根据3D科学谷的市场观察，尽管较大的工业热交换器仍采用传统的制造技术，但大多数时候，对热交换器及散热器的需求朝向尺寸越来越小，结构越来越紧凑的趋势发展。金属3D打印-增材制造助力实现越来越小巧的热交换器，在更紧凑的设计中找到了越来越多的应用。
本期3D科学谷将分享一个基于增材制造设计优化的热交换器类构件案例。这一案例很好的展示了基于增材制造工艺的热交换类构件设计过程，为热交换器制造企业开发增材制造应用带来一定的启发。
不规则渐
案例所涉及的热交换构件设计项目为欧瑞康公司根据“第一届中国（国际）航空增材制造结构优化设计大赛”的命题-《换热器类构件基于增材制造技术的优化设计》。
根据欧瑞康，该设计优化过程历时3个月并经过了十多次迭代，在确保成产可行性与产品装配尺寸及工作性能的前提下，基于增材制造工艺特点对传统翅片结构散热器进行了全新的设计。迭代循环如下：基于增材制造工艺的产品概念设计——机械设计——效果对比——强度校核——打印可行性评估。
使用的3D建模软件为NX，一些关键部位尺寸设计在粉末床选区激光熔化工艺（L-PBF）技术的可行性基础上参考原始模型的尺寸进行设定。
设计过程
1.原始模型分析
通过分析原始模型，了解散热器的结构组成与工作原理，以及获取新模型设计的约束条件，如装配尺寸、散热腔尺寸、工作液体流道体积以及空气流道体积等信息。
2.散热器组成与工作原理
该原始散热器为板翅型散热器，其结构较为简单，工作液体流道与气体流道成分层交错式分部，流道方向为正交式的流动方向，在液体和气体流道内部均使用了波浪形翅片增加热传递加快散热。气体通道采用一端进一端出的直线型流动方式，液体通道采用的是同侧进出，增加了液体和气体的接触时间。
3.约束条件选取
新设计的模型继承了原始模型的以下约束条件：
a.装配部位的位置尺寸
b.液体流道的进、出流道口截面比例
c.散热腔体的最大尺寸（x,y,z）
优化方法
本产品结合增材制造工艺的特点和产品的功能优化两方面进行设计。新模型的设计主要分为两个部分，一个是重点优化的部位即散热腔体。在新模型中，设计团队保持了空间正交式的流道方向，以及单侧流体进、出流道口。在液体和气体的流道设计上，提高了空间的交错度，相较原始模型缩短了液-固-气三相的热传导距离，并且通过给流道增加一定的波浪形态，在保证流量的同时，增加了介质通过时的接触面积，提升了有限空间内的散热效果。
在完成散热区域的结构优化后，设计团队对壳体外部的剩余结构进行了优化，包括流道口以及装配接口，剩余部位的设计是在散热区域的打印角度确定后进行的，以保证具有较优的可打印度。
优化效果
1.该设计利用了增材制造工艺的优势，用特殊的拓扑结构重新设计了液体和气体流道，新的设计具有以下特点：
a)优化设计后的散热器所有部件为一个整体零件，无需焊机或机械连接，如下图所示：
图D1 散热器整体结构。来源：欧瑞康
图D2 散热器芯体结构。来源：欧瑞康
b)液体流道结构如下图所示：
i.液体流道隔板即是气体流道隔板，大大减少了热量的传导距离
ii.该截面形状保证了气体流道和液体流道几乎是相同的
iii.自支撑结构，无需工艺支撑
iv.优化后的波浪状流道不但增加了散热表面积，同时使得流体流束多次在流道内壁上碰撞，使得散热能力更好
v.流道的每处隔板厚度都是0.3mm，满足工艺要求的同时也满足了强度要求
图D3 液体流道横截面形状。来源：欧瑞康
图D4 液体流道纵向形状。来源：欧瑞康
c)隔板结构：
3mm隔板厚度用做结构支撑、封闭气体流道以及辅助导热。
d)气体流道结构如下图所示：
上层液体流道的下半管壁、下层液体流道的上半管壁以及两侧隔板构成了气体流道。
图D5 气体流道横截面形状。来源：欧瑞康
图D6 气体流道纵向形状。来源：欧瑞康
e)液体进出口及盖板结构
该部分结构在保持原来结构尺寸、满足强度要求和工艺要求的前提下将壁厚由原来的2mm减少到了1.8mm，同时结合流道的设计修改了分割板的结构。
图D7 液体进出口结构。来源：欧瑞康
图D8 盖板结构。来源：欧瑞康
f)装配接口：
在保证装配尺寸和结构强度不变的前提下对装配接口进行了优化，大大减少了体积。
图D9 装配接口。来源：欧瑞康
图D13 打印布局。来源：欧瑞康
相对于原模型，芯体表面积增加了4.83%。
相对于原模型，芯体体积减小了，总体积减小了5.11%。
打印布局简单，非常少的辅助支撑。
强度校准与安全裕度
按照AlSi7Mg材料属性对液体流道和气体流道进行了有限元分析,在分析中对流道施加了10.5 bar的压力。经模拟，液体流道的应力安全裕度值为55，气体流道的安全裕度值为1.4，总安全裕度值为1.4。
1.液体流道分析
a)应力
如图E1所示，由分析结果可知模型最大应力值为4.891MPa, 远远小于材料屈服强度270MPa。
图E1 液体流道分析-应力。来源：欧瑞康
b)变形
如图E2所示，由分析结果可知模型最变形为7.518×10-5 mm，可忽略。
图E2 液体流道分析-变形。来源：欧瑞康
2.气体流道分析
a)应力
如图E3所示，由分析结果可知模型最大应力值为193.5MPa, 小于材料屈服强度270MPa。
图E3 液体流道分析-应力。来源：欧瑞康
b)变形
如图E4所示，由分析结果可知模型最变形为7.396×10-3 mm，可忽略。
图E4 液体流道分析-变形。来源：欧瑞康
更多关于热交换器、散热器增材制造设计、应用相关信息请参考：《3D打印与热交换器及散热器应用2.0》上篇、下篇；《通往3D打印高效热交换器的设计之路》；《近距离了解汉胜开发的3D打印逆流热交换器》；《详解航空燃油滑油3D打印热交换器设计流程》。
白皮书下载，加入3D科学谷QQ群：106477771
网站投稿请发送至2509957133@qq.com
欢迎转载，转载请注明来源3D科学谷，并链接到3D科学谷网站原文。
