生活中使用的許多電器或機(jī)械設(shè)備都依靠傳熱裝置來保持能量和熱量的平衡，以確保設(shè)備運(yùn)行順暢，例如空調(diào)、冰箱和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等，這些傳熱裝置就是熱交換器。通常，熱交換器在兩種流體之間傳遞熱量：液 – 液，液 – 氣或氣 – 氣。

盡管熱交換器的應(yīng)用非常普遍，但是受限于制造技術(shù)，熱交換器的設(shè)計(jì)迭代也受到了限制。傳統(tǒng)的熱交換產(chǎn)品通常由焊接在一起的薄片材料制成，在這種制造方式下，如果設(shè)計(jì)的復(fù)雜性上升就將使得生產(chǎn)充滿挑戰(zhàn)性，并且非常耗時(shí)，而且用于焊接工藝的材料也增加了部件的整體重量。傳統(tǒng)制造工藝在制造緊湊而復(fù)雜的熱交換器產(chǎn)品方面的能力是有限的。

然而，增材制造/3D打印技術(shù)為熱交換器產(chǎn)品重塑帶來了新的可能性。本期，分享一家從事3D打印熱交換器開發(fā)的企業(yè)-Conflux，通過他們所開展的一些工作以及使用的一些方法，一起了解粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)在重塑汽車熱交換器中的價(jià)值與潛力。

熱交換性能的提升

Conflux Technology 是一家從事熱和流體工程的企業(yè)，Conflux 正在使用粉末床熔融金屬3D打印技術(shù)制造創(chuàng)新型汽車熱交換器。他們開發(fā)了一種新型高效熱交換器ConfluxCore。Conflux 通過EOS 的金屬粉末熔融設(shè)備制造了 ConfluxCore 原型，打印材料為鋁AlSi10Mg。

在設(shè)計(jì)ConfluxCore時(shí)，設(shè)計(jì)師利用3D打印技術(shù)為設(shè)計(jì)帶來的自由度，最終開發(fā)出輕量化的熱交換器。3D科學(xué)谷了解到，Conflux在熱交換器開發(fā)中使用了一系列工具，包括計(jì)算流體力學(xué)（CFD），非線性熱機(jī)械有限元建模（FEA）和EOS的增材制造軟件工具套件。計(jì)算流體力學(xué)提供了流動(dòng)可視化和性能預(yù)測，非線性熱機(jī)械有限元建模用于理解合成位移和應(yīng)力，EOS的增材制造軟件工具套件用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，流程優(yōu)化和質(zhì)量保障。

ConfluxCore 3D打印熱交換器的開發(fā)過程在六個(gè)月之內(nèi)?，F(xiàn)在他們已經(jīng)使用3D打印設(shè)備制造出6個(gè)熱交換器原型，用于驗(yàn)證，并以此來開發(fā)最終的熱交換器產(chǎn)品。

Conflux 公司將 ConfluxCore熱交換器與方程式1基準(zhǔn)測試進(jìn)行了比較，Conflux和Young Calibrations（測試實(shí)驗(yàn)室）發(fā)現(xiàn)，熱交換器的排熱性能比傳統(tǒng)熱交換器高三倍。

排熱性能提升主要?dú)w功于通過3D打印制造的復(fù)雜內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使得熱交換器在不增加體積的情況下，增加了表面積，與此同時(shí)，3D打印部件的壓降減少了三分之二，交換器的尺寸減小了55毫米，重量減輕了22％。這種功能集成化的設(shè)計(jì)，還減少了熱交換器所需的部件和對焊接的需求。

此外，通過3D打印技術(shù)制造熱交換器還具有靈活性，由于可以在無需模具的情況下實(shí)現(xiàn)金屬熱交換器的直接制造，Conflux 可以根據(jù)用戶的具體用途，調(diào)整熱交換器的大小和形狀，并快速按需制造出新的熱交換器。

Review

3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，由于點(diǎn)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。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，不少公司進(jìn)行了通過點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱的商業(yè)化努力，其中包括HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設(shè)計(jì)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。

而此前，菲亞特克萊斯勒(FCA汽車集團(tuán)）還與McMaster大學(xué)建立了一項(xiàng)合作，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種新的鋁制汽車散熱器，這個(gè)項(xiàng)目的重點(diǎn)就在于應(yīng)用點(diǎn)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(shí)現(xiàn)可觀的減重結(jié)果。這個(gè)項(xiàng)目開發(fā)的帶有點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的3D打印散熱器，比FCA集團(tuán)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。