正如3D科學谷在《3D打印與工業製造》一書中提到的，熱交換器正在發生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。

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打印用於換熱器和散熱器的製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。特別是用於異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分複雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統制造技術不具備的優勢。

本期，3D科學谷與谷友一起來通過案例領略熱交換器的市場探索者在推進3D打印產業化的道路上所作的努力和需要克服的挑戰。

HEWAM項目的熱交換器。來源：TEMISTh

研究進一步，產業化近一步

在3D打印高溫合金熱交換器方面，典型的要數AddUp，Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM項目，開發的Inconel 718材料熱交換器，確保薄壁（<0.5mm）無泄漏和薄翅片（0.15mm）。

通過項目的開發來嘗試孵化未來的工業生產前景，項目團隊設計了一種帶曲率的熱交換器外觀，這種曲率適合於共形航空航天業中使用的各種表面，雙形曲線設計允許其外表與飛機發動機的曲率擬合此外，在設計中考慮了熱、流體和機械約束，以使局部幾何形狀適應功能實現的要求。

熱交換器的一個邊界條件是油在110℃下進入，環境空氣在-50℃下，油的質量流量 [1] 是固定的。空氣質量流量由到達HX區域的空氣流的動態壓力和設備的壓降特性決定。目的是通過確保有足夠的空氣流過HX區域，以消除HX的一個模量的2200W的油循環（32g / s〜2.4 L / min）。

HEWAM項目。來源：TEMISTh

選擇用於設計的材料是Inconel718，Inconel 718合金是含鈮、鉬的沉澱硬化型鎳鉻鐵合金，在700℃時具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環境均具有耐腐蝕性。該材料比鋁重3倍以上，並且導電性較低，但是對於增材製造，它表現出更有趣的特性。使用Inconel，團隊可以確保實現薄壁（<0.5mm）沒有泄漏並實現薄鰭片（0.15mm）的製造。由此依賴，設計具有良好結構的熱交換器可以獲得與鋁製AM外殼相似的質量和性能。

HEWAM項目中的建模與仿真。來源：TEMISTh

3D打印熱交換器的挑戰來自於需要最大化給定體積的表面積，同時又不損害零件的重量，這使得設計變得非常複雜，而複雜的設計帶來了仿真的挑戰，並且帶來了3D打印文件過大的挑戰，整個的CAD幾何圖形的創建和操作、仿真以及建立打印數據非常耗時。AddUp，Sogeclair和Temisth已經開發了一種特定的方法論，以確保對熱量的要求具有機械約束和增材製造的可行性。

另一個需要滿足的挑戰是，需要確保熱交換器內的足夠氣流具有高傳熱係數。工程師們考慮到空氣溫度的變化（從-50°C到+ 25°C）影響其密度。因此，通過增加了通道寬度，以限制空氣加速度，從而限制壓降。爲了保持熱性能，翅片的設計具有沿氣流的適應性幾何形狀，以便考慮空氣速度和通道尺寸的變化。整個的熱交換器的CAD建模設計需要遵循DfAM增材設計思維規則，並通過機械仿真以檢查耐壓、泄露等考量因素。

熱交換器非常適合通過增材製造的方式來製造，不過一個吸引人的設計本身往往是不夠的。根據3D科學谷的市場觀察，這其中還包括對傳熱/流體力學的基本原理的掌握，對熱流體模擬仿真和AM-增材製造過程的深刻理解和結合，這是取得令人信服的競爭性結果所必需的。

HEWAM項目進行了CAD，CFD（計算流體力學）的迭代和機械仿真，然後又通過AddUp Manager軟件確保3D打印製造過程的可行性，3D打印的準備包括：零件構建方向選擇、支撐設置、激光策略、過程模擬仿真等。

仿真與優化結合在幾個方面進行：局部優化帶有細鰭的通道；中尺度優化不同的鰭模式和不同大小的通道。還包括使用曲面形狀進行宏觀優化，以實現更好的系統集成。

HEWAM項目的意義在於商業化的潛能，航空航天工業具有廣泛的熱學應用，包括空調，制動冷卻系統，以及用於電子的嵌入式冷板，發動機熱管理等。在未來，隨着飛機電氣系統，電動機熱學系統熱量的增加，爲了確保輕型設備的性能，將需要越來越多的熱交換定製解決方案。

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