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3D打印热交换器的材料选型、技术难点与行业案例

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3D打印所制造的热交换器的换热面积更大、热性能 更优、 重量也更轻,彻底改变了散热器的生产方式。

但需要注意的是,3D打印要实现这些优势,还需要克服一系列的技术挑战,如控制热应力和变形来维持结构完整性;优化表面粗糙度来增强传热和耐用性等。

在本文的案例中,3D打印技术参考将列举覆盖多种材料和行业的应用案例。


3D打印散热器,表面质量很重要

表面质量直接影响金属3D打印热交换器的性能、安全性和使用寿命。

光滑均匀的表面能够最大限度地减少应力集中和裂纹扩展,从而能够降低疲劳失效风险,降低流动阻力,提高热效率和散热能力。此外,表面更光滑还能减少减少污垢和污染物的积聚,不仅能延长换热器的使用寿命,后期维护也更加简单。

3D打印的制造精度极高,可以制造出高性能的热交换器。这些热交换器能够长期保持高效率,已经在航空航天、汽车、船舶、核能、AI算力以及其他工业领域发挥重要作用。


3D打印热交换器常用材料及特点

热交换器通常采用导热性好、机械强度高、耐腐蚀的金属。但除了换热性能,材料的机械性能也存在差异。以下是常用的一些热交换器材料:

1. 316L不锈钢

价格便宜而且耐腐蚀,但强度有限,不适用于高压或高温环境。

2. In718

高温机械性能和耐腐蚀性较好,但成本较高且导热系数较低。

3. AlSi7Mg和AlSi10Mg

重量轻,导热性好,但强度和抗疲劳性较低。

4. Ti-6Al-4V

强度重量比高,耐腐蚀性好,但价格相对较高,导热性差。

5. 铜铬锆(Cu-Cr-Zr)

导热性能极佳且高温性能优良,但耐腐蚀性比316L不锈钢和钛合金弱,成本高于铝合金。

6. 纯铜

在金属3D打印热交换材料中导热性最好,但机械强度很低。


3D打印换热器应用案例

目前,几乎所有金属3D打印企业均在开发3D打印散热行业应用。以下为法国知名企业AddUp公开的若干案例。

1. 航空航天领域热交换器

本项目源自欧洲航天局,应用场景为航空航天工业在热力部件的热交换器。

目标是利用LPBF工艺制造出具有薄壁和高效内部结构的复杂几何形状部件,要求构紧凑、换热效率提升。

要克服的挑战是 在更小的体积内实现更高的散热性能,打造精准、密封的几何结构,实现高性能散热。

最终零件采用AlSi7Mg一次性打印出来,产品尺寸116x116x60mm,重量244g,体积更小,但热性能却很好,通过了热性能和密封性测试。


2. 为3D打印机开发的优化型热交换器

该项目是为AddUp的FormUp 350金属机开发一款紧凑、冷却效率更高,且成本更低的增热交换器。

主要挑战就跟它的要求一样,既要换热效率高,还要尺寸小,更要成本低!

设计的内部通道、翅片和接口都经过定制,采用铝合金打印,最终尺寸缩小了64%,重量减轻了6倍,散热效率得以提升,成本也与传统设计相当。


3. 航空双曲面换热器

该案例是开发一种与航空航天系统兼容的热交换器,要求使用In718制造,并通过3D打印优化热性能和紧凑性

要克服的挑战包括,需要在保持高传热效率的同时,确保通过热交换器的充足气流;In718比铝重且导电性差;要符合所需的航空航天表面和体积要求。

In718的密度是铝的三倍多,但对于增材制造而言,它展现出更优异的特性。使用该材料,可以打印出壁厚仅为0.15毫米的翅片,且器件整体无泄漏。采用这种超薄设计,热交换器达到了与铝材相近的性能和重量特性。


4.绿激光3D打印电子设备小型纯铜散热器

该案例展示了由国内漫格科技和希禾增材联合设计、制造的纯铜散热器,专门解决电子设备在小型化、高功率场景下的散热瓶颈。

它所采用的材料为纯铜,晶格壁厚为0.5mm,致密度达到了99.8以上,而且该散热器通过8MPa水压测试,能够保持5分钟无渗透。

漫格科技使用自主研发的VoxelDance Additive (VDA) 软件设计了这款散热器。依靠隐式建模技术,它可以快速实现TPMS结构的参数化填充,大幅缩短设计时间。

希禾增材开发的绿激光3D打印机为纯铜的高质量3D打印创造了条件,同时也为打破纯铜应用僵局提供了可能。相比传统红外激光,纯铜对绿激光具有更高的吸收率。如今,希禾增材已开启纯铜3D打印批量制造。


注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。

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