清粉，正在卡住增材制造热交换器的脖子

近日，一家为增材制造零部件提供表面后处理技术的公司REM表面工程，凭借选择性化学疏通技术获得了AMUG技术竞赛的优胜奖，他们的参赛主题为：打破粉末壁垒：“选择性化学疏通技术实现真正自由的增材设计”。

这一后处理技术受到业界的关注，折射出当增材正制造技术应用迈出快速原型真正走向零部件批量生产，从增材制造工艺本身到残余粉末清除等后处理工艺，一切都要向质量合格、质量稳定性看齐。

本期，3D科学谷将分享REM表面工程带来的化学工艺的清粉后处理在增材制造热交换器中的应用，并借此盘点一下清粉后处理技术的现状及发展，以及它们对增材制造热交换器等产品带来的设计约束。

为什么后处理会影响增材制造设计？

根据3D科学谷的了解，REM表面工程的选择性化学疏通技术是一种可直接投入生产的化学工艺。

为什么将这一后处理技术描述为能够实现真正自由的增材制造设计呢？

这是由于该技术旨在解决阻碍粉末床金属增材制造工业应用最顽固的瓶颈之一：封闭的内部通道中残余粉末难以清除。

我们以增材制造热交换器应用为例，解释一下为什么这是金属增材制造应用最顽固的瓶颈之一。

增材制造技术之所以受到航空航天、核工业、医疗器械等多个高端制造领域的重视，其中一个重要的优势是制造功能集成的一体化结构。以增材制造热交换器为例，内部集成TPMS等复杂结构，在有限空间内带来更大表面积，有助于突破热交换器的散热极限。

REM表面工程展示获奖技术

来源：AMUG

然而在应用中，为规避内部封闭通道中的粉末清除难题，设计师往往需要被迫做出多重妥协。

比如说，设计师不得不修改原本最优的几何构型，以有限的清粉能力为约束条件，导致换热性能低于理论极限。例如，增大通道直径从而避免堵塞。 研究表明，通道直径越小，粉末清除越困难，传统喷砂方法对小直径通道的作用极为有限。 这直接限制了微通道等高密度换热结构的探索。

有的设计妥协方式是，引入额外的清粉路径，如添加清粉孔或增加可触及性特征，这些修改增加了潜在的泄漏风险和组装工序。还有的方式是为承受清粉过程中的外力作用，原本可进一步减薄的壁厚被迫保持一定厚度，从而增加了重量。

无论哪种方式，都在一定程度上削弱了增材制造为热交换器设计优化带来的优势。

根据AMUG和REM表面工程的公开报道，选择性化学疏通技术，能够选择性地去除金属粉末床熔融部件中全封闭内部流道内的顽固烧结粉末，同时不会破坏关键的薄壁结构，避免薄壁和流道中的材料损失。

通过高分辨率X射线CT分析验证，该技术实现了近乎完全的粉末去除，保持了结构完整性，并恢复了基于三周期最小曲面（TPMS）复杂结构的热交换器中的功能性流道。这也是该技术能够拓展高性能热管理系统可行的设计空间的原因。

增材制造热交换器剖面图

来源：REM表面工程

清粉后处理难在哪里？

接下来，我们仍以增材制造热交换器为例，看一下后处理清粉难，难在哪里。

首先是增材制造热交换器的优势之一是集成了复杂内部通道。但是对于清粉后处理而言，这就反而变成了一种阻碍，复杂内部几何结构的可达性为清粉工作带来了限制，当通道直径低于特定阈值、含有急弯、盲孔或非支撑悬垂结构时，粉末的完全清除变得极其困难甚至不可能。

再一个难点是增材制造金属粉末烧结过程带来的。烧结过程中困在封闭通道内的未熔化粉末经历多次热循环后会发生部分烧结，形成坚硬的板结块，传统物理振动或流体冲刷方法对此类顽固化粉末效果不佳。

还有一点是热交换器追求轻量化和高效传热，其壁厚通常极薄，而强力清粉过程中存在损伤关键薄壁区域的风险。

主流清粉技术有哪些？

业界为了清除增材制造内部封闭流道中的残余粉末找到了不少解决方案，各有利弊。

“3D科学谷白皮书 解析

各种后处理技术对于增材制造零部件设计自由度的约束程度，很大程度上取决于是否依赖物理可达性。

比如说压缩空气、超声波、干冰喷射这几种都是粉末清除的物理方法，无论介质是气体、液体还是固体颗粒，它们的清粉能力都受制于介质能否在几何空间内到触达粉末位置。这类技术普遍存在视线限制、能量衰减或冲击死角等问题，迫使热交换器设计必须在通道直径、弯曲度、盲端等方面做出明显妥协，设计自由度相应被压缩至较低水平。

除了这些物理方法之外，另外两类不依赖介质直接冲击的技术。机械振动/离心技术通过多轴运动使粉末在重力与惯性作用下自然流出，不依赖介质直接冲击，因此在自动化程度与设计自由度之间取得了较好平衡，成为当前工业应用的主流方案。

而化学溶解技术则跳出了物理可达的框架，依靠自限性化学反应选择性去除粉末，几乎不受几何形状限制，REM表面工程的获奖提案中介绍的正是这类技术。不过该技术目前仍面临设备投入高、材料配方专用等门槛，在短期内更适合高价值、极端复杂结构的热交换器应用场景。

变化中的设计边界

当增材制造从快速原型走向零部件的批量生产，清粉后处理正在从辅助工序升级为决定应用能否落地的重要环节。

对于用户而言，这意味着三个值得关注的趋势：

首先是，清粉技术正从通用工具走向与材料、结构深度绑定的专用方案。

其次，为清粉而设计的边界正在被重新定义。许多此前因清粉难题而被认为不敢设计的复杂结构，值得重新评估其可行性。

最后，清粉能力将日益成为衡量企业增材制造竞争力的关键维度。建议用户在设计早期即纳入清粉考量，根据应用场景匹配技术路线。同时，以工业CT等手段建立可靠的验证闭环，在成本与风险之间做出合理权衡。

随着清粉技术的发展，定期审视“不可设计”的边界，或许正是与竞争对手拉开差距的抓手。

参考资料

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