的一種齒輪箱，是一個(ge) 包括具有多個(ge) 內(nei) 腔的殼體(ti) 。在腔室內(nei) 的多個(ge) 壁中附加製造了熱交換器，這樣的熱交換器包括多個(ge) 熱交換通道。

根據3D科學穀的市場觀察，近日，聯合技術公司-UTC的3D打印具有集成熱交換功能的輕量化殼體(ti) 專(zhuan) 利獲批，UTC的這項專(zhuan) 利提供了用於(yu) 生產(chan) 輕質，低成本組件的方法。

圖片來源：US10619949B2

集成結構，3D打印開啟新組件時代

如果按照傳(chuan) 統鑄造完成後，再進行CNC減材加工來實現這樣的設計應該說是不可能的。UTC本針對使用減材製造和增材製造的組合來製造具有集成熱交換功能的輕量化殼體(ti) ，有效實現複雜與(yu) 精密的結合。

圖片來源：US10619949B2

根據3D科學穀的市場研究，UTC將開孔泡沫結構應用到熱交換功能的設計中，以允許第二流體(ti) 通過，泡沫結構的孔隙率可以在5％至80％的範圍內(nei) ，孔隙率的選擇可以取決(jue) 於(yu) 要形成的部件的最終用途。這種設計比起原來傳(chuan) 統製造工藝來說，可以比機加工固體(ti) 材料塊快速且以較低的成本完成。與(yu) 應用於(yu) 固體(ti) 塊的機械加工相比，顯著減少原材料浪費。另外，可以通過調整泡沫結構外部的金屬沉積物（或陶瓷沉積物）的厚度，以達到需要的強度。

這種設計對於(yu) 用於(yu) 閥體(ti) 和其他應用的機加工部件提供了低成本，輕量化的選擇。與(yu) 固體(ti) 毛坯材料塊相比，增材製造的零件所需的原材料更少。為(wei) 了豐(feng) 富內(nei) 部特征和實現更複雜的功能，還通過將一個(ge) 或多個(ge) 組件集成到結構中來，並且這種結構可以避免流體(ti) 泄露風險，通過金屬外殼提供組件的連接和所需的結構功能。

3D科學穀Review

在3D打印所帶來的以功能實現為(wei) 導向的產(chan) 品設計理念背景下，集成是個(ge) 趨勢，拿燃氣渦輪發動機的組件來說，通常，用於(yu) 燃氣渦輪發動機的常規熱交換器是定位在燃氣渦輪發動機內(nei) 的各個(ge) 位置處的“磚”塊結構。這些熱交換器就像空調的室外機，通過一個(ge) 或多個(ge) 流體(ti) 循環管道實現熱交換區域的連接。

以往燃氣渦輪發動機的熱交換器遠離附件齒輪箱需要通過單獨的流體(ti) 循環管道將油供應到熱交換器。每個(ge) 管道都需要額外的組件存儲(chu) ，並且帶來了額外的組裝和成本。此外，泄漏的可能性增加了，並且當流體(ti) 被傳(chuan) 遞到位於(yu) 遠處的熱交換器時，流體(ti) 可能會(hui) 損失大量的熱能。

因此，改進用於(yu) 冷卻變速箱的熱交換器是具有應用前景的，更具體(ti) 地說，用於(yu) 燃氣渦輪發動機的熱交換器需要更少的空間，更易於(yu) 組裝和安裝，並且需要降低流體(ti) 泄漏和熱損失的可能性。

通過3D打印，不僅(jin) 可以將齒輪箱和熱交換器以整體(ti) 結構製造出來，而且還可以實現非常薄的壁厚，在這方麵，3D科學穀曾分享過GE開發的集成熱交換器的一體(ti) 化齒輪箱概念可以類似地應用於(yu) 各種變速箱，例如傳(chuan) 動齒輪箱，動力齒輪箱，減速齒輪箱，或渦輪風扇的其他部件。可以應用到汽車、航空、海事等領域。

圖：GE開發的集成熱交換器的一體(ti) 化齒輪箱殼體(ti) 。來源：US 10247296 B2

正如3D科學穀在《3D打印與(yu) 工業(ye) 製造》一書(shu) 中提到的，熱交換器正在發生變革，下一代換熱器與(yu) 散熱器正在來臨(lin) 。諸如集成熱交換功能的輕量化殼體(ti) 和集成熱交換器的一體(ti) 化齒輪箱具有多方麵的顛覆潛力，避免了傳(chuan) 統熱交換模塊的遠程定位需要燃氣渦輪發動機內(nei) 額外的容納空間。另外避免了泄露等隱患。以往流體(ti) 必須通過單獨的流體(ti) 循環管道循環，這些管道必須使用密封件，螺栓，螺母等組裝。並且，每個(ge) 管道需要額外的部件存儲(chu) ，組裝和成本。此外，以往的設計方案中，當流體(ti) 被傳(chuan) 遞到位於(yu) 遠處的熱交換器時，流體(ti) 可能會(hui) 損失大量的熱能。

此外，通過3D打印工藝，可以形成特定的表麵光潔度和通道尺寸以改善通過通道的流體(ti) 流動，改善通道內(nei) 的熱傳(chuan) 遞等。可以通過增加激光掃描速度或粉末層的厚度來實現更粗糙的光潔度，並且可以通過降低激光掃描速度或粉末層的厚度來實現更光滑的光潔度。還可以改變掃描路徑或激光功率來改變特定區域的表麵光潔度。

值得注意的是，更光滑的表麵可以促進流體(ti) 更快的流過熱交換器通道，而較粗糙的表麵可以促進流體(ti) 的湍流和增加熱傳(chuan) 遞。

更多3D打印在熱交換器領域的市場分析資料，請參考3D科學穀發布的《3D打印與(yu) 換熱器及散熱器應用白皮書(shu) 》。

參考資料：US10619949B2，US10247296B2