3D打印作為第四次工業(yè)革命的典型技術(shù)，正在賦能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自由度，也為熱交換器這樣的產(chǎn)品帶來了產(chǎn)品創(chuàng)新的新空間，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，HamiltonSundstrand通過3D打印提升了陶瓷逆流熱交換器熱效率。

為3D打印技術(shù)特點(diǎn)而重新設(shè)計(jì)

　　典型的板翅式熱交換器通過熱空氣和冷空氣通過通道以便交換熱量。在燃?xì)廨啓C(jī)葉盤冷卻系統(tǒng)中，熱空氣來自發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)，冷空氣流過發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇管道。

　　熱通道和冷通道是相似的，并且每個(gè)通道包括一排冷卻翅片或閉合桿，它們定位在分隔板上以限定每個(gè)通道。典型的熱交換器具有翅片，以限定交替的熱通道和冷通道。組件被放入真空爐中進(jìn)行釬焊。在釬焊過程中，擠壓疊層以迫使片材和翅片在一起。

　　不過當(dāng)溫度超過常規(guī)金屬（例如，低溫材料）的耐溫范圍時(shí)，就需要高溫?zé)峤粨Q器，并且可能需要緊湊的熱交換器。例如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷器，燃?xì)怆姀S回?zé)崞骱凸腆w氧化物燃料電池廢熱回收等，這些都在高溫范圍內(nèi)（T> 800°C） ）。

　　目前廣泛使用的金屬材料，可承受高達(dá)700°C的溫度。包括金屬超合金，例如不銹鋼，Inconel和Haynes合金。而陶瓷熱交換器技術(shù)提供了滿足高溫要求的解決方案，可允許入口溫度高達(dá)900.degree。不過陶瓷熱交換器仍然存在制造限制。

　　Hamilton Sundstrand (UTC聯(lián)合技術(shù)的子公司）通過逐層增材制造技術(shù)來構(gòu)建陶瓷高溫板翅式逆流熱交換器。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，Hamilton Sundstrand采用的是層疊對(duì)象制造（LOM）過程。通過在垂直于板堆疊方向（即，沿逆流平面）的方向上堆疊層壓帶來完成，以形成生坯組件，然后將其燒制以形成整體式陶瓷熱交換器。

為3D打印技術(shù)而設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)。來源：US10415901B2

　　在現(xiàn)有的逆流熱交換器中，全陶瓷設(shè)計(jì)在垂直（即板堆疊）構(gòu)建方向上通過增材制造LOM工藝是不可制造的。由于制造歧管所需的復(fù)雜幾何形狀，包括難以處理每個(gè)帶層中的細(xì)長條帶和有效地提供與各個(gè)逆流通道之間的連接所需的相對(duì)寬的開口。因此，垂直構(gòu)造的逆流芯的歧管必須與芯分開制造，然后機(jī)械連接。這產(chǎn)生了材料界面（例如，金屬/陶瓷界面），產(chǎn)生不希望的熱膨脹和收縮差異。此外，高導(dǎo)熱陶瓷的機(jī)械加工本身是困難且昂貴的。

　　根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，Hamilton Sundstrand通過添加支撐軸向翅片的橫向翅片，構(gòu)建了根據(jù)LOM工藝構(gòu)造的橫流式熱交換器。為了消除整個(gè)組件中的顯著的材料差異和機(jī)械界面，第一歧管和第二歧管組件可以整體地形成。

　　3D科學(xué)谷Review

　　根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，另外一家公司諾思羅普·格魯曼公司(Northrop Gramman Systems)開發(fā)了一種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱交換器，特點(diǎn)是外部管道的極大簡(jiǎn)化，但是這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)的熱交換器通過傳統(tǒng)制造技術(shù)難以構(gòu)建。特別是連接部位的釬焊或焊接是困難的，尤其是考慮到所涉及的材料非常薄，尺寸非常小，并且接縫都必須防漏。然而，通過增材制造技術(shù)（也稱為3D打�。┖苋菀讟�(gòu)建這些結(jié)構(gòu)。增材制造不僅可以替代釬焊或焊接過程，還可以通過增材制造來構(gòu)造熱交換器通道矩陣，在需要大量集管的情況下，通過增材制造來構(gòu)造整個(gè)熱交換器組件 – 包括所有集管成為有效的制造方式。3D科學(xué)谷了解到這其中值得注意的是，通過增材制造，通道不必是直的，整個(gè)熱交換器幾乎可以呈現(xiàn)任何形狀 – 包括彎曲，扭曲，翹曲等形狀。

　　增材制造技術(shù)能夠制造逆流熱交換器中的交替通道，而對(duì)于傳統(tǒng)制造技術(shù)來說這基本是不可能實(shí)現(xiàn)的。交替通道的逆流設(shè)計(jì)提供最大的熱交換器效率，這使得熱交換器的尺寸和質(zhì)量最小化，并且流體流速降低。

　　總之，3D打印開啟了高性能組件的制造新的可能。而在3D科學(xué)谷看來，熱交換器的3D打印目前還處在起步階段，這個(gè)領(lǐng)域的未來充滿了可能性。3D打印的應(yīng)用可以使工程師有更多的自由度實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，突破傳統(tǒng)的加工方式的束縛，為當(dāng)前的零件制造帶來顛覆性的改變。

　　3D科學(xué)谷將在本周發(fā)布的《3D打印與換熱器及散熱器應(yīng)用2.0》-下篇，分享國內(nèi)外機(jī)構(gòu)在3D打印散熱器、熱交換器領(lǐng)域代表性知識(shí)產(chǎn)權(quán)、軟件，換/散熱器設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化，激光考慮，材料考慮，后處理考慮，敬請(qǐng)關(guān)注。