案例 l 散熱性能提高三倍，壓降減少三分之二，看3D打印如何創(chuàng)新熱交換器

發(fā)布時(shí)間：

2023-01-11 12:45

　　換熱器與散熱器對(duì)設(shè)備可以長(zhǎng)效穩(wěn)定運(yùn)行起到了關(guān)鍵的作用，3D打印用于換熱器和散熱器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢(shì)。特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)。

　　正如3D科學(xué)谷在《3D打印與工業(yè)制造》一書中提到的，熱交換器正在發(fā)生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。

3D打印的ConfluxCore?熱交換器。來源：Conflux Technology

　　在商業(yè)化的3D打印熱交換器應(yīng)用中，來自澳大利亞的Conflux Technology高效、緊湊的熱交換器設(shè)計(jì)已獲專利，其出眾性能源于只有借助增材制造 (AM)工藝才能實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)。高表面密度結(jié)合優(yōu)化的流體通道和3D表面特征，使熱交換器具備熱交換效率高、重量輕、壓降低的出色特性。

安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)上的3D打印ConfluxCore?熱交換器。

來源：Conflux Technology

　　諸多性能優(yōu)勢(shì)得以在極短的研發(fā)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，這歸功于增材制造專業(yè)知識(shí)中包含的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)建模和設(shè)計(jì)技術(shù)。在無需考慮使用模具的情況下，即可同時(shí)制造多種變體。

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　作為熱力學(xué)第一定律的核心，熱傳遞是一種無處不在的挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)而言之，熱交換器是在兩種或多種流體(通常包括液液、液氣、氣氣或多種流體)之間有效傳遞熱量的設(shè)備，在空調(diào)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品中均可發(fā)現(xiàn)它們的身影。此類設(shè)備的一個(gè)實(shí)用價(jià)值是回收能量，此外，它還有諸多其他價(jià)值，是一項(xiàng)具有廣泛用途的復(fù)雜技術(shù)。熱交換器的設(shè)計(jì)和制造方法隨著現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，反過來也同樣受到了這些技術(shù)的限制。

　　Conflux的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ichael Fuller在汽車賽車行業(yè)擔(dān)任工程師已有十余年時(shí)間。在這一行業(yè)當(dāng)中，熱交換器不得不在惡劣的環(huán)境下運(yùn)行。因此，更小巧且更高效的部件就變得尤為重要，但減材制造工藝已經(jīng)觸及瓶頸。

　　解決方案

　　Michael Fuller洞察到了3D打印工藝快速而革命性的優(yōu)勢(shì)，并最終將增材制造確定為下一代熱交換器的支撐技術(shù)。高度復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)配合當(dāng)下最為出色的表面密度，實(shí)現(xiàn)了極為出色的熱交換性能。如此強(qiáng)勁的性能就蘊(yùn)藏于十分緊湊的體積之中。這些部件可能對(duì)未來的發(fā)展產(chǎn)生巨大影響，例如重量更輕的賽車和飛機(jī)。當(dāng)實(shí)現(xiàn)功能集成并可同時(shí)生產(chǎn)多種變體時(shí)，這些基本的發(fā)展機(jī)會(huì)就將得以擴(kuò)大。Michael Fuller已利用工業(yè)3D打印技術(shù)著手將這個(gè)想法從概念推進(jìn)至設(shè)計(jì)，再到原型制造，一步步地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品生產(chǎn)。

　　ConfluxTechnology分析了工業(yè)增材制造業(yè)的情況，并在經(jīng)過技術(shù)盡職調(diào)查后得出結(jié)論，EOS是唯一具備能夠滿足Conflux遠(yuǎn)大目標(biāo)的技術(shù)和商業(yè)能力的合作伙伴?？焖俑拍铗?yàn)證研發(fā)計(jì)劃完成后，Conflux Core?設(shè)計(jì)獲得了專利。短短6個(gè)月內(nèi)便構(gòu)建了6 個(gè)原型并完成了最終產(chǎn)品研發(fā)。

