關於3D打印集成熱交換功能的殼體，3D科學谷此前曾分享過GE開發的一種齒輪箱，是一個包括具有多個內腔的殼體。在腔室內的多個壁中附加製造了熱交換器，這樣的熱交換器包括多個熱交換通道。
根據3D科學谷的市場觀察，近日，聯合技術公司-UTC的3D打印具有集成熱交換功能的輕量化殼體專利獲批，UTC的這項專利提供了用於生產輕質，低成本組件的方法。
圖片來源：US10619949B2
集成結構，3D打印開啟新組件時代
如果按照傳統鑄造完成後，再進行CNC減材加工來實現這樣的設計應該說是不可能的。UTC本針對使用減材製造和增材製造的組合來製造具有集成熱交換功能的輕量化殼體，有效實現複雜與精密的結合。
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根據3D科學谷的市場研究，UTC將開孔泡沫結構應用到熱交換功能的設計中，以允許第二流體通過，泡沫結構的孔隙率可以在5％至80％的範圍內，孔隙率的選擇可以取決於要形成的部件的最終用途。這種設計比起原來傳統制造工藝來說，可以比機加工固體材料塊快速且以較低的成本完成。與應用於固體塊的機械加工相比，顯著減少原材料浪費。另外，可以通過調整泡沫結構外部的金屬沉積物（或陶瓷沉積物）的厚度，以達到需要的強度。
這種設計對於用於閥體和其他應用的機加工部件提供了低成本，輕量化的選擇。與固體毛坯材料塊相比，增材製造的零件所需的原材料更少。為了豐富內部特徵和實現更復雜的功能，還通過將一個或多個組件集成到結構中來，並且這種結構可以避免流體洩露風險，通過金屬外殼提供組件的連接和所需的結構功能。
3D科學谷Review
在3D打印所帶來的以功能實現為導向的產品設計理念背景下，集成是個趨勢，拿燃氣渦輪發動機的組件來說，通常，用於燃氣渦輪發動機的常規熱交換器是定位在燃氣渦輪發動機內的各個位置處的“磚”塊結構。這些熱交換器就像空調的室外機，通過一個或多個流體循環管道實現熱交換區域的連接。
以往燃氣渦輪發動機的熱交換器遠離附件齒輪箱需要通過單獨的流體循環管道將油供應到熱交換器。每個管道都需要額外的組件存儲，並且帶來了額外的組裝和成本。此外，洩漏的可能性增加了，並且當流體被傳遞到位於遠處的熱交換器時，流體可能會損失大量的熱能。
因此，改進用於冷卻變速箱的熱交換器是具有應用前景的，更具體地說，用於燃氣渦輪發動機的熱交換器需要更少的空間，更易於組裝和安裝，並且需要降低流體洩漏和熱損失的可能性。
通過3D打印，不僅可以將齒輪箱和熱交換器以整體結構製造出來，而且還可以實現非常薄的壁厚，在這方面，3D科學谷曾分享過GE開發的集成熱交換器的一體化齒輪箱概念可以類似地應用於各種變速箱，例如傳動齒輪箱，動力齒輪箱，減速齒輪箱，或渦輪風扇的其他部件。可以應用到汽車、航空、海事等領域。
圖：GE開發的集成熱交換器的一體化齒輪箱殼體。來源：US 10247296 B2
正如3D科學谷在《3D打印與工業製造》一書中提到的，熱交換器正在發生變革，下一代換熱器與散熱器正在來臨。諸如集成熱交換功能的輕量化殼體和集成熱交換器的一體化齒輪箱具有多方面的顛覆潛力，避免了傳統熱交換模塊的遠程定位需要燃氣渦輪發動機內額外的容納空間。另外避免了洩露等隱患。以往流體必須通過單獨的流體循環管道循環，這些管道必須使用密封件，螺栓，螺母等組裝。並且，每個管道需要額外的部件存儲，組裝和成本。此外，以往的設計方案中，當流體被傳遞到位於遠處的熱交換器時，流體可能會損失大量的熱能。
此外，通過3D打印工藝，可以形成特定的表面光潔度和通道尺寸以改善通過通道的流體流動，改善通道內的熱傳遞等。可以通過增加激光掃描速度或粉末層的厚度來實現更粗糙的光潔度，並且可以通過降低激光掃描速度或粉末層的厚度來實現更光滑的光潔度。還可以改變掃描路徑或激光功率來改變特定區域的表面光潔度。
值得注意的是，更光滑的表面可以促進流體更快的流過熱交換器通道，而較粗糙的表面可以促進流體的湍流和增加熱傳遞。
更多3D打印在熱交換器領域的市場分析資料，請參考3D科學谷發佈的《3D打印與換熱器及散熱器應用白皮書》。
參考資料：US10619949B2，US10247296B2
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