那么当前3D打印换热器发展到什么样的阶段了？主要面临的挑战是怎样的？本期，3D科学谷分享的案例是关于来自澳大利亚的Conflux在换热器3D打印领域的多年探索。

热交换器类型

© 3D科学谷白皮书

极端条件下表现出色的热交换器

根据3D科学谷，热交换器对设备可以长效稳定运行起到了关键的作用。增材制造-3D打印用于热交换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。

 Conflux的环形超⾼性能热交换器开创技术

基于多年的专注与不断探索，Conflux克服了众多设计和制造挑战，开发了一种新的基础换热器设计。通道⾼度可以很容易地调整，同时确定热交换器的尺⼨（例如降低流动阻力或压降等），提供满⾜不同边界条件的灵活性，从⽽为航空航天、海洋和赛⻋等众多应⽤提供服务。

根据Conflux 各种环形圈应⽤现在都处于有利地位，可以超越⽬前市场上的任何产品。圆形更擅⻓均匀分布压力，因此这种设计的热交换器的结构使其能够在极端条件下表现出⾊，并为实现快速配置和部署的标准化设计奠定了基础。

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通过在通道内添加或减少翅⽚和混合结构来改变表⾯积密度的能力使 Conflux能够微调性能，并且由于将流体供应到热交换器中的管道是圆形的，因此环形设计可以确保整个交换器的流动均匀。

 薄壁挑战

根据3D科学谷的了解，在热交换器领域，AM -增材制造的优势在于能够将热交换器芯和歧管作为单个整体部件生产。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片或板并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术，如果任何这些钎焊接头之间出现故障，都可能导致热交换器出现故障。因此，3D打印所实现的在单个制造过程中生产所有内部结构是有利的。

打造一体化热交换器，其热交换的性能随着壁的变薄⽽提⾼，薄壁允许在不增加阻塞的情况下增加表⾯积，或者在不增加压降的情况下保持表⾯积并减⼩零件尺⼨。薄壁也意味着较低的零件质量，Conflux解决了创建环形换热器的挑战，并找到了各种克服这些挑战的⽅法。更薄、更精简、⾼性能，Conflux通过激光粉末床熔化金属3D打印技术 (LPBF)实现了热交换器微管设计，这是具有数千个管壁厚度仅为⼏分之一毫⽶的管⼦。

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 设计文件处理挑战

不过越是复杂的热交换器越具备极其精细的设计细节，这导致 CAD ⽂件非常⼤，以⾄于计算机总是会崩溃或者需要⻓达五 天的时间才能印出来。

通过创新的CAD建模， Conflux在设计过程中部署了参数化建模⽅法，可以根据边界条件和其他要求进行调整，并实现快速配置。

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其中环形换热器需要可调节以满⾜不同边界条件，Conflux必须找到一种⽅法来开发歧管，该歧管可以将流体从单个⼊⼝连接均匀地分配到通向核⼼的许多环层。解决⽅案 是使⽤了在冷热之间交替的同⼼通道层。

Conflux还提出了一种独特、⾼效的歧管，⽤于 以⾮常均匀的流量分布将流体输送到核⼼，从⽽消除“死区”。⽤于处理⼤型⽂件的定制和简化⽅法使 Conflux能够解决 CAD 程序的限制，同时缩短 从建模、模拟到制造所需的时间。

 产品验证的挑战

根据3D科学谷的了解，虽然通过3D打印所带来的热交换器表面积的增加会提高热交换效率，但是也会带来热交换器的压降。表面积和压降之间的这种平衡是换热器设计人员每天都面临的平衡挑战。

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此外，增材制造带来的最大的挑战往往是在验证和测试阶段，包括如何确保所有的粉末都已从通道中清除，并且所有的壁都已在内部完美地创建。当前有许多无损测试技术，例如用于检查粉末的共振测试或用于检查结构完整性的 CT 扫描。然而，CT 扫描可能是一个昂贵的过程。此外，如果采用 Inconel 等致密材料生产换热器，甚至不可能深入表面几厘米以检查部件的完整性。

仿真是提高产品通过验证的一个有效路径，在本案例中，Conflux通过从其他热交换器的测试中建⽴一个⼤型相关数据库来实现预测的准确性， 然后将该数据带回模拟中以查找结果之间的差异，Conflux的⽅法使 Conflux能够模拟以优化基本核⼼设计，并确保与实际结果密切相关。

 走向批量制造

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。

在本案例中，⽤于批量⽣产的可靠、 一致的零件 环形热交换器成功的关键在于 Conflux能够创建可靠的参数集、3D 打印机的配置说明，以实现 一致的厚度和⽓密结构。

