根据3D科学谷的市场研究，Unison Industries正在开发一种新型的热交换器，这种热交换器包括第一流体入口的第一歧管和限定第二流体入口的第二歧管。

这是一种形状十分复杂的热交换器，其中，第一组双曲线流动通道包括一组分叉流动通道，其中包括多个鞍形点，在该鞍形点处，该组第一分叉流动通道中的两个沿着一个平面渐近地会聚，然后在正交平面上渐近地发散。第二组双曲线流动通道与第二流体入口流体连通。

第二组双曲线流动通道也包括一组分叉流动通道，其中包括多个鞍形点，在该鞍形点处，该组第二分叉流动通道中的两个沿着一个平面渐近地会聚，然后在正交平面上渐近地发散。第一分叉流动通道的至少一部分和该组分叉第二流动通道的至少一部分交织在一起。

根据3D科学谷的市场研究，Unison Industries所开发的这款热交换器是设置在飞机的航空电子设备底盘中。不过其设计原理理论上可以在任何需要或利用热交换器或对流热传递的环境中具有普遍适用性，例如在飞机的涡轮发动机内。此外，还可以拓展到非飞机的应用领域，以及其他移动应用和非移动工业，商业和住宅应用。

其设计的核心理念是通过复杂的几何形状提供了多达50％或更多的散热效率。此外，双曲线，分叉和相互缠绕的几何形状提供更大的传热系数，不仅改善了热交换器的效率，同时使压力损失最小化并改善了传热系数。

无疑，3D打印是实现复杂形状制造的绝佳技术。热交换器可以通过增材制造来制造，例如直接金属激光熔融技术或直接金属激光烧结技术。通过增材制造可以快速准确地制造设计中的阻挡结构。此外，可以将阻塞结构图案化为与特定热交换器组件所需的一样大或小。

类似地，通道的非水平取向可以在增材制造期间提供有效的粉末排空，并且可以最大化构造质量和最小化表面粗糙度。除此之外，还可以改善强度，格子结构或准格子结构在热交换器内提供了改进的强度。另外，具有正交定向的多组分叉流动通道也为热交换器提供了改进的结构完整性。

 3D科学谷Review

在飞机的热交换器的制造方面，可以说市场上已经存在不少案例。根据3D科学谷的市场观察，这其中包括2015年3D Systems公司与America Makes、霍尼韦尔公司、宾州创新材料加工中心的合作，他们与美国空军研究实验室（AFRL）签订了一项价值130万美元的新合同，3D Systems公司的选择性激光熔融技术将用于先进的飞机热交换器制造。当时3D Systems称这将彻底改变喷气发动机的制造，同时还将进一步将3D打印技术带入换热器市场，这是一个数十亿美元的市场机会。3D Systems公司不仅为美国空军提供创新的、高性能热交换器，而且将提供部分强度、耐压性和性能等方面的重要数据。

3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中提到热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面，这不仅仅取决于3D打印设备，材料的价格，还取决于工艺质量是否能够达到一致可控，以及标准与认证的完善，而最重要的是如何从设计端获得以产品功能实现为导向的正向设计突破。

参考资料：US10107555B1heat_exchanger_assembly_unison_industries

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菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）与McMaster大学建立了一项合作，目标是设计一种新的铝制汽车散热器，使得通过3D打印技术实现的汽车热交换器可以比FCA集团生产的汽车中使用的汽车热交换器更轻，并且还可以保证其性能。

为了将新的设计能够无缝衔接到生产中，FCA汽车集团从设计、计算机模拟、生产参数优化、实际生产以及实验和过程分析方面都进行了研究。继续上期轻量化汽车热交换器的建模与仿真，菲亚特克莱斯勒的3D打印探索 （上）以及轻量化汽车热交换器的建模与仿真，菲亚特克莱斯勒的3D打印探索 （下）的话题，本期来聚焦建模完成后，金属3D打印的方方面面。

