增材制造提供了傳統(tǒng)制造技術(shù)(shù)無(wú)法提供的設(shè)計自由，但可實(shí)現(xiàn)的壁厚有限。由于成本原因，典型的熱交換器由鋁制成。盡管銅會(huì )是更好的選擇，因為它具有更高的導(dǎo)熱性。本期，通過(guò)EOS的案例來(lái)領(lǐng)(lǐng)略3D 打印提高銅金屬熱交換器性能。

效仿大自然的聰明設(shè)計

在現(xiàn)代工程時(shí)代，人們試圖向自然學(xué)(xué)習(xí)以解決復(fù)雜的技術(shù)(shù)挑戰(zhàn)。而在這方面，通過(guò)人類(lèi)最好的朋友（犬類(lèi)）我們可以發(fā)(fā)現(xiàn)與熱交換器的共同點(diǎn)……

如果曾經(jīng)(jīng)和狗玩過(guò)撿棍子游戲，可能會(huì )驚訝于我們的四只爪子的朋友們擁有如此多的耐力和“能量”。更有趣的是，狗的爪子是唯一有汗孔的區(qū)域。這就像一個(gè)人在夏天穿著(zhù)毛皮大衣跑馬拉松！那么狗如何調(diào)節(jié)它的熱管理呢？很顯然，不能僅僅通過(guò)爪子非常有限的表面積發(fā)(fā)生。

訣竅就在這里：大多數(shù)過(guò)熱是通過(guò)呼吸來(lái)調(diào)節(jié)的。狗是通過(guò)舌頭充當熱交換器的，狗的呼吸速度可以從每分鐘 30 次呼吸增加到每分鐘 300 次呼吸。同時(shí)，狗的唾液腺會(huì )產(chǎn)(chǎn)生更多的唾液，這些唾液會(huì )在舌頭表面蒸發(fā)(fā)。在劇烈喘息期間，舌頭迅速冷卻下來(lái)。犬的舌頭含有數(shù)量驚人的微小血管，將熱量從身體輸送到舌頭，調(diào)節(jié)狗的熱量管理。

利用大自然的”聰明設(shè)計“，犬類(lèi)體重的一小部分-舌頭可以做不可思議的事情，使其成為世界上最先進(jìn)和最高效的“散熱器”之一。

將這一事實(shí)轉(zhuǎn)化為人類(lèi)的技術(shù)(shù)世界，工程師受到大自然的啟發(fā)(fā)。直到今天，大多數(shù)限制都基于制造限制，因為無(wú)法以理想的方式制造理想的熱交換器。

提高表面積與體積比

當分隔兩種介質(zhì)(zhì)（例如水和空氣）的壁厚足夠薄時(shí)，熱導(dǎo)率可以忽略不計。這意味著(zhù)，可以創(chuàng )(chuàng)建具有銅基換熱器性能的鋁制換熱器。對于其他屬性的應(yīng)用，例如當耐腐蝕性是最重要的考慮因素時(shí)，可以選擇鈦或不銹鋼材料，其性能與銅熱交換器相似。

與傳統(tǒng)的增材制造相比，拿EOS的一個(gè)經(jīng)(jīng)典案例來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在可以生產(chǎn)(chǎn)更薄 30-40% 的水/氣密壁厚，從而顯著(zhù)提高表面積與體積比。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，3D打印使得可以在更小的體積中進(jìn)行更多的熱交換，這非常像狗的舌頭發(fā)(fā)揮的強大的散熱作用。

對于換熱器來(lái)說(shuō)，確保性能滿(mǎn)足要求并且避免泄漏是至關(guān)(guān)重要的。在EOS的案例中，在參數(shù)開(kāi)發(fā)(fā)過(guò)程中，EOS使用壓降以及浸入水中測試，以實(shí)現(xiàn)盡可能薄的壁 – 同時(shí)氣密。根據(jù)3D科學(xué)(xué)谷的了解，為了生成可靠的測試方法，開(kāi)發(fā)(fā)人員設(shè)計了一個(gè)特定的測試結(jié)構(gòu)，由 21 個(gè)直徑為 2.5 毫米、壁厚不同的空心銷(xiāo)組成。由于這些壓力測試銷(xiāo)的設(shè)計壁厚為 0.2 毫米，非常易碎，因此設(shè)計了一個(gè)環(huán)(huán)繞的保護籠，以防止在測試準備期間對銷(xiāo)造成任何損壞。

測試驗證3D打印可行性

3D打印工作完成后，將測試樣品除粉，然后使用標準帶鋸分離。為了連接壓力試管，在試樣的下部通過(guò)機加工的方法切割出標準螺紋。測試是使用規(guī)定的壓縮空氣壓力進(jìn)行的，然后將試樣浸入水中進(jìn)行簡(jiǎn)單的泄漏測試，如果試樣上出現(xiàn)氣泡將清楚地表明試樣泄漏。設(shè)計還允許輕松改變傾斜度，確保在任何給定角度都可以證明壓力密封性。

在這個(gè)案例中，可以通過(guò)壓降測試進(jìn)行額外的、可能更敏感的測試。將校準的壓力傳感器添加到測試場(chǎng)景中。對探頭加壓后，使用閥門(mén)關(guān)(guān)閉壓縮空氣供應(yīng)。在實(shí)驗開(kāi)始期間的壓力傳感器讀數(shù)被記錄下來(lái)，并在例如 10 分鐘的測試期間觀(guān)察，如果在規(guī)定的測試期記錄到的壓降小于某個(gè)值，則該組件可被認為是氣密的。

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