金屬3D打印熱交換器應(yīng)用阻礙和前景展望

南極熊導(dǎo)讀：金屬3D打印技術(shù)，在熱交換器的制造上，有什么應(yīng)用潛力和阻礙呢？
澳大利亞Conflux Technology公司是一家設(shè)計(jì)和工程公司，使用激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)，專業(yè)3D打印緊湊型高性能熱交換器，包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、后處理等一條龍服務(wù)。并且，得到了德國(guó)工業(yè)級(jí)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(rèn)為，3D打印熱交換器，需要了解DfAM、熱傳導(dǎo)和流體力學(xué)原理以及增材制造過(guò)程


金屬3D打印技術(shù)在過(guò)去10年得到飛速的發(fā)展，在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多；同時(shí)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(xiàng)新興技術(shù)。Conflux的經(jīng)驗(yàn)表明，3D打印交換器相對(duì)具有挑戰(zhàn)性。想要成功，需要對(duì)DfAM（用于增材制造的設(shè)計(jì)），傳熱和流體力學(xué)的基本原理，熱流體模擬以及增材制造過(guò)程的深刻理解。

以下是Conflux在3D打印熱交換器中，考慮的三個(gè)關(guān)鍵因素：

1.表面積密度。目標(biāo)是在不損害設(shè)計(jì)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(jìn)行比較，而不是與3D打印的熱交換器進(jìn)行比較。它帶來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)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(dá)到的厚度，薄2到3倍。使得利用增材制造的其他優(yōu)勢(shì)更加重要。

2.大型CAD和構(gòu)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(fù)雜特征陣列。結(jié)果是產(chǎn)生非常大的本地CAD和構(gòu)建文件，從而使幾何圖形和構(gòu)建數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和操作非常耗時(shí)。

近年來(lái)，一部分金屬3D打印機(jī)的發(fā)展集中在升級(jí)為生產(chǎn)級(jí)平臺(tái)，具有多個(gè)激光器、過(guò)程監(jiān)控工具、集成粉末回收和拆箱站。
△熱交換器的設(shè)計(jì)概念

3.產(chǎn)品合格標(biāo)準(zhǔn)。熱交換器制造商在資格和認(rèn)證方面面臨獨(dú)特的挑戰(zhàn)，因?yàn)楸”跉饷芙Y(jié)構(gòu)中的單個(gè)缺陷或針孔，可能意味著按設(shè)計(jì)執(zhí)行或不執(zhí)行的設(shè)備之間的差異。

傳統(tǒng)制造的熱交換器，是根據(jù)隨時(shí)間推移生成的表格和標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)和確定尺寸的。這并不意味著傳統(tǒng)方法制造沒(méi)有痛點(diǎn)，而是標(biāo)準(zhǔn)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(cè)圖）

增強(qiáng)信心

如何做才能加快和簡(jiǎn)化鑒定和驗(yàn)證過(guò)程，并增強(qiáng)對(duì)3D打印熱交換器的信心？這里有一些建議：

-理解缺陷的性質(zhì)和位置，比試圖消除所有缺陷更為關(guān)鍵。例如，有時(shí)會(huì)錯(cuò)誤地將重點(diǎn)放在零件的孔隙率上。需要理解的是，孔隙率不一定會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

-在生產(chǎn)流程中包括深入而強(qiáng)大的工藝程序，例如過(guò)程監(jiān)控、計(jì)算機(jī)斷層掃描、性能、耐用性和疲勞測(cè)試。

-減少3D打印處理流程中的歧義，尤其是在校準(zhǔn)、微調(diào)和不同金屬3D打印機(jī)均一性方面。這很重要，因?yàn)槿绻覀円虬徽紫嗤臉?gòu)建數(shù)據(jù)（材料，幾何形狀，支撐結(jié)構(gòu)，過(guò)程和構(gòu)建參數(shù)），然后在四個(gè)或四個(gè)公司的同一品牌和型號(hào)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(lǐng)域仍具有重大影響。


未來(lái)展望
2018年，全球熱交換器市場(chǎng)容量為180億美元，預(yù)計(jì)到2026年增長(zhǎng)到約300億美元（《財(cái)富》業(yè)務(wù)洞察報(bào)告）。

△3D打印的空氣冷卻器的底視圖

以下列出了五種方法來(lái)幫助增加金屬3D打印的市場(chǎng)應(yīng)用：
1.提高生產(chǎn)率?；诩す獾慕饘?D打印機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)最小壁厚減少2到3倍，這將為新的熱交換器應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。
3.開(kāi)發(fā)新材料?！颁R”的推出，即一種超輕、高強(qiáng)度、導(dǎo)熱、耐腐蝕的材料，可以在高溫下持續(xù)工作。
4.編寫(xiě)3D打印熱交換器標(biāo)準(zhǔn)。特定標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建和實(shí)施，可以幫助熱交換器的鑒定和認(rèn)證。
5.市場(chǎng)教育。整個(gè)3D打印圈都需要一起來(lái)教育市場(chǎng)，并提供準(zhǔn)確的信息。