散熱性能提高三倍，壓降減少三分之二，看3D打印如何創新熱交換器
換熱器與散熱器對設備可以長效穩定運行起到了關鍵的作用，3D打印用于換熱器和散熱器的制造滿足了產品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發展趨勢。特別是用于異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統制造技術不具備的優勢。 熱交換器正在發生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。
3D打印的ConfluxCore™熱交換器。來源：Conflux Technology
在商業化的3D打印熱交換器應用中，來自澳大利亞的Conflux Technology高效、緊湊的熱交換器設計已獲專利，其出眾性能源于只有借助增材制造 (AM)工藝才能實現的幾何結構。高表面密度結合優化的流體通道和3D表面特征，使熱交換器具備熱交換效率高、重量輕、壓降低的出色特性。
安裝于發動機上的3D打印ConfluxCore™熱交換器。
來源：Conflux Technology諸多性能優勢得以在極短的研發周期內實現，這歸功于增材制造專業知識中包含的計算流體動力學建模和設計技術。在無需考慮使用模具的情況下，即可同時制造多種變體。
面臨的挑戰
作為熱力學第一定律的核心，熱傳遞是一種無處不在的挑戰。簡而言之，熱交換器是在兩種或多種流體（通常包括液液、液氣、氣氣或多種流體）之間有效傳遞熱量的設備，在空調和汽車發動機等產品中均可發現它們的身影。此類設備的一個實用價值是回收能量，此外，它還有諸多其他價值，是一項具有廣泛用途的復雜技術。熱交換器的設計和制造方法隨著現有技術的發展而不斷進步，反過來也同樣受到了這些技術的限制。
Conflux的創始人兼首席執行官Michael Fuller在汽車賽車行業擔任工程師已有十余年時間。在這一行業當中，熱交換器不得不在惡劣的環境下運行。因此，更小巧且更高效的部件就變得尤為重要，但減材制造工藝已經觸及瓶頸。
解決方案
Michael Fuller洞察到了3D打印工藝快速而革命性的優勢，并最終將增材制造確定為下一代熱交換器的支撐技術。高度復雜的幾何結構配合當下最為出色的表面密度，實現了極為出色的熱交換性能。如此強勁的性能就蘊藏于十分緊湊的體積之中。這些部件可能對未來的發展產生巨大影響，例如重量更輕的賽車和飛機。當實現功能集成并可同時生產多種變體時，這些基本的發展機會就將得以擴大。Michael Fuller已利用工業3D打印技術著手將這個想法從概念推進至設計，再到原型制造，一步步地實現了產品生產。
ConfluxTechnology分析了工業增材制造業的情況，并在經過技術盡職調查后得出結論，EOS是唯一具備能夠滿足Conflux遠大目標的技術和商業能力的合作伙伴。快速概念驗證研發計劃完成后，Conflux Core™設計獲得了專利。短短6個月內便構建了6 個原型并完成了最終產品研發。
研發計劃期間使用了以下幾種工具：計算流體動力學(CFD)工具通過流動可視化以及關聯后的性能預測補充了熱交換器設計迭代。非線性熱機械有限元建模(FEA)工具用于分析合位移及合應力，以確保結構完整性。EOS設備擁有一套專用的AM軟件工具，用于數據準備、工藝優化和質量保證。這些都是在Conflux Core™熱交換器研發期間使用的工具，在航空航天、汽車、石油和天然氣、化學加工及微處理器冷卻等多種行業中有著廣泛應用。
3D 打印Conflux Core™熱交換器的橫截面。來源：EOS
成果
熱交換器與一級方程式（Formula1）基準進行了比較。位于英國的UKAS認證實驗室YoungCalibrations提供官方認可的校準服務以及熱流體和部件測試服務，該實驗室對Conflux的產品執行了測試。
結果（見下圖）證明了Conflux憑借其3D打印熱交換器所實現的根本性改進。增材制造工藝讓Conflux可以設計出精妙的內部幾何結構，在既定的體積上大大提高了表面積，使散熱性能提高了三倍，壓降減少了三分之二。此外，AM工藝還為熱交換器實現了緊湊的新型設計，與F1基準相比長度縮短了55mm。與此同時，其重量也減輕了22%。AM工藝提供的設計靈活性使產品可放置于車輛內部的最佳空間位置上，并且還可以實現部件合并，從而減少零件的總體數量。將多個子部件集成至單個零件中，可以免除裝配時間并減少接頭和接縫上的故障點。
Conflux與一級方程式（Formula 1）散熱對比圖。來源：EOS
以Conflux Core™熱交換器為基礎，ConfluxTechnology已發展成為一家專注于應對散熱和流體挑戰的增材制造應用公司。來自不同市場的客戶和研發合作伙伴同樣也讓Conflux Technology面臨著諸多挑戰。公司的研發路線促使其知識產權范圍不斷擴大，而這也夯實了Conflux Technology的價值主張。憑借基于AM專業知識的內部設計、計算建模、與EOS的深度合作及其全球領先的平臺技術的結合，公司取得了有目共睹的技術成功。ConfluxTechnology的一個關鍵優勢在于，公司現在能夠與客戶和研發合作伙伴協同打造卓越的散熱和流體解決方案，幫助他們在企業內充分發揮出增材制造的潛力。
內容來源：EOS
3D打印技術能夠實現復雜的點陣結構，由于點陣結構的存在從而保持了廣泛的熱交換表面，可以獲得較高的散熱表面/體積比。面向下一代的熱交換器制造，不少公司已經進行了戰略性的布局，其中2019年GE宣布與馬里蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作研發UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內完成開發計劃，實現更高效的能量轉換和更低的排放。此外，不少公司進行了通過點陣結構進行散熱的商業化努力，其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設計和制造、用于微型燃氣渦輪系統的并流換熱器，以及本文所提及的Conflux 新一代高效熱交換器。
3D打印熱交換器的優勢
而此前，菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團）還與McMaster大學建立了一項合作，目標是設計一種新的鋁制汽車散熱器，這個項目的重點就在于應用點陣結構的組合，這些結構帶來良好的對流熱交換性能，并且可以實現可觀的減重結果。這個項目開發的帶有點陣結構的3D打印散熱器，比FCA集團生產的汽車中使用的汽車散熱器更輕，并且還可以保證其性能。
(責任編輯：admin)
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