深度剖析GE通过3D打印制造管状阵列热交换器的奥秘
传统的热交换器包括大量的流体通道，每个流体通道都是使用板，条，箔，鳍，歧管等的某种组合形成的。这些部件中的每一个都必须单独定位，定向并连接到支撑结构，例如，通过钎焊，焊接或其他连接方法。这种热交换器的组装相关的制造时间和成本非常高，并且由于形成的接头数量，流体通道之间或从热交换器泄漏的可能性通常增加。而这种制造极限也限制了热交换流体通道及其中包括的热交换特征的数量、尺寸和构造。
然而，3D打印为热交换器的制造另辟蹊径，本期，3D科学谷与谷友来一起领略GE通过3D打印改进的热交换器的个中奥秘。
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开启结构一体化潜力
GE开发的热交换器包括在管入口和管出口之间延伸的多个管，进气歧管包括：内壁和外壁，以及一个或多个挡板，挡板在内壁和外壁之间延伸，以将进气室分成多个流体通道，这些入口歧管和与入口歧管相同的出口歧管通过3D打印-增材制造的方式被制造为单个结构一体化部件。
▲GE通过3D打印管状阵列热交换器
来源：US10782071B2
通过3D打印，每个连续层可以在大约10μm至200μm之间，根据具体的性能设计，可以设定参数来选择层厚度并且修改任何合适的尺寸。
通过增材制造工艺，零部件的表面光洁度和特征可根据应用需要而变化。调整表面光洁度（例如，使其更光滑或更粗糙）。在增材制造过程中选择合适的激光参数，可以通过增加激光扫描速度或粉末层的厚度来实现更粗糙的光洁度，并且可以通过降低激光扫描速度或粉末层的厚度来实现更光滑的光洁度。
▲来源：3D科学谷《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0（下篇）》
最重要的是，通过增材制造方法，GE在管状阵列热交换器中实现了多个零部件可以形成为单个组件以结构一体化的形式制造出来，因此与现有设计相比，可以避免接头和焊接的需要。通过增材制造将这些多零件部件整体成形可以有利地改善整个组装过程，并且可以减少了相关的时间和总体组装成本。另外，可以有利地减少例如泄漏，零件之间的接合质量以及整体性能的现有问题。
▲GE通过3D打印管状阵列热交换器
来源：US10782071B2
GE开发的3D打印的管状阵列热交换器轮廓更加复杂，可以包括具有独特的尺寸、形状的流体通道。另外，增材制造过程使得能够制造具有不同材料的管状阵列热交换器部件，使得部件的不同部分可以展现出不同的性能特征。
通过增加热交换流体的雷诺数来提高传热效率，通过3D打印这些特征可以在热交换器的设计期间被引入，通过仿真来预测设计所实现的性能，由于3D打印所实现的设计自由度，这些特征可以在构建过程期间以很少或没有附加成本的方式集成到热交换器中。例如多个管，加强结构，流动湍流器和其他局部特征可以整体地形成为单个整体式部件。
▲GE通过3D打印管状阵列热交换器
来源：US10782071B2
3D科学谷Review
下一代换热器与散热器正在来临，正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中提到的，热交换器正在发生变革，拿GE来说，GE正在转型，在热交换器方面，3D科学谷之前详细介绍了GE的一系列举措，包括《 看GE通过3D打印重新定义热交换器?》，《打破效率障碍，GE利用3D打印超高性能换热器》，《看GE如何通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状》等文章。
GE对3D打印热交换器持有极高的投入度，2019年4月，GE就宣布了与马里兰大学和橡树岭国家实验室合作研发UPHEAT超高性能换热器，在两年半内完成开发计划，实现更高效的能量转换和更低的排放。
在2019年的专利US10175003B2中，披露了GE开发了新型的热交换器，这种热交换器是通过3D打印-增材制造方式来制造的。该热交换器包括多个增材制造方法，使流体通道尺寸较小，具有较薄的壁而形成的流体通路，以及具有错综复杂的形状，这些热交换器使用先前传统的制造方法无法制造出来。
3D打印技术允许整体制造非常薄的翅片，例如具有介于约0.10mm和5.08mm之间厚度的翅片。制造极薄翅片的能力也使得能够制造热交换器具有非常大的热交换特征密度。
热交换器可以包括薄壁（小于0.76mm），窄通道和新颖的热交换特征。所有这些特征可能十分复杂，以最大化热传递效果，并使热交换器的尺寸或占地面积最小化。此外，增材制造工艺使得能够制造具有不同材料，特定传热系数或所需表面纹理的结构，可以增强或限制通过通道的流体流动。
流体通道可以是曲线的，并且可以包括小于0.25mm厚的热交换翅片，并且形成为每厘米多于十二个热交换翅片的翅片密度。另外，热交换翅片可以相对于流体通道的壁成角度，并且相邻的翅片可以相对于彼此偏移。这种热交换结构可以类似地用于汽车，航空，海事和其他工业中，以帮助流体之间的热传。
而在另外一份专利US 10247296 B2中，披露了GE研发3D打印集成热交换器的一体化齿轮箱壳体，是一个包括具有多个内腔的壳体。在腔室内的多个壁中附加制造了热交换器，这样的热交换器包括多个热交换通道。通过3D打印，不仅可以将齿轮箱和热交换器以整体结构制造出来，而且还可以实现非常薄的壁厚，根据3D科学谷的市场研究，GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱壳体中，至少一个热交换壁具有小于4毫米的厚度。
GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱壳体中所使用的“流体”可以是气体或液体。热交换器包括多个热交换通道，用于在两种或更多种流体之间传递热量。此外，热交换器可以设置在齿轮箱壳体内的一个或多个位置。例如在传动轴、齿轮、轴承等之间的空隙内。
根据3D科学谷的市场研究，GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱具有多方面的颠覆潜力，避免了传统热交换模块的远程定位需要燃气涡轮发动机内额外的容纳空间。另外避免了泄露等隐患，以往的设计方案中，当流体被传递到位于远处的热交换器时，流体可能会损失大量的热能。GE开发的集成热交换器的一体化齿轮箱概念可以类似地应用于各种变速箱，例如传动齿轮箱，动力齿轮箱，减速齿轮箱，或涡轮风扇的其他部件。可以应用到汽车、航空、海事等领域。
更多深入的分析，请参考3D科学谷与安世亚太联合发布的《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0（下篇）》，《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(上篇)》
参考来源：US10775044B2
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