为了配合粉末床金属熔化技术，汽车热交换器的建模还需要注意构建方向，从而避免在金属3D打印过程中支撑结构的需要。

3D打印过程完成后，为了更深入地验证该技术的适用性，通过Keyence电子显微镜对点阵结构和管状设计进行分析来确定3D打印机是否真正遵守了最小厚度设置。结果发现3D打印过程为热交换器部件带来良好尺寸和表面精度。

粗糙度的分析是通过奥地利Alicona Infinite Focus的表面粗糙度仪完成的，通过Alicona Infinte Focus显微镜下的分析，可以评估各种组件的表面粗糙度。而粗糙度Ra对于散热器部件非常重要，可以作为散热器液压和气压损失的基本参数。

然而应该注意的是，表面粗糙度的增加可以有利于对流换热，因为它决定了更大的交换表面和更大的流体容量。所以这种类型的粗糙度对于需要最大化对流热交换的应用是有用的。

通过测试热交换器部件的几个表面Ra值，并且已经注意到与激光能量密度值之间的某种关系。不过，这些部件中的一部分进行喷砂后处理，与原来刚刚3D打印完成的部件相比，表面粗糙度降低了40％。

图：显微镜下的表面粗糙度分析

为了评估各种部件在加工过程中的一致性，还进行了显微镜下的特定分析。

分析发现金属粉末在熔融过程中形成了两类微结构：第一类在熔融的中心区具有相当均匀的微观结构，第二类在熔融边缘由较粗微结构组成。

结果证实了在固化AlSi10Mg方面，通过3D打印所获得的机械性能优于铸造厂生产的铝。

图：熔池的侧视图，用数码显微镜拍摄的照片

图：从顶部看到的熔池，显而易见的是激光在不同层面上行进的方向

从尺寸，表面和微观结构的观点来看，结果令人满意，实现了既定的目标。通过粉末床金属熔融技术，尺寸可以达到点阵结构的最小直径，激光器直径的数量级（0.1毫米），具有可比较的表面质量和机械强度。

这使得通过金属粉末床熔融技术可以获得比传统方式所能制造的更轻的热交换器，3D科学谷了解到由于点阵结构的存在从而保持了广泛的热交换表面，可以获得较高的热交换器表面/体积比，其值高于FCA热交换器，因此可以减轻相同性能的热交换器重量。

从表面质量的角度来看，可以通过设置打印机的正确曝光参数来评估可获得的粗糙度的类型，从而使可以自由地改变粗糙度并优选热交换设置。

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菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）与McMaster大学建立了一项合作，目标是设计一种新的铝制汽车热交换器，使得通过3D打印技术实现的汽车热交换器可以比FCA集团生产的汽车中使用的汽车热交换器更轻，并且还可以保证其性能。

为了将新的设计能够无缝衔接到生产中，FCA汽车集团从设计、计算机模拟、生产参数优化、实际生产以及实验和过程分析方面都进行了研究。本期继续上期轻量化汽车热交换器的建模与仿真，菲亚特克莱斯勒的3D打印探索 （上）的话题：汽车热交换器轻量化之路（下）。

 与普通百叶窗式热交换器相比，金属泡沫材料呈网状结构，倾向于呈现规则的几何形状。铝泡沫结构的一个常见形式是截头八面体的形式，而区分铝泡沫的基本维度由每立方厘米孔隙（或基本胞元数量）的密度表示。

尽管这些泡沫结构具有比百叶窗几何形状更低的β比，但它们仍具有更大的热流体动力学效率，同时改善了热交换和压力损失。铝泡沫样本是一个拓扑优化研究的方向，在3D打印增材制造中很常见。

在Autodesk Netfabb软件库中调用不同的胞元几何形状，还可以改变这些胞元结构的基本参数，例如杆的厚度和单元的密度。3D科学谷了解到对于这些几何形状，研究小组还使用了ANSA CAE BETA软件用于将这些新的几何图形进行网格划分，在这里使用不同类型的网格的方案：均匀网格、非均匀网格和层网格。

通过Ansys Fluent来计算各种结构CFD模型中的压力损失和热交换情况。在相同的重量下，某些几何形状在热流体动力学性能方面优于其他几何形状。从结果可以看出，空气侧压力损失的增加与模型内材料的密度成正比，3D科学谷了解到事实上，具有更致密的网状结构的几何形状阻碍了空气的通过，产生了局部重要的压力跳跃，增加了总体损失。

