3D打印轻量化薄壁高温合金热交换器的现状与挑战-aau3d打印

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中提到的，热交换器正在发生变革，下一代换热器与散热器正在来临。

换热器与散热器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用，3D打印用于换热器和散热器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

3D打印轻量化薄壁高温合金热交换器的现状与挑战

HEWAM项目的热交换器

研究进一步，产业化近一步

在3D打印高温合金热交换器方面，典型的要数AddUp，Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM项目，开发的Inconel 718材料热交换器，确保薄壁（<0.5mm）无泄漏和薄翅片（0.15mm）。

通过项目的开发来尝试孵化未来的工业生产前景，项目团队设计了一种带曲率的热交换器外观，这种曲率适合于共形航空航天业中使用的各种表面，双形曲线设计允许其外表与飞机发动机的曲率拟合此外，在设计中考虑了热、流体和机械约束，以使局部几何形状适应功能实现的要求。

热交换器的一个边界条件是油在110℃下进入，环境空气在-50℃下，油的质量流量 [1] 是固定的。空气质量流量由到达HX区域的空气流的动态压力和设备的压降特性决定。目的是通过确保有足够的空气流过HX区域，以消除HX的一个模量的2200W的油循环（32g / s2.4 L / min）。

3D打印轻量化薄壁高温合金热交换器的现状与挑战

HEWAM项目

选择用于设计的材料是Inconel718，Inconel 718合金是含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金，在700℃时具有高强度、良好的韧性以及在高低温环境均具有耐腐蚀性。该材料比铝重3倍以上，并且导电性较低，但是对于增材制造，它表现出更有趣的特性。使用Inconel，团队可以确保实现薄壁（<0.5mm）没有泄漏并实现薄鳍片（0.15mm）的制造。由此依赖，设计具有良好结构的热交换器可以获得与铝制AM外壳相似的质量和性能。

3D打印轻量化薄壁高温合金热交换器的现状与挑战

HEWAM项目中的建模与仿真

3D打印热交换器的挑战来自于需要最大化给定体积的表面积，同时又不损害零件的重量，这使得设计变得非常复杂，而复杂的设计带来了仿真的挑战，并且带来了3D打印文件过大的挑战，整个的CAD几何图形的创建和操作、仿真以及建立打印数据非常耗时。AddUp，Sogeclair和Temisth已经开发了一种特定的方法论，以确保对热量的要求具有机械约束和增材制造的可行性。

另一个需要满足的挑战是，需要确保热交换器内的足够气流具有高传热系数。工程师们考虑到空气温度的变化（从-50°C到+ 25°C）影响其密度。因此，通过增加了通道宽度，以限制空气加速度，从而限制压降。为了保持热性能，翅片的设计具有沿气流的适应性几何形状，以便考虑空气速度和通道尺寸的变化。整个的热交换器的CAD建模设计需要遵循DfAM增材设计思维规则，并通过机械仿真以检查耐压、泄露等考量因素。

热交换器非常适合通过增材制造的方式来制造，不过一个吸引人的设计本身往往是不够的。根据3D科学谷的市场观察，这其中还包括对传热/流体力学的基本原理的掌握，对热流体模拟仿真和AM-增材制造过程的深刻理解和结合，这是取得令人信服的竞争性结果所必需的。

HEWAM项目进行了CAD，CFD（计算流体力学）的迭代和机械仿真，然后又通过AddUp Manager软件确保3D打印制造过程的可行性，3D打印的准备包括：零件构建方向选择、支撑设置、激光策略、过程模拟仿真等。

仿真与优化结合在几个方面进行：局部优化带有细鳍的通道；中尺度优化不同的鳍模式和不同大小的通道。还包括使用曲面形状进行宏观优化，以实现更好的系统集成。

HEWAM项目的意义在于商业化的潜能，航空航天工业具有广泛的热学应用，包括空调，制动冷却系统，以及用于电子的嵌入式冷板，发动机热管理等。在未来，随着飞机电气系统，电动机热学系统热量的增加，为了确保轻型设备的性能，将需要越来越多的热交换定制解决方案。

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