換熱器與散熱器對設(shè)備可以長效穩(wěn)定運行起到了關(guān)鍵的作用，3D打印用于換熱器和散熱器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢。特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢。    熱交換器正在發(fā)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(yè)化的3D打印熱交換器應(yīng)用中，來自澳大利亞的Conflux Technology高效、緊湊的熱交換器設(shè)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(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)。高表面密度結(jié)合優(yōu)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(fā)動機上的3D打印ConfluxCore™熱交換器。

   諸多性能優(yōu)勢得以在極短的研發(fā)周期內(nèi)實現(xiàn)，這歸功于增材制造專業(yè)知識中包含的計算流體動力學(xué)建模和設(shè)計技術(shù)。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(zhàn)

     作為熱力學(xué)第一定律的核心，熱傳遞是一種無處不在的挑戰(zhàn)。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(shè)備，在空調(diào)和汽車發(fā)動機等產(chǎn)品中均可發(fā)現(xiàn)它們的身影。此類設(shè)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(fù)雜技術(shù)。熱交換器的設(shè)計和制造方法隨著現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展而不斷進步，反過來也同樣受到了這些技術(shù)的限制。

Conflux的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Michael Fuller在汽車賽車行業(yè)擔(dān)任工程師已有十余年時間。在這一行業(yè)當(dāng)中，熱交換器不得不在惡劣的環(huán)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(jīng)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(yōu)勢，并最終將增材制造確定為下一代熱交換器的支撐技術(shù)。高度復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)配合當(dāng)下最為出色的表面密度，實現(xiàn)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(fā)展產(chǎn)生巨大影響，例如重量更輕的賽車和飛機。當(dāng)實現(xiàn)功能集成并可同時生產(chǎn)多種變體時，這些基本的發(fā)展機會就將得以擴大。Michael Fuller已利用工業(yè)3D打印技術(shù)著手將這個想法從概念推進至設(shè)計，再到原型制造，一步步地實現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)。

    ConfluxTechnology分析了工業(yè)增材制造業(yè)的情況，并在經(jīng)過技術(shù)盡職調(diào)查后得出結(jié)論，EOS是唯一具備能夠滿足Conflux遠(yuǎn)大目標(biāo)的技術(shù)和商業(yè)能力的合作伙伴。快速概念驗證研發(fā)計劃完成后，Conflux Core™設(shè)計獲得了專利。短短6個月內(nèi)便構(gòu)建了6 個原型并完成了最終產(chǎn)品研發(fā)。

      研發(fā)計劃期間使用了以下幾種工具：計算流體動力學(xué)(CFD)工具通過流動可視化以及關(guān)聯(lián)后的性能預(yù)測補充了熱交換器設(shè)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(yīng)力，以確保結(jié)構(gòu)完整性。EOS設(shè)備擁有一套專用的AM軟件工具，用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。這些都是在Conflux Core™熱交換器研發(fā)期間使用的工具，在航空航天、汽車、石油和天然氣、化學(xué)加工及微處理器冷卻等多種行業(yè)中有著廣泛應(yīng)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(zhǔn)進行了比較。位于英國的UKAS認(rèn)證實驗室YoungCalibrations提供官方認(rèn)可的校準(zhǔn)服務(wù)以及熱流體和部件測試服務(wù)，該實驗室對Conflux的產(chǎn)品執(zhí)行了測試。

結(jié)果（見下圖）證明了Conflux憑借其3D打印熱交換器所實現(xiàn)的根本性改進。增材制造工藝讓Conflux可以設(shè)計出精妙的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了緊湊的新型設(shè)計，與F1基準(zhǔn)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(shè)計靈活性使產(chǎn)品可放置于車輛內(nèi)部的最佳空間位置上，并且還可以實現(xiàn)部件合并，從而減少零件的總體數(shù)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(chǔ)，ConfluxTechnology已發(fā)展成為一家專注于應(yīng)對散熱和流體挑戰(zhàn)的增材制造應(yīng)用公司。來自不同市場的客戶和研發(fā)合作伙伴同樣也讓Conflux Technology面臨著諸多挑戰(zhàn)。公司的研發(fā)路線促使其知識產(chǎn)權(quán)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(yè)知識的內(nèi)部設(shè)計、計算建模、與EOS的深度合作及其全球領(lǐng)先的平臺技術(shù)的結(jié)合，公司取得了有目共睹的技術(shù)成功。ConfluxTechnology的一個關(guān)鍵優(yōu)勢在于，公司現(xiàn)在能夠與客戶和研發(fā)合作伙伴協(xié)同打造卓越的散熱和流體解決方案，幫助他們在企業(yè)內(nèi)充分發(fā)揮出增材制造的潛力。

內(nèi)容來源：EOS

      3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，由于點陣結(jié)構(gòu)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(jīng)進行了戰(zhàn)略性的布局，其中2019年GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開發(fā)計劃，實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。此外，不少公司進行了通過點陣結(jié)構(gòu)進行散熱的商業(yè)化努力，其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設(shè)計和制造、用于微型燃?xì)鉁u輪系統(tǒng)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(yōu)勢

      而此前，菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團）還與McMaster大學(xué)建立了一項合作，目標(biāo)是設(shè)計一種新的鋁制汽車散熱器，這個項目的重點就在于應(yīng)用點陣結(jié)構(gòu)的組合，這些結(jié)構(gòu)帶來良好的對流熱交換性能，并且可以實現(xiàn)可觀的減重結(jié)果。這個項目開發(fā)的帶有點陣結(jié)構(gòu)的3D打印散熱器，比FCA集團生產(chǎn)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(zé)任編輯：admin)

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