目前最熱的5G功能智能手機(jī)話題來說，大多數(shù)主要手機(jī)廠商包括華為、小米、Oppo、Vivo、三星電子公司、LG電子公司等都在尋求下一代熱管理解決方案，以應(yīng)對高速5G環(huán)境下的散熱需求。熱交換已經(jīng)成為限制了很多產(chǎn)品功能發(fā)展的一大制約因素，而3D打印正在破除這一制約之痛。

不        僅僅是5G功能智能手機(jī)，大概四年到五年時間，3D打印將擴(kuò)展到包括所有類型的適合增材制造的熱交換器領(lǐng)域，正如《3D打印與工業(yè)制造》一書所指出的，3D打印對產(chǎn)品的重塑，不僅包括外觀，還包括性能的提升?！岸谶@方面，UTC聯(lián)合技術(shù)公司依靠增材制造已經(jīng)設(shè)計和制造下一代熱交換器。

更大的引擎更好的熱交換

圖：3D打印的鎳基超合金板翅式熱交換器超過了傳統(tǒng)的熱交換器性能

     現(xiàn)代噴氣飛機(jī)上的電子產(chǎn)品包正在執(zhí)行更多任務(wù)并為更大的引擎供電，高效的冷卻至關(guān)重要。熱交換器是降低發(fā)動機(jī)溫度的關(guān)鍵，當(dāng)前的熱交換器發(fā)展趨勢是一方面需要結(jié)合更高的傳熱性能，一方面需要更加緊湊以適合更小的空間。

      聯(lián)合技術(shù)公司（UTC）增材制造專業(yè)技術(shù)中心（AMCoE）與美國國家增材制造創(chuàng)新中心-America Makes，美國國防部合作，通過增材制造技術(shù)（AM）來設(shè)計和制造更高效的熱交換器，比傳統(tǒng)制造方法生產(chǎn)的更緊湊，更可靠的高性能產(chǎn)品。其他項目參與者包括Stratonics，3DSIM，3rd Dimension，康涅狄格大學(xué)和Collins航空和普惠。

      總體來說該項目開發(fā)了用于發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)的共形風(fēng)扇管道換熱器，其開發(fā)背景是為了找到合適的熱管理系統(tǒng)以滿足飛機(jī)在增加里程和提高系統(tǒng)性能方面所遇到的更加復(fù)雜的挑戰(zhàn)。飛機(jī)在較高溫度下運(yùn)行，需要有效地帶走發(fā)動機(jī)的熱量。同時，熱交換器需要更高效，更緊湊，以滿足狹窄空間的性能要求。

今天的大多數(shù)熱交換器都有直線形設(shè)計，有一定深度的矩形或管殼設(shè)計。增材制造工藝可以突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的局限性，從而制造復(fù)雜形狀的熱交換器。使用增材制造技術(shù)，我們可以自由地開發(fā)具有新型換熱器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的共形形狀，提高熱交換效率，并且具有保形形狀的增材制造技術(shù)構(gòu)造的熱交換器可充分利用靠近發(fā)動機(jī)的可用空間。

減輕重量在飛機(jī)系統(tǒng)中始終很重要，但在某些情況下，減小尺寸也同樣重要。在這個項目中，與目前同類最佳的換熱器相比，尺寸和重量都減少了約20％。事實證明通過集成集管并利用創(chuàng)新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱，可以進(jìn)一步減小尺寸和重量。

圖：橫流式熱交換器設(shè)計使用薄翅片和分離板

一體化結(jié)構(gòu)與工藝實現(xiàn)

     而在傳統(tǒng)的熱交換器制造中涉及多種制造操作，包括成形，釬焊和焊接。使用3D打印技術(shù)，所有這些操作過程都被一次性的3D打印工藝所替代了。

而正是因為這個熱交換器是以一體化的結(jié)構(gòu)件形態(tài)制造完成，所以不會帶有可能產(chǎn)生泄漏的接縫或接頭，整體質(zhì)量要高得多。通過選區(qū)粉末床熔化（PBF）技術(shù)，開發(fā)人員將熱交換器層層構(gòu)建出來，值得一提的是團(tuán)隊使用了光學(xué)和熱成像技術(shù)進(jìn)行缺陷預(yù)測和過程監(jiān)控。

      材料主要是鎳基合金，如INCONEL?625和718以及一些先進(jìn)的鋁合金。團(tuán)隊最近開發(fā)的一些鋁合金幾乎與當(dāng)今久經(jīng)考驗的航空合金一樣好。而加工過程是一個復(fù)雜的過程，選區(qū)激光熔化PBF工藝具有非常多的參數(shù)設(shè)置組合，例如激光功率，掃描速度和層高度，這些參數(shù)都與最終制造出來的零部件的質(zhì)量相關(guān)。

    這需要研究如何控制翅片和分型板厚度以及表面粗糙度，不僅需要關(guān)注如何制造最薄，最平滑，無缺陷的翅片和分離板以實現(xiàn)熱交換器的性能指標(biāo)。還需要關(guān)注保形熱交換器的復(fù)雜幾何形狀和內(nèi)部通道如何在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下實現(xiàn)3D打印過程，這些非常薄的部件需要完美的制造出來，因為沒有物理移除支撐件的通路。

      針于每種不同的設(shè)計特征，項目組確定了參數(shù)的最佳組合，以獲得非常好的微觀結(jié)構(gòu)和材料特性。而后處理方面，項目組進(jìn)行了熱處理來緩解內(nèi)部應(yīng)力，所有的零件都經(jīng)過了應(yīng)力消除和HIP （熱等靜壓），翅片不需要精加工。

      這個特殊的項目已經(jīng)證明了增材制造技術(shù)本身的重要性以及對該過程有基本了解的重要性。還證明了對于復(fù)雜零件的3D打印過程來說，選擇合適的構(gòu)建方向，掃描策略和工藝參數(shù)的價值。