存在的挑战之一是通过 LBPF这种3D打印技术，粉末残留是不可避免的，鉴于圆环的复杂⼏何形状， Conflux需要 找到一种⽅法来完全去除粉末。如果 Conflux不能做到这一点，残留粉末会阻碍 流体流动。

使⽤ Conflux多年来开发的构建参数优化， Conflux尝试了参数挑战和不断的测试，直到 Conflux 成功地可靠地⽣成了极⼩、复杂的⼏何图形。据称，这些参数是必不可少的，没有它们，任何试图制造环形核⼼的公司都⽆法复制 Conflux的结果。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关热交换器增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(上篇)》，《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0（下篇）》。

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3D 打印Conflux Core™热交换器的横截面。来源：EOS

 多方面提升增材制造工艺置信度

在产品质量认证范畴中，有两个容易混淆的概念-资格（QUALIFICATION）与认证（CERTIFICATION），而实际上两者是有区别的。资格是生产认证产品的基础，就增材制造而言，意味着整个增材制造工艺流程（包括系统/平台，工艺和材料）都需要经过一定程度的鉴定，才能生产出符合标准、设计规格和最终用途性能指标的认证零件。

工业革命以来，热交换器在工程系统中具有长期的应用，这意味着传统工艺制造的热交换器的性能和可靠性的置信度很高，而增材制造热交换器所采用的是新兴的制造工艺和创新性的设计方式，这样的新兴工艺需要更多的资格鉴定数据来支持和加速产品的认证过程。

Conflux 面向工业制造中的多个垂直市场制造热交换器，虽不同领域对产品的监管力度不同，但Conflux 始终坚持关注一个问题，单个薄壁气密性结构中的单个关键缺陷/针孔可能关系到3D打印热交换器成功还是失败。

左上方：获得专利的Conflux热交换器设计；右上方：用于表征热机械性能的典型构造。来源：Conflux

Conflux 作为增材制造热交换器的开拓者之一，通过为工业领域提供增材制造热交换器解决方案，对增材制造工艺的资格问题进行了积累和总结。

 稳定性和重复性

质量稳定性和重复性是实现批量生产时所面临的关键问题。Conflux 开发与实施了经过实践验证并且功能强大的过程控制，结合特定的几何形状制造方法，为用户提供最大的成功机会。

 CT 扫描的重要性

在很多情况下，通过CT 扫描对3D打印零件进行检测是非常好的方式，但并不一定是必须的。然而，在3D打印热交换器的制造中CT扫描是必不可少的验证工具，该方式能够加快开发周期，并使客户早日确信他们需要的3D打印热交换器没有粉末和严重缺陷。

虽然CT 扫描技术的应用仍存在速度和资金成本等不利因素，但Conflux 认为，对于识别复杂3D打印热交换器中存在的关键缺陷问题这种难度高的任务，CT 扫描技术的应用是利大于弊的。

左上方：重建的CT数据，显示小管的实际表面光洁度；右上方：突出显示严重缺陷的CT切片图像。来源：Conflux

根据3D科学谷的市场观察，Conflux 还借助CT扫描表征和研究与增材制造热交换结构表面光洁度有关的现象，他们使用重建的断层扫描数据来提高预测性能的准确性，并了解最终用途的含义。

 产品测试

以计算流体动力学（CFD）和有限元分析（FEA）形式进行的模拟是AM热交换器开发的重要工具，但是仿真模拟是无法完全替代实际产品测试的，换言之，经验数据的重要性对于增材制造热交换器获得认证仍然至关重要。

3D科学谷了解到，Conflux 采用了一系列物理测试，通常包括以下内容：

• 压力和泄漏测试，其中零件要经受规定的标准压力；
• 量热测试，目的是确定性能特征，例如散热和压降；
• 通过耐久性测试、压力脉动、热循环、冲击和振动，研究耐久性并获得更多的统计置信度。

用于确定Conflux油-水热交换器性能特征的测试装置。来源：Conflux

 材料特性

Conflux的核心重点是为热和流体应用开发增材制造解决方案，他们能够深刻理解材料特性在增材制造技术认证过程中的重要性，因此他们会执行表征工作，为通过增材制造技术实现复杂的几何形状提供支持。

Conflux 通过这些工作的结果，能够激发出标准增材制造合金材料的最大性能，并利用这些数据来优化提升FEA和CFD仿真的模拟精度。

增材制造仍然是热交换器生产的新兴技术，资格鉴定和认证对于促进3D打印热交换器的应用至关重要。包括Conflux 在内的增材制造热管理解决方案提供商、3D打印设备企业、正向设计企业、材料企业正在多方面利用增材制造技术的优势，推动高度复杂热管理问题的解决方案，有关热交换器与散热器的深入应用、技术发展趋势，请前往《3D打印与热交换及散热器应用2.0》白皮书。

