金屬3D打印熱交換器應用阻礙和前景展望

南極熊導讀：金屬3D打印技術，在熱交換器的制造上，有什么應用潛力和阻礙呢？
澳大利亞Conflux Technology公司是一家設計和工程公司，使用激光粉末床熔融（LPBF）技術，專業(yè)3D打印緊湊型高性能熱交換器，包括設計、開發(fā)、生產(chǎn)、后處理等一條龍服務。并且，得到了德國工業(yè)級3D打印龍頭EOS旗下的全球3D打印基金AM Ventures的投資。

△Conflux的CTO認為，3D打印熱交換器，需要了解DfAM、熱傳導和流體力學原理以及增材制造過程


金屬3D打印技術在過去10年得到飛速的發(fā)展，在航空航天和醫(yī)療領域的應用越來越多；同時也非常適合制造熱交換器。

但是，與傳統(tǒng)高性能熱交換器的制造方法相比，增材制造仍是一項新興技術。Conflux的經(jīng)驗表明，3D打印交換器相對具有挑戰(zhàn)性。想要成功，需要對DfAM（用于增材制造的設計），傳熱和流體力學的基本原理，熱流體模擬以及增材制造過程的深刻理解。

以下是Conflux在3D打印熱交換器中，考慮的三個關鍵因素：

1.表面積密度。目標是在不損害設計或增加重量的情況下，最大化包裝成給定體積的表面積。

通常將產(chǎn)品與傳統(tǒng)制造的熱交換器進行比較，而不是與3D打印的熱交換器進行比較。它帶來的競爭挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的特征壁厚，可能比同類最佳的中型和大幅面激光金屬3D打印系統(tǒng)所能達到的厚度，薄2到3倍。使得利用增材制造的其他優(yōu)勢更加重要。

2.大型CAD和構建文件。表面積密度的重要性，意味著3D打印熱交換器，通常包含大型且密集的復雜特征陣列。結果是產(chǎn)生非常大的本地CAD和構建文件，從而使幾何圖形和構建數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和操作非常耗時。

近年來，一部分金屬3D打印機的發(fā)展集中在升級為生產(chǎn)級平臺，具有多個激光器、過程監(jiān)控工具、集成粉末回收和拆箱站。
△熱交換器的設計概念

3.產(chǎn)品合格標準。熱交換器制造商在資格和認證方面面臨獨特的挑戰(zhàn)，因為薄壁氣密結構中的單個缺陷或針孔，可能意味著按設計執(zhí)行或不執(zhí)行的設備之間的差異。

傳統(tǒng)制造的熱交換器，是根據(jù)隨時間推移生成的表格和標準來設計和確定尺寸的。這并不意味著傳統(tǒng)方法制造沒有痛點，而是標準和其他指南，一定程度上確立了信心。

△增材制造的雙水增壓空氣冷卻器（等軸測圖）

增強信心

如何做才能加快和簡化鑒定和驗證過程，并增強對3D打印熱交換器的信心？這里有一些建議：

-理解缺陷的性質和位置，比試圖消除所有缺陷更為關鍵。例如，有時會錯誤地將重點放在零件的孔隙率上。需要理解的是，孔隙率不一定會對性能產(chǎn)生負面影響。

-在生產(chǎn)流程中包括深入而強大的工藝程序，例如過程監(jiān)控、計算機斷層掃描、性能、耐用性和疲勞測試。

-減少3D打印處理流程中的歧義，尤其是在校準、微調和不同金屬3D打印機均一性方面。這很重要，因為如果我們要打包一整套相同的構建數(shù)據(jù)（材料，幾何形狀，支撐結構，過程和構建參數(shù)），然后在四個或四個公司的同一品牌和型號的金屬3D打印系統(tǒng)上，3D打印零件在不同的位置，一致性遇到挑戰(zhàn)。證據(jù)表明，“圈中的人”在數(shù)字制造領域仍具有重大影響。


未來展望
2018年，全球熱交換器市場容量為180億美元，預計到2026年增長到約300億美元（《財富》業(yè)務洞察報告）。

△3D打印的空氣冷卻器的底視圖

以下列出了五種方法來幫助增加金屬3D打印的市場應用：
1.提高生產(chǎn)率�；�于激光的金屬3D打印機仍然太慢且昂貴。需要的是將生產(chǎn)率提高10倍，而又不增加零件成本或機器成本。
2.提高精度分辨率。中型到大型金屬3D打印系統(tǒng)，需要把可實現(xiàn)最小壁厚減少2到3倍，這將為新的熱交換器應用打開大門。
3.開發(fā)新材料�！颁R”的推出，即一種超輕、高強度、導熱、耐腐蝕的材料，可以在高溫下持續(xù)工作。
4.編寫3D打印熱交換器標準。特定標準的創(chuàng)建和實施，可以幫助熱交換器的鑒定和認證。
5.市場教育。整個3D打印圈都需要一起來教育市場，并提供準確的信息。