　　研發(fā)計(jì)劃期間使用了以下幾種工具：計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)工具通過流動(dòng)可視化以及關(guān)聯(lián)后的性能預(yù)測(cè)補(bǔ)充了熱交換器設(shè)計(jì)迭代。非線性熱機(jī)械有限元建模(FEA)工具用于分析合位移及合應(yīng)力，以確保結(jié)構(gòu)完整性。EOS設(shè)備擁有一套專用的AM軟件工具，用于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、工藝優(yōu)化和質(zhì)量保證。這些都是在Conflux Core?熱交換器研發(fā)期間使用的工具，在航空航天、汽車、石油和天然氣、化學(xué)加工及微處理器冷卻等多種行業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。

3D 打印Conflux Core?熱交換器的橫截面。來源：EOS

　　成果

　　熱交換器與一級(jí)方程式(Formula1)基準(zhǔn)進(jìn)行了比較。位于英國(guó)的UKAS認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室YoungCalibrations提供官方認(rèn)可的校準(zhǔn)服務(wù)以及熱流體和部件測(cè)試服務(wù)，該實(shí)驗(yàn)室對(duì)Conflux的產(chǎn)品執(zhí)行了測(cè)試。

　　結(jié)果(見下圖)證明了Conflux憑借其3D打印熱交換器所實(shí)現(xiàn)的根本性改進(jìn)。增材制造工藝讓Conflux可以設(shè)計(jì)出精妙的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，在既定的體積上大大提高了表面積，使散熱性能提高了三倍，壓降減少了三分之二。此外，AM工藝還為熱交換器實(shí)現(xiàn)了緊湊的新型設(shè)計(jì)，與F1基準(zhǔn)相比長(zhǎng)度縮短了55mm。與此同時(shí)，其重量也減輕了22%。AM工藝提供的設(shè)計(jì)靈活性使產(chǎn)品可放置于車輛內(nèi)部的最佳空間位置上，并且還可以實(shí)現(xiàn)部件合并，從而減少零件的總體數(shù)量。將多個(gè)子部件集成至單個(gè)零件中，可以免除裝配時(shí)間并減少接頭和接縫上的故障點(diǎn)。

Conflux與一級(jí)方程式(Formula 1)散熱對(duì)比圖。來源：EOS

　　以Conflux Core?熱交換器為基礎(chǔ)，ConfluxTechnology已發(fā)展成為一家專注于應(yīng)對(duì)散熱和流體挑戰(zhàn)的增材制造應(yīng)用公司。來自不同市場(chǎng)的客戶和研發(fā)合作伙伴同樣也讓Conflux Technology面臨著諸多挑戰(zhàn)。公司的研發(fā)路線促使其知識(shí)產(chǎn)權(quán)范圍不斷擴(kuò)大，而這也夯實(shí)了Conflux Technology的價(jià)值主張。

　　憑借基于AM專業(yè)知識(shí)的內(nèi)部設(shè)計(jì)、計(jì)算建模、與EOS的深度合作及其全球領(lǐng)先的平臺(tái)技術(shù)的結(jié)合，公司取得了有目共睹的技術(shù)成功。

　　ConfluxTechnology的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于，公司現(xiàn)在能夠與客戶和研發(fā)合作伙伴協(xié)同打造卓越的散熱和流體解決方案，幫助他們?cè)谄髽I(yè)內(nèi)充分發(fā)揮出增材制造的潛力。

　　內(nèi)容來源：EOS

　　3D科學(xué)谷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(chǎng)觀察，面向下一代的熱交換器制造，不少公司已經(jīng)進(jìn)行了戰(zhàn)略性的布局，其中2019年GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開發(fā)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。此外，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。

3D打印熱交換器的優(yōu)勢(shì)

來源：3D科學(xué)谷《3D打印與換熱器及散熱器應(yīng)用白皮書》

　　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(duì)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。

　　更多信息，請(qǐng)參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《3D打印與換熱器及散熱器應(yīng)用白皮書(上篇)》《3D打印與換熱器及散熱器白皮書(下篇)》。

3D打印技術(shù),增材制造,金屬3D打印

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