3D打印技術的進步已經改變了熱交換器的制造方式。傳統制造路線無法實現的復雜、自由設計，可以通過3D打印輕松實現。熱交換效率的提高以及重量、體積、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他優勢。與傳統批量生產方法相比，3D打印所涉及的工藝參數優化、表面粗糙度控制、支撐結構去除、后處理要求、兼容原材料和成本競爭力一直爭議不斷。但盡管存在挑戰，采用該技術已經成功實現了金屬、聚合物和陶瓷材料的熱交換器制造。
在本篇文章中，3D打印技術參考重點分析粗糙表面、微通道、表面積和晶格結構等因素對3D打印熱交換器的性能影響。當前的研究發現，金屬3D打印的表面粗糙度是影響熱交換器性能的關鍵考慮因素；與預期設計相比，制造尺寸的偏差也非常顯著，特別是當尺寸接近制造極限時。隨著3D打印技術在最終產品表面質量、尺寸精度和實現更小尺寸精度方面的不斷提高，熱交換器的換熱性能可能進一步提高。
表面粗糙度對熱交換性能的影響
表面粗糙度是通過粉末床熔融技術制造不同類型金屬熱交換器的常見和關鍵考慮因素。3D打印的熱交換器產生的表面粗糙度可能比通過傳統方法制造的相同熱交換器高一個數量級。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更嚴重影響傳熱效率。因此，有必要正確評估表面粗糙度并系統收集相應工藝參數的數據庫。
3D打印的飛機電機熱交換器，最佳翅片密度可優化熱交換效率
在led的熱管理方面，拓撲優化散熱器比柵格結構具有更好的性能
制造尺寸的顯著偏差可能與預期設計的偏差高達約20%，這也會影響微通道熱交換器的熱工水力性能。一些研究報告稱壓降受由此產生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影響，而一些研究報告稱壓降是受表面粗糙度的強烈影響，另有研究認為粗糙度與通道水力參數的比率更適合分析壓降特性。對增材制造技術引入的表面粗糙度對傳熱機制的影響分析表明，決定熱交換器傳熱效率的不僅包括粉末顆粒的尺寸，還有粉末顆粒的形狀及其與熱交換器表面之間的附著。
最小特征尺寸和制造精度對熱交換性能的影響
小型化電子設備的發展推動了開發小型散熱器的需求，這些散熱器可以耗散非常高的熱量，確保延長系統的使用壽命。先前對微通道的研究已經證明它們具有消散高功率密度的能力。微通道換熱器的典型特征是壓降大，這可能是由于通道中的流動分布不均和較長的流向流動長度造成的。歧管微通道換熱器作為傳統微通道換熱器的替代品，歧管結構放置在平行運行的微通道的頂部，并通過多個入口和出口分配冷卻劑流體。這種配置中的流動長度減少，改善了熱交換器的水力特性。但傳統上歧管和微通道是分開制造的，再通過一種粘合技術連接在一起，這個過程會增加交貨時間，如果操作不當會影響性能。
夾層壁圓柱體強制對流傳熱示意圖
利用晶格結構近似法和梯度法優化晶格密度分布的熱交換器
增材制造技術可以將歧管和微通道以單個部件進行制造，并確保兩個組件之間具有的適當接口。更復雜和優化的通道設計也可以通過該技術實現，這對于傳統技術來說可能非常具有挑戰性。研究發現，將不銹鋼翅片的厚度從150μm減小到50μm可以將換熱效率可以提高20-40%，將歧管的厚度從300μm減小到150μm，可以將換熱效率提高10-30%。對由不銹鋼、鈦合金和鋁合金打印的微通道進行研究發現，翅片和微通道的尺寸誤差約20%，此外由于殘留粉末，部分通道存在堵塞。與鈦合金相比，不銹鋼樣品的尺寸誤差更為突出。具有相似幾何形狀和預期尺寸的三個樣品的傳熱系數和壓降參數的差異歸因于制造過程中出現的不準確。未來，如果3D打印可以達到更高的制造極限和精度，熱交換器的換熱效率將會進一步提高。
蜂窩結構具有更高的熱傳遞性能
多孔材料包含大量空隙，增強了相對于整體塊狀材料的結構和功能特性。商業采購的金屬泡沫就是這樣一種多孔材料，據報道它具有良好的熱和機械承載能力。周期性排列的晶格結構材料已經被結構工程師廣泛探索，與隨機開孔泡沫金屬相比，單元格的自聚焦拓撲可以提供更好的強度和剛度特性。增材制造不僅可以自由制備具有定制形態參數的晶格，還可以將整個蜂窩結構打印在基板上，從而消除了額外的熱界面材料阻力。
3D打印的新型分層分形體積太陽能吸收體，總體熱轉換效率與傳統碳化硅整體蜂巢相當
不同的單元拓撲結構
GE 3D打印的鎳基高溫合金熱交換器用于高溫高壓環境中
蜂窩結構具有更高的熱傳遞和壓降，但總體優勢取決于單元拓撲結構，主要的傳熱機制決定了蜂窩結構在特定應用中能否使用。例如，在強制對流中表現最好的蜂窩結構在自然對流中可能不是最好的。仿生技術可以極大地激發3D打印技術制造復雜仿生蜂窩結構的可能性。一種具有三重周期最小表面的結構被證明具有更高的表面-體積比和高有效的導熱性。
END
增材制造技術作為制造實驗室和商業規模熱交換器的可行選擇，正在顯著提高熱交換的效率，并減輕重量和成本。雖然增材制造技術在生產優化和復雜的幾何形狀方面優于傳統技術，但零件質量相對較差。增材制造技術的肯定有用，但需要做具體和系統的大量驗證。當前的3D打印技術還無法替代傳統方法，但3D打印技術的不斷進步，將逐步解決這些固有缺陷，從而生產出輕量、多功能和高效的熱交換器。
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