项目组还注意到由于流体的行为，通过撞击网状结构产生强烈的湍流并导致流体在金属周围迅速混合。这导致对流换热的增加，从而不利于由边界层分离引起的压力损失。使用Ansys Post CFD3.5进行CFD模拟的定性结果优化几何结构，根据以前的分析，可以检测被检测几何结构的热流体动态性能。

项目组专注于表征点阵结构的其他尺寸的分析，例如每平方厘米的胞元密度和结构棒的直径。使用意大利Esteco公司的modeFRONTIER软件可以显着缩短分析时间并优化新的设计。

modeFRONTIER是一个优化器，3D科学谷了解到这个软件将数字技术、试验设计、智能推理、设计探索以及统计学等知识有效结合，很好的实现了CAE等软件产品的自动化操作、参数研究的DOE设计、产品性能以及成本的最优分析等，大大缩短产品的设计周期，并能提高产品质量和产品可靠性。

此外，胞元填充方面，项目组还尝试了nTopology Element软件，通过将设计CAD模型导入到Element中，在这里通过创成式算法来完成复杂的设计。

Element的功能建模涉及到通过设计算法和设置参数来实现的矢量模型，参数可由用户设置。例如，可以通过沿着网格表面来设置特定函数来创建晶格、肋或细胞结构。3D科学谷了解到设计工程师除了Element软件中自带的调用元素，也可以通过规则生成器工具创建自己的矢量单元和定义功能。通过规则生成器工具可以绘制横梁和面以创建属于自己的胞元结构。

得益于所有这些CFD模拟，可以更详细地了解不同结构的行为，并与供应商在FCA热交换器上进行的测试进行直接比较。

最后，通过Ansys的CFD-Post可以定性评估散热器各个点的压力和温度条件，以便能够解释热交换器各个区域中的热流体动态交换行为模型。

最后，所有的模拟结果都在Excel中列出，并且为了进行一般比较，已经考虑了以下因素：

- 通过热交换器的空气速度（m / s）

- 空气侧压力损失（Pa）

- 冷却液流量（Kg / s）。

- 压力损失冷却液侧压力（Pa）。

- 温度出口空气侧压力（°C）。

- 温度出口水侧温度（°C）。

- 重量（Kg）。

利用众所周知的流体动力学公式，对于每个模型都可以追踪总热交换和热交换系数。再次注意到，随着网状结构的密度增加，压力损失和热交换增加。而且，在制冷剂侧，管道厚度的增加对应于通道部分的减小，并因此导致相当大的压降。

最后，选择了四种不同几何形状的点阵胞元结构用于3D打印。关于3D打印过程中需要注意的细节，3D科学谷将在后续的文章《轻量化汽车热交换器的3D打印过程，菲亚特克莱斯勒的探索 》中进行详细介绍，敬请持续关注。

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而3D打印在推动散热器结构复杂化方面将扮演重要的角色，其应用的关键不仅在于复杂结构的建模能力，还在于需要熟悉电子散热仿真软件。

图片：Plunkett Associates项目组利用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics) 软件对散热片建模模型进行了模拟计算，分析了空气流量特性及相关的传热特性。

电子产品散热器设计与制造建立在工程学、材料学、电化学、传热学等多学科领域基础之上，要求结合电子产品产热机理，从经济合理性、技术可行性、实用性等方面对散热方案进行最优的设计。散热器散热效果好坏受散热材料、散热面积、结构设计、散热技术应用等因素综合影响，也与产品生产及精加工工艺水平高低密切相关。

电子产品散热技术主要指外部热设计的方法、方式和技术，涉及与传热有关的散热或冷却方式、材料等多方面内容，目前应用较多的电子产品散热技术主要有空气冷却技术、液体冷却技术、射流冲击冷却技术、相变冷却技术、热管传热技术、微通道传热技术、热电制冷技术等。

良好的散热解决方案及散热产品设计除了有效降低电子产品整体造价外，也可以延长电子产品寿命、降低故障率，因此节约了后期维护的费用，这些都有利于降低电子产品实际使用成本。

