【3D打印展】3D打印热交换器的现状与挑战

广州国际3D打印展览会新展期定于2020年8月11-13日在中国进出口商品交易会展馆A区举行。邀您关注今日3D打印展新资讯：

        3D打印发展到时至今日，即使是业界从事3D打印十余年的资深厂商，很多人对3D打印发展的现状仍然感到十分迷惑，有的业界人士会说3D打印技术还不成熟，有的会说市场需求不足。

        当然更多的人对3D打印抱有信心和期许，不过当我们一边激动于3D打印的各种奇妙应用，从而心怀畅想的时候，我们更需要践行的态度，将3D打印与应用深度结合起来，让畅想变为现实。

        本期，3D科学谷结合3D打印热交换器的践行者Conflux Technology的发展，与谷友一起来领略3D打印与应用结合之路上的真知来自行动与实践的道理。

▲ 3D打印热交换器

来源：Conflux

        践行

        推动应用进步

        热交换器市场正在快速增长，预计到2026年将增长到约300亿美元。在商业化的3D打印热交换器应用中，来自澳大利亚的Conflux公司的高效、紧凑的热交换器设计已获专利。革命性的热交换技术正在改变航空航天，国防，工业，石油和天然气，汽车和赛车行业的产品和系统性能。

        可以说热交换器非常适合通过增材制造的方式来制造，不过一个吸引人的或创成式式的设计本身往往是不够的。Conflux的经验证明，对AM-增材制造设计（DfAM）的深度了解是关键，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。

        根据Conflux，将AM-增材制造和热交换器结合在一起时存在的基本注意事项：

        l 换热面积的重要性

        这仍然是热交换器性能的首要原则，从首要原则出发，设计工程师自然地旨在最大化给定体积的表面积，同时又不损害零件的重量。在Conflux，通过3D打印制造的热交换器零件通常以性能已知的现有传统制造的热交换器为基准进行比较。

        l 大量的CAD和数据挑战

        换热面积的重要性意味着为3D打印-增材制造设计的热交换器包含大型且密集的复杂特征。这自然会产生非常大的CAD文件，进而导致产生非常大的STL和AM-增材制造构建文件。这会使CAD几何图形的创建和操作以及建立打印数据非常耗时。

        近年来，硬件开发一直是大多数设备供应商关注的焦点，设备厂商引入了更多的“生产就绪”平台，这些平台配备了多个激光器，过程监控工具，集成的粉末回收等。但是，与此相反，从软件/数据准备的角度来看，能够生产大型且非常复杂的零件的实际考虑尚未得到充分解决。

        根据3D科学谷的市场观察，目前市场上出现了nTopology，Dyndrite等公司在减少与复杂零件设计相关的计算复杂性方面取得了长足的进步，这是应用端非常期待的发展，尤其是在有效生成大型AM-增材制造构建文件的高通量数据处理方面。

        l 质量认证挑战

        在质量认证方面，考虑到有的热交换器用于飞机和汽车这样的安全领域，热交换器在该领域提出了独特的问题，因为单个薄壁气密性结构中的单个关键缺陷/针孔可能是成败之间的区别。这在能够生产具有所需完整性的零件同时又要在散热和压降方面达到最终用途性能目标方面提出了挑战。

        对于大多数选区激光熔化金属3D打印技术-LPBF技术的应用而言，可接受的孔隙率水平较低。对于热交换器而言，情况仍然如此，因为诸如热等静压（HIP）等后处理方法存在将零件内部的结构变形的风险，因此不推荐用于AM热交换器。

        目前，根据3D科学谷的市场观察，Conflux作为3D打印热交换器的践行者很大程度上依赖于其深度的增材制造工艺的掌握，Conflux依靠经验知道如何以调整加工参数的方式获得成功的结果。当然这样的挑战依赖人类的经验并非是最好的解决方式，在走向批量生产的质量认证道路上，加工中设备产生大量的数据，这些数据为人工智能提取深度的理解提供了天然的基础，围绕着几何和材料特性和加工参数，这些加工中的挑战将会被人工智能所解决。

        当然热交换器3D打印完成后通常需要通过铣削等传统加工工艺来生成精密的表面，然而金属3D打印技术制造的往往是传统工艺难以实现的零件，它们具有非常规的复杂形状，这将为后续与其他加工工艺的衔接带来挑战。在这方面机械加工企业GF加工方案与3D Systems打造了工厂自动化的新概念，包括增材制造零件设计软件，3D打印机，材料和自动化材料处理，放电加工（EDM）设备，铣削设备以及其他先进后处理技术。

        此外，为了获得一致性的加工结果，过程监控，计算机断层扫描（CT），性能和耐用性/疲劳测试是不可或缺的，此外3D打印设备的作用不容忽略。特别是在选区激光熔化金属3D打印技术-LPBF设备本身的校准，微调和设置方面。根据3D科学谷对Conflux的市场观察，如果采用一整套相同的构建数据（材料、几何形状、支撑结构和过程/构建参数）并将其构建在四个不同的设备上，往往其加工出来的结果是不同的。

        那么下一步呢？还需要哪些因素可以促使3D打印成为热交换器生产的主要技术。

        * 更快的加工速度

        从根本上讲，对于热交换器的制造来说，目前的打印速度的确不够快，而且生产效率更高的机器的成本很高。虽然增材制造的好处可以证明在许多情况下增加零件成本是合理的。但现实情况是，如果可以实现更高的生产效率，那么能够替代传统加工的热交换器应用的数量就会增加。鉴于此，行业期待生产率的下一步变化，使生产效率提高10倍，而不会因增加资本支出的设备在市场上将有所向披靡的优势。

        * 改进的细节分辨率

        换热面积对热交换器的性能至关重要，因此，毋庸置疑，中型到大型选区激光熔化金属3D打印技术LPBF系统的最小可达到壁厚减小2到3倍肯定会为新的热交换应用打开大门。

        * 新材料

        令人印象深刻的是，诸如Elementum3D之类的公司在开发可用替代热交换应用中铝和铜合金应用的新材料，诸如Unobtanium这样的材料进入到市场，即一种超轻量、高强度、导热、耐腐蚀的材料，可以在高温下稳定运行，将在3D打印热交换器领域引起市场震动。

        * 标准和认证

        如前所述，特定标准的设计和实施将帮助AM-增材制造热交换器的认证和确认，因此可以扩大增材制造热交换器的市场。

        * 教育

        需要继续对市场进行集体教育，并提供正确的信息，以协助决策过程。

文章来源：3D科学谷

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