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。

本期，3D科学谷与谷友一起来通过案例领略热交换器的市场探索者在推进3D打印产业化的道路上所作的努力和需要克服的挑战。

HEWAM项目的热交换器。来源：TEMISTh

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 / s〜2.4 L / min）。

HEWAM项目。来源：TEMISTh

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。

HEWAM项目中的建模与仿真。来源：TEMISTh

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。

3D科学谷在《3D打印与换热器及散热器应用2.0》白皮书中，对热交换器/散热器的设计、打印技术、打印材料，以及计算流体力学分析在实践中的应用进行了深入分析，白皮书可通过下方延伸阅读进行阅读，或前往3D科学谷产业链QQ群（群号529965687）群文件或至formnext深圳展会官方网站下载白皮书高清pdf 文件-完整版。

名词解释：质量流量 [1] 是指单位时间里流体通过封闭管道或敞开槽有效截面的流体质量。单位：kg/h,kg/s。和体积流量（单位时间流体通过的体积）对应，可以表示为体积流量和流体密度的乘积。质量流量法主要分为直接法和间接法。

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3D打印的热交换器。来源：TEMISTh

 设计、仿真、制造的经验结合

AddUp，Sogeclair和TEMISTh成立了HEWAM项目，这个项目旨在开发一种发挥3D打印-增材制造的所有潜力的换热器。

这个项目是基于AddUp与Sogeclair拥有一家叫做PrintSky的合资公司实现的，这家合资公司是一个孵化器，致力于为航空，航天和国防工业孵化面向未来工业生产的金属增材制造项目。

而项目的另外一个合作方TEMISTh则是专注于通过增材制造开发定制的热交换器解决方案的一家公司。凭借其在散热问题上的专业知识和技能，TEMISTh支持来自多个领域的公司开发从概念到概念验证的创新项目。

目前，HEWAM项目开发了一种共形的热交换器，双形曲线设计允许其外表与飞机发动机的曲率拟合，如下图所示。

此外，在设计中还考虑了热，流体和机械约束，以优化热交换器的设计。

未来，随着飞机电气系统的增加，电动发动机或热系统APU的恢复将需要越来越多的定制化热管理解决方案，以确保实现轻量级设备的性能。

热交换器的一个设计背景是油在110℃下进入，环境空气在-50℃下，油的质量流量 [1] 是固定的。

为该设计选择的材料是Inconel 718，这种材料比铝重3倍以上并且导电性较差，但是对于增材制造而言，使用Inconel合金，可以确保薄壁（<0.5mm）无泄漏和薄翅片（0.15mm）的制造。从而这种具有良好结构的热交换器可以获得与铝热交换器相似的质量和性能。

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，以便调节空气速度和通道尺寸的变化。

而在3D打印过程中，通过AddUp Manager的软件确保制造的可行性，软件的功能包括：

• 零件定位选择
• 支撑设置
• 激光扫描策略
• 加工过程模拟仿真

最后，在FormUp 350上3D打印了三个热交换器。

根据3D科学谷的市场观察，这种热交换器的设计优化主要通过两方面来进行：内部对具有薄鳍片的通道进行局部优化；外观上以弯曲形状进行宏观优化，以实现更好的系统集成。

 3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，面向下一代的热交换器制造，不少公司已经进行了战略性的布局，其中2019年GE宣布与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器，在两年半内完成开发计划，实现更高效的能量转换和更低的排放。GE希望新型换热器将在超过900°C的温度和高于250 bar的压力下运行，超临界CO2动力循环的热效率提高4％，在提高动力输出的同时减少排放。

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。更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与换热器及散热器应用白皮书》。

名词解释：

质量流量 [1] 是指单位时间里流体通过封闭管道或敞开槽有效截面的流体质量。单位：kg/h,kg/s。和体积流量（单位时间流体通过的体积）对应，可以表示为体积流量和流体密度的乘积。质量流量法主要分为直接法和间接法。

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