根据3D科学谷的市场研究，3D打印技术尤其是选择性激光熔融技术正在帮助散热器实现更为复杂的几何形状，在建模过程中，可以通过热建模软件来进行模拟。 例如Mentor Graphics公司的FloTHERM软件或者是ANSYS的Icepak软件。

- Mentor Graphics公司令人耳熟能详的是其FloTHERM® XT 软件，是业内首个结合MDA-EDA的电子散热仿真解决方案—从概念阶段贯穿详细设计—能显著缩短产品设计时间。这个解决方案能满足当今电子产品的挑战和复杂几何的两大趋势。

电子行业面临的挑战是由日趋增长的工作速度、功率密度，IC、PCB和电子系统功耗所驱使。而几何体复杂度的增加是由于尺寸的减小和受工业设计影响的增加，这需要处理复杂形状。FloTHERM XT 技术有效地结合机械设计自动化MDA和电子设计自动化EDA以及针对设计工程师和热学专家的需求。

- ANSYS Icepak 提供强大的电子冷却解决方案，利用业界领先的 ANSYS Fluent 计算流体动力学 (CFD) 求解器对集成电路 (IC)、包、印刷电路板 (PCB) 和电子组件进行热力和流体流动分析。ANSYS Icepak CFD 求解器使用 ANSYS Electronics Desktop (AEDT) 图形用户界面 (GUI)。这为工程师们提供了一个以 CAD 为中心的解决方案，使他们可以利用易用的功能区界面来管理与ANSYS HFSS、ANSYS Maxwell 和 ANSYS Q3D Extractor 相同的统一框架内的热力问题。在此环境中工作的电气和机械工程师可享受完全自动化的设计流程，能够将 HFSS、Maxwell 和 Q3D Extractor 无缝耦合到 Icepak 以进行热力分析。

工程师可以依靠 Icepak 为从单个 IC 到包和 PCB 再到计算机外壳和整个数据中心的各种电子应用提供集成电子冷却解决方案。Icepak 求解器执行传导、对流和辐射共轭传热分析。它具有许多先进的功能，能够模拟层流和湍流以及多类型分析，包括辐射和对流。Icepak 提供了一个庞大的风扇、散热器和材料的库，为日常电子冷却问题提供解决方案。

–—- 3D科学谷Review

电子器件发热元件的冷却对电子器件的性能起到关键作用，电子元件在安全温度下有助于维持长期的使用寿命，避免产生早期产品故障。当前，实现这种冷却的首选方法是通过自然对流的空气流动带走电子器件的热量。这种方法成本低，维护简单，无噪音。

然而，自然对流的方法亦有其局限性，其限制因素是它的冷却极限，当对冷却要求比较高的时候，局限性就显现出来了。

要突破这一局限性，就需要对散热元件的结构加以改进，热对流通过散热器或散热片来实现，这些元件的特点是表面积大，且由高导热材料如铝或铜制成。当电子元器件变热，对流传导快速带走热量。

自然对流的成功在很大程度上取决于散热片的散热能力，并将其移到周围的空气中。设计有效的散热片是一个仔细平衡相互矛盾的因素过程，其中包括需要增加空气流量和表面面积，同时减少压力损失和制造成本。

如果散热元器件可以通过优化高导热材料的几何形状，增加空气流量和表面面积，同时降低生产成本，那么更多的电子产品就可以通过自然对流冷却，而不是诉诸更昂贵和复杂的方法。

选择性金属熔融技术通过将金属一层一层铺粉，带来制造产品几何形状的自由度，而几何形状的自由度带来散热元件更高的表面积密度效率，电子设备性能越来越强大，热负荷也越来越大，需要尽可能有效地散热降温。通过选择性激光熔融3D打印技术来构建复杂的几何形状在电子器件发热元件的冷却方面存在许多待开发的潜在应用空间。

在这一领域，美国橡树岭国家实验室和田纳西大学的研究人员还发现，通过采用一个简单的退火过程，并使用建模设计算法，制造商可以通过3D打印散热片以替代传统制造的散热器。

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