根據3D科學穀的市場觀察，Gen3D 參與(yu) 了 多材料3D打印解決(jue) 方案商Aerosint的一個(ge) 項目，在該項目中合作了一個(ge) 多材料熱交換器的設計與(yu) 製造。熱交換器的外表麵是由不鏽鋼打印而成的，而熱交換器的內(nei) 表麵（作為(wei) 兩(liang) 種流體(ti) 之間傳(chuan) 遞熱量的表麵）是由高導電銅合金製成

這隻是我們(men) 在未來增材製造熱交換器中可能會(hui) 看到的一個(ge) 例子。本期，3D科學穀與(yu) 穀友一起來探索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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腦洞大開的新設計理念

AM -增材製造的優(you) 勢在於(yu) 能夠將熱交換器芯和歧管作為(wei) 單個(ge) 整體(ti) 部件生產(chan) 。傳(chuan) 統上生產(chan) 熱交換器的方法是製造單獨的翅片或板並將它們(men) 粘合或焊接在一起。這是一種手動技術，如果任何這些釺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打印所實現的在單個(ge) 製造過程中生產(chan) 所有內(nei) 部結構是有利的。

增材製造可用於(yu) 創建定製形狀和尺寸的熱交換器，這在賽車運動等行業(ye) 很常見，在這些行業(ye) 中，許多組件都封裝在一個(ge) 緊湊的體(ti) 積中。AM-增材製造技術非常適合這一點，這樣可以設計定製外形和歧管以直接適應緊湊的空間體(ti) 積。

金屬增材製造工藝（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(chan) 諸如 0.1 毫米厚的壁，雖然這並非沒有挑戰，通常需要對工藝參數進行研發以生產(chan) 這些薄壁結構。然而，薄壁特性使其成為(wei) 熱交換器的理想選擇。

在材料方麵，增材製造可用於(yu) 生產(chan) 各種材料的熱交換器，根據3D科學穀的市場觀察，從(cong) 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(chuan) 熱應用的理想選擇。其中根據3D科學穀全球戰略合作夥(huo) 伴AMPower預測，3D打印銅合金的年增長率將達到46.6%。這來自於(yu) 熱交換器，燃燒室，銅感應器等產(chan) 品的應用發展。

/設計熱交換器的挑戰

不過，根據3D科學穀的了解，換熱器的設計可能非常具有挑戰性，因為(wei) 傳(chuan) 熱受三個(ge) 要素控製：傳(chuan) 導、對流、輻射。

▲ Gen3D

k 是熱導率，這通常取決(jue) 於(yu) 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(wei) 無限應用設計熱交換器時，通常需要查看相互衝(chong) 突的規範元素。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。這些因素綜合起來，才有助於(yu) 為(wei) 換熱器設計找到最佳材料。

A 元素表明需要嚐試最大化用於(yu) 傳(chuan) 遞熱量的表麵積.

dx 定義(yi) 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，壁厚通常是增材製造工藝的設計約束。

目前原則上，用於(yu) 激光粉末床熔化 (LPBF) 材料的增材製造的最小壁厚約為(wei) 0.5 毫米。然而，這些隻是指導方針，通過仔細的參數優(you) 化，可以將最小壁厚優(you) 化到遠低於(yu) 此值。

除了壁厚的設計，還可以通過最大化表麵積來提高熱交換效率。根據3D科學穀的市場觀察，一種流行的熱交換器晶格類型是 TPMS 點陣晶格（三重周期最小表麵）。使用 TPMS 晶格，可以僅(jin) 使用 TPMS 方程將熱交換器分成多個(ge) 域。

隨著熱量的散失，對流自然會(hui) 導致空氣流過散熱器的散熱片。TPMS類型散熱器的旋轉鰭片可增強邊界層混合，與(yu) 傳(chuan) 統散熱器設計相比，具有提供更高有效表麵積的潛力。

/TPMS的四兩(liang) 撥千斤

根據3D科學穀的市場觀察，市場上有不少商業(ye) 軟件可以提供 TPMS 點陣晶格建模。當前流行的軟件包括nTopology和Gen3D。

nTop是用於(yu) 高級製造中的設計和仿真的計算建模平台，nTop的驅動方法將設計，仿真和製造知識統一起來，實現了自動化，從(cong) 而使工程師可以擁有更大的設計自由度並改善工作流程。

下麵是使用 Gen3D 使用表麵晶格的示例，通過在 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 TPMS三重周期最小表麵成為(wei) 增加換熱器設計的絕佳方式。

TPMS三重周期最小表麵設計和3D打印範例方麵最新的進展，3D科學穀曾分享過《STL-free design and manufacturing paradigm for high-precision powder bed fusion》論文中通過無STL的概念解決(jue) 效率問題，涵蓋設計和製造的兩(liang) 個(ge) 方麵。具體(ti) 來說，將設計的隱式實體(ti) 建模與(yu) 製造的直接切片無縫集成。

/在挑戰中前行

不過必須小心，因為(wei) 表麵積的增加會(hui) 帶來熱交換器的壓降。表麵積和壓降之間的這種平衡是換熱器設計人員每天都麵臨(lin) 的平衡挑戰。

關(guan) 於(yu) 麵向未來的設計，請參考3D科學穀此前發布的《從(cong) 大自然的螞蟻和樹木獲得靈感，創成式軟件構建麵向未來的設計》。

此外，最大的挑戰往往是在驗證和測試階段，包括如何確保所有的粉末都已從(cong) 通道中清除，並且所有的壁都已在內(nei) 部完美地創建。當前有許多無損測試技術，例如用於(yu) 檢查粉末的共振測試或用於(yu) 檢查結構完整性的 CT 掃描。然而，CT 掃描可能是一個(ge) 昂貴的過程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生產(chan) 換熱器，甚至不可能深入表麵幾厘米以檢查部件的完整性。

▲3D科學穀創始人Kitty推薦《增材製造設計（DfAM)指南》