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 优化传热技术

GA-ASI与Conflux正在开发的热交换器，为通过金属3D限打印技术制造的新型热交换器，使用了先进的散热解决方案。该热交换器将将应用于GA-ASI 现有以及下一代遥控飞机系统中。根据GA-ASI，增材制造技术将增强热交换器的耐用性并降低制造成本，并为产品设计和功能集成，提供便利性。

Conflux 拥有一支高度创新的工程团队，他们将热传递与设计创造力与增材制造工艺专业知识相结合。Conflux 开发与制造的增材制造换热器的性能，得益于增材制造所实现的高度复杂的几何形状。遥控飞行器系统基本效率的提高需要传热技术的创新，而增材制造热交换器正是能够满足这一创新需求的技术。

据悉，通用原子航空系统公司（GA-ASI）是遥控飞行器系统、雷达以及电光领域的领先设计师和制造商。GA-ASI 的飞行器拥有超过600万小时的飞行，飞行器集成了感器和数据链接系统，能够提供持续飞行所需的能力，从而实现态势感知和快速打击。GA-ASI的MQ-9B SkyGuardian® 遥控飞行器已被澳大利亚国防军采购。MQ-9B 继承了GA-ASI的Predator®系列遥控飞行器持久耐用的优良“基因”。

 3D科学谷Review

GA-ASI 与Conflux 对外披露的信息中并没有涉及增材制造飞行器热交换器的细节。但通过Conflux 以往通过增材制造技术开发的热交换器产品和专利技术，可以了解到他们为热交换器制造领域带来的创新性技术。

在商业化的3D打印热交换器应用中，Conflux Technology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。

《3D打印与换热器及散热器应用2.0》。来源：3D科学谷

通过图中的Conflux与一级方程式（Formula 1）散热对比图，可以看到，Conflux凭借其3D打印热交换器所实现的根本性改进。增材制造工艺让Conflux可以设计出精妙的内部几何结构，在既定的体积上大大提高了表面积，使散热性能提高了三倍，压降减少了三分之二。此外，增材制造工艺还为热交换器实现了紧凑的新型设计，与F1基准相比长度缩短了55mm。与此同时，其重量也减轻了22%。增材制造工艺提供的设计灵活性使产品可放置于车辆内部的最佳空间位置上，并且还可以实现部件合并，从而减少零件的总体数量。将多个子部件集成至单个零件中，可以免除装配时间并减少接头和接缝上的故障点。

Conflux热交换器的出众性能源于只有借助增材制造工艺才能实现的几何结构。高表面密度结合优化的流体通道和3D表面特征，使热交换器具备热交换效率高、重量轻、压降低的出色特性。

Cobra 集成点阵热交换结构的3D打印无人机气缸。来源：雷尼绍

增材制造技术不仅为热交换器的设计优化带来突破的空间，还对机械部件的设计产生影响。根据3D科学谷的市场观察，小型发动机制造商Cobra Aero 制造的集成点阵式热交换结构的3D打印无人机气缸，很好的体现了这一影响。延伸阅读：更好的散热性能、更长飞行距离，3D打印点阵结构赋能无人机发动机气缸制造

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。更多关于换热器与散热器的制造技术及前沿3D打印应用，及换/散热器设计、仿真与优化，激光考虑，材料考虑，后处理考虑，请前往《3D打印与换热器及散热器应用2.0》。

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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。

3D打印的ConfluxCore™热交换器。来源：Conflux Technology

在商业化的3D打印热交换器应用中，来自澳大利亚的Conflux Technology高效、紧凑的热交换器设计已获专利，其出众性能源于只有借助增材制造 (AM)工艺才能实现的几何结构。高表面密度结合优化的流体通道和3D表面特征，使热交换器具备热交换效率高、重量轻、压降低的出色特性。

安装于发动机上的3D打印ConfluxCore™热交换器。
来源：Conflux Technology

诸多性能优势得以在极短的研发周期内实现，这归功于增材制造专业知识中包含的计算流体动力学建模和设计技术。在无需考虑使用模具的情况下，即可同时制造多种变体。

 面临的挑战

作为热力学第一定律的核心，热传递是一种无处不在的挑战。简而言之，热交换器是在两种或多种流体（通常包括液液、液气、气气或多种流体）之间有效传递热量的设备，在空调和汽车发动机等产品中均可发现它们的身影。此类设备的一个实用价值是回收能量，此外，它还有诸多其他价值，是一项具有广泛用途的复杂技术。热交换器的设计和制造方法随着现有技术的发展而不断进步，反过来也同样受到了这些技术的限制。

