案例 l 3D 打印提高铜金属热交换器性能

根据3D科学谷的了解，增材制造提供了传统制造技术无法提供的设计自由，但可实现的壁厚有限。由于成本原因，典型的热交换器由铝制成。尽管铜会是更好的选择，因为它具有更高的导热性。

本期，3D科学谷与谷友通过EOS的案例来领略3D 打印提高铜金属热交换器性能。

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效仿大自然的聪明设计

在现代工程时代，人们试图向自然学习以解决复杂的技术挑战。而在这方面，通过人类最好的朋友（犬类）我们可以发现与热交换器的共同点……

如果曾经和狗玩过捡棍子游戏，可能会惊讶于我们的四只爪子的朋友们拥有如此多的耐力和“能量”。更有趣的是，狗的爪子是唯一有汗孔的区域。这就像一个人在夏天穿着毛皮大衣跑马拉松！那么狗如何调节它的热管理呢？很显然，不能仅仅通过爪子非常有限的表面积发生。

诀窍就在这里：大多数过热是通过呼吸来调节的。狗是通过舌头充当热交换器的，狗的呼吸速度可以从每分钟 30 次呼吸增加到每分钟 300 次呼吸。同时，狗的唾液腺会产生更多的唾液，这些唾液会在舌头表面蒸发。在剧烈喘息期间，舌头迅速冷却下来。犬的舌头含有数量惊人的微小血管，将热量从身体输送到舌头，调节狗的热量管理。

利用大自然的”聪明设计“，犬类体重的一小部分-舌头可以做不可思议的事情，使其成为世界上最先进和最高效的“散热器”之一。

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将这一事实转化为人类的技术世界，工程师受到大自然的启发。直到今天，大多数限制都基于制造限制，因为无法以理想的方式制造理想的热交换器。

提高表面积与体积比

当分隔两种介质（例如水和空气）的壁厚足够薄时，热导率可以忽略不计。这意味着，可以创建具有铜基换热器性能的铝制换热器。对于其他属性的应用，例如当耐腐蚀性是最重要的考虑因素时，可以选择钛或不锈钢材料，其性能与铜热交换器相似。

与传统的增材制造相比，拿EOS的一个经典案例来说，现在可以生产更薄 30-40% 的水/气密壁厚，从而显着提高表面积与体积比。简单来说，3D打印使得可以在更小的体积中进行更多的热交换，这非常像狗的舌头发挥的强大的散热作用。

对于换热器来说，确保性能满足要求并且避免泄漏是至关重要的。在EOS的案例中，在参数开发过程中，EOS使用压降以及浸入水中测试，以实现尽可能薄的壁 – 同时气密。根据3D科学谷的了解，为了生成可靠的测试方法，开发人员设计了一个特定的测试结构，由 21 个直径为 2.5 毫米、壁厚不同的空心销组成。由于这些压力测试销的设计壁厚为 0.2 毫米，非常易碎，因此设计了一个环绕的保护笼，以防止在测试准备期间对销造成任何损坏。

测试验证3D打印可行性

3D打印工作完成后，将测试样品除粉，然后使用标准带锯分离。为了连接压力试管，在试样的下部通过机加工的方法切割出标准螺纹。测试是使用规定的压缩空气压力进行的，然后将试样浸入水中进行简单的泄漏测试，如果试样上出现气泡将清楚地表明试样泄漏。设计还允许轻松改变倾斜度，确保在任何给定角度都可以证明压力密封性。

在这个案例中，可以通过压降测试进行额外的、可能更敏感的测试。将校准的压力传感器添加到测试场景中。对探头加压后，使用阀门关闭压缩空气供应。在实验开始期间的压力传感器读数被记录下来，并在例如 10 分钟的测试期间观察，如果在规定的测试期记录到的压降小于某个值，则该组件可被认为是气密的。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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文章来源：《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2021/0616/603.html