金属3D打印热交换器应用阻碍和前景展望

南极熊导读：金属3D打印技术，在热交换器的制造上，有什么应用潜力和阻碍呢？
澳大利亚Conflux Technology公司是一家设计和工程公司，使用激光粉末床熔融（LPBF）技术，专业3D打印紧凑型高性能热交换器，包括设计、开发、生产、后处理等一条龙服务。并且，得到了德国工业级3D打印龙头EOS旗下的全球3D打印基金AM Ventures的投资。

△Conflux的CTO认为，3D打印热交换器，需要了解DfAM、热传导和流体力学原理以及增材制造过程


金属3D打印技术在过去10年得到飞速的发展，在航空航天和医疗领域的应用越来越多；同时也非常适合制造热交换器。

但是，与传统高性能热交换器的制造方法相比，增材制造仍是一项新兴技术。Conflux的经验表明，3D打印交换器相对具有挑战性。想要成功，需要对DfAM（用于增材制造的设计），传热和流体力学的基本原理，热流体模拟以及增材制造过程的深刻理解。

以下是Conflux在3D打印热交换器中，考虑的三个关键因素：

1.表面积密度。目标是在不损害设计或增加重量的情况下，最大化包装成给定体积的表面积。

通常将产品与传统制造的热交换器进行比较，而不是与3D打印的热交换器进行比较。它带来的竞争挑战是，传统方法生产的特征壁厚，可能比同类最佳的中型和大幅面激光金属3D打印系统所能达到的厚度，薄2到3倍。使得利用增材制造的其他优势更加重要。

2.大型CAD和构建文件。表面积密度的重要性，意味着3D打印热交换器，通常包含大型且密集的复杂特征阵列。结果是产生非常大的本地CAD和构建文件，从而使几何图形和构建数据的创建和操作非常耗时。

近年来，一部分金属3D打印机的发展集中在升级为生产级平台，具有多个激光器、过程监控工具、集成粉末回收和拆箱站。
△热交换器的设计概念

3.产品合格标准。热交换器制造商在资格和认证方面面临独特的挑战，因为薄壁气密结构中的单个缺陷或针孔，可能意味着按设计执行或不执行的设备之间的差异。

传统制造的热交换器，是根据随时间推移生成的表格和标准来设计和确定尺寸的。这并不意味着传统方法制造没有痛点，而是标准和其他指南，一定程度上确立了信心。

△增材制造的双水增压空气冷却器（等轴测图）

增强信心

如何做才能加快和简化鉴定和验证过程，并增强对3D打印热交换器的信心？这里有一些建议：

-理解缺陷的性质和位置，比试图消除所有缺陷更为关键。例如，有时会错误地将重点放在零件的孔隙率上。需要理解的是，孔隙率不一定会对性能产生负面影响。

-在生产流程中包括深入而强大的工艺程序，例如过程监控、计算机断层扫描、性能、耐用性和疲劳测试。

-减少3D打印处理流程中的歧义，尤其是在校准、微调和不同金属3D打印机均一性方面。这很重要，因为如果我们要打包一整套相同的构建数据（材料，几何形状，支撑结构，过程和构建参数），然后在四个或四个公司的同一品牌和型号的金属3D打印系统上，3D打印零件在不同的位置，一致性遇到挑战。证据表明，“圈中的人”在数字制造领域仍具有重大影响。


未来展望
2018年，全球热交换器市场容量为180亿美元，预计到2026年增长到约300亿美元（《财富》业务洞察报告）。

△3D打印的空气冷却器的底视图

以下列出了五种方法来帮助增加金属3D打印的市场应用：
1.提高生产率。基于激光的金属3D打印机仍然太慢且昂贵。需要的是将生产率提高10倍，而又不增加零件成本或机器成本。
2.提高精度分辨率。中型到大型金属3D打印系统，需要把可实现最小壁厚减少2到3倍，这将为新的热交换器应用打开大门。
3.开发新材料。“锑”的推出，即一种超轻、高强度、导热、耐腐蚀的材料，可以在高温下持续工作。
4.编写3D打印热交换器标准。特定标准的创建和实施，可以帮助热交换器的鉴定和认证。
5.市场教育。整个3D打印圈都需要一起来教育市场，并提供准确的信息。