Conflux的创始人兼首席执行官Michael Fuller在汽车赛车行业担任工程师已有十余年时间。在这一行业当中，热交换器不得不在恶劣的环境下运行。因此，更小巧且更高效的部件就变得尤为重要，但减材制造工艺已经触及瓶颈。

 解决方案

Michael Fuller洞察到了3D打印工艺快速而革命性的优势，并最终将增材制造确定为下一代热交换器的支撑技术。高度复杂的几何结构配合当下最为出色的表面密度，实现了极为出色的热交换性能。如此强劲的性能就蕴藏于十分紧凑的体积之中。这些部件可能对未来的发展产生巨大影响，例如重量更轻的赛车和飞机。当实现功能集成并可同时生产多种变体时，这些基本的发展机会就将得以扩大。Michael Fuller已利用工业3D打印技术着手将这个想法从概念推进至设计，再到原型制造，一步步地实现了产品生产。

ConfluxTechnology分析了工业增材制造业的情况，并在经过技术尽职调查后得出结论，EOS是唯一具备能够满足Conflux远大目标的技术和商业能力的合作伙伴。快速概念验证研发计划完成后，Conflux Core™设计获得了专利。短短6个月内便构建了6 个原型并完成了最终产品研发。

研发计划期间使用了以下几种工具：计算流体动力学(CFD)工具通过流动可视化以及关联后的性能预测补充了热交换器设计迭代。非线性热机械有限元建模(FEA)工具用于分析合位移及合应力，以确保结构完整性。EOS设备拥有一套专用的AM软件工具，用于数据准备、工艺优化和质量保证。这些都是在Conflux Core™热交换器研发期间使用的工具，在航空航天、汽车、石油和天然气、化学加工及微处理器冷却等多种行业中有着广泛应用。

3D 打印Conflux Core™热交换器的横截面。来源：EOS

 成果

热交换器与一级方程式（Formula1）基准进行了比较。位于英国的UKAS认证实验室YoungCalibrations提供官方认可的校准服务以及热流体和部件测试服务，该实验室对Conflux的产品执行了测试。

结果（见下图）证明了Conflux凭借其3D打印热交换器所实现的根本性改进。增材制造工艺让Conflux可以设计出精妙的内部几何结构，在既定的体积上大大提高了表面积，使散热性能提高了三倍，压降减少了三分之二。此外，AM工艺还为热交换器实现了紧凑的新型设计，与F1基准相比长度缩短了55mm。与此同时，其重量也减轻了22%。AM工艺提供的设计灵活性使产品可放置于车辆内部的最佳空间位置上，并且还可以实现部件合并，从而减少零件的总体数量。将多个子部件集成至单个零件中，可以免除装配时间并减少接头和接缝上的故障点。

Conflux与一级方程式（Formula 1）散热对比图。来源：EOS

以Conflux Core™热交换器为基础，ConfluxTechnology已发展成为一家专注于应对散热和流体挑战的增材制造应用公司。来自不同市场的客户和研发合作伙伴同样也让Conflux Technology面临着诸多挑战。公司的研发路线促使其知识产权范围不断扩大，而这也夯实了Conflux Technology的价值主张。

凭借基于AM专业知识的内部设计、计算建模、与EOS的深度合作及其全球领先的平台技术的结合，公司取得了有目共睹的技术成功。

ConfluxTechnology的一个关键优势在于，公司现在能够与客户和研发合作伙伴协同打造卓越的散热和流体解决方案，帮助他们在企业内充分发挥出增材制造的潜力。

内容来源：EOS

 3D科学谷Review

3D打印技术能够实现复杂的点阵结构，由于点阵结构的存在从而保持了广泛的热交换表面，可以获得较高的散热表面/体积比。

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。此外，不少公司进行了通过点阵结构进行散热的商业化努力，其中包括HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器，以及本文所提及的Conflux 新一代高效热交换器。

3D打印热交换器的优势
来源：3D科学谷《3D打印与换热器及散热器应用白皮书》

而此前，菲亚特克莱斯勒(FCA汽车集团）还与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，这个项目的重点就在于应用点阵结构的组合，这些结构带来良好的对流热交换性能，并且可以实现可观的减重结果。这个项目开发的带有点阵结构的3D打印散热器，比FCA集团生产的汽车中使用的汽车散热器更轻，并且还可以保证其性能。

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（上篇）》《3D打印与换热器及散热器白皮书（下篇）》。

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