3D打印技术的进步已经改变了热交换器的制造方式。传统制造路线无法实现的复杂、自由设计，可以通过3D打印轻松实现。热交换效率的提高以及重量、体积、制造成本的降低是3D打印可以提供的其他优势。与传统批量生产方法相比，3D打印所涉及的工艺参数优化、表面粗糙度控制、支撑结构去除、后处理要求、兼容原材料和成本竞争力一直争议不断。但尽管存在挑战，采用该技术已经成功实现了金属、聚合物和陶瓷材料的热交换器制造。

在本篇文章中，3D打印技术参考重点分析粗糙表面、微通道、表面积和晶格结构等因素对3D打印热交换器的性能影响。当前的研究发现，金属3D打印的表面粗糙度是影响热交换器性能的关键考虑因素；与预期设计相比，制造尺寸的偏差也非常显著，特别是当尺寸接近制造极限时。随着3D打印技术在最终产品表面质量、尺寸精度和实现更小尺寸精度方面的不断提高，热交换器的换热性能可能进一步提高。

表面粗糙度对热交换性能的影响

表面粗糙度是通过粉末床熔融技术制造不同类型金属热交换器的常见和关键考虑因素。3D打印的热交换器产生的表面粗糙度可能比通过传统方法制造的相同热交换器高一个数量级。小尺寸通道中固有的表面粗糙度更严重影响传热效率。因此，有必要正确评估表面粗糙度并系统收集相应工艺参数的数据库。

3D打印的飞机电机热交换器，最佳翅片密度可优化热交换效率

在led的热管理方面，拓扑优化散热器比栅格结构具有更好的性能

制造尺寸的显著偏差可能与预期设计的偏差高达约20%，这也会影响微通道热交换器的热工水力性能。一些研究报告称压降受由此产生的有效通道尺寸而不是粗糙度的影响，而一些研究报告称压降是受表面粗糙度的强烈影响，另有研究认为粗糙度与通道水力参数的比率更适合分析压降特性。对增材制造技术引入的表面粗糙度对传热机制的影响分析表明，决定热交换器传热效率的不仅包括粉末颗粒的尺寸，还有粉末颗粒的形状及其与热交换器表面之间的附着。

最小特征尺寸和制造精度对热交换性能的影响

小型化电子设备的发展推动了开发小型散热器的需求，这些散热器可以耗散非常高的热量，确保延长系统的使用寿命。先前对微通道的研究已经证明它们具有消散高功率密度的能力。微通道换热器的典型特征是压降大，这可能是由于通道中的流动分布不均和较长的流向流动长度造成的。歧管微通道换热器作为传统微通道换热器的替代品，歧管结构放置在平行运行的微通道的顶部，并通过多个入口和出口分配冷却剂流体。这种配置中的流动长度减少，改善了热交换器的水力特性。但传统上歧管和微通道是分开制造的，再通过一种粘合技术连接在一起，这个过程会增加交货时间，如果操作不当会影响性能。

夹层壁圆柱体强制对流传热示意图

利用晶格结构近似法和梯度法优化晶格密度分布的热交换器

增材制造技术可以将歧管和微通道以单个部件进行制造，并确保两个组件之间具有的适当接口。更复杂和优化的通道设计也可以通过该技术实现，这对于传统技术来说可能非常具有挑战性。研究发现，将不锈钢翅片的厚度从150μm减小到50μm可以将换热效率可以提高20-40%，将歧管的厚度从300μm减小到150μm，可以将换热效率提高10-30%。对由不锈钢、钛合金和铝合金打印的微通道进行研究发现，翅片和微通道的尺寸误差约20%，此外由于残留粉末，部分通道存在堵塞。与钛合金相比，不锈钢样品的尺寸误差更为突出。具有相似几何形状和预期尺寸的三个样品的传热系数和压降参数的差异归因于制造过程中出现的不准确。未来，如果3D打印可以达到更高的制造极限和精度，热交换器的换热效率将会进一步提高。

蜂窝结构具有更高的热传递性能

多孔材料包含大量空隙，增强了相对于整体块状材料的结构和功能特性。商业采购的金属泡沫就是这样一种多孔材料，据报道它具有良好的热和机械承载能力。周期性排列的晶格结构材料已经被结构工程师广泛探索，与随机开孔泡沫金属相比，单元格的自聚焦拓扑可以提供更好的强度和刚度特性。增材制造不仅可以自由制备具有定制形态参数的晶格，还可以将整个蜂窝结构打印在基板上，从而消除了额外的热界面材料阻力。

3D打印的新型分层分形体积太阳能吸收体，总体热转换效率与传统碳化硅整体蜂巢相当

不同的单元拓扑结构

GE 3D打印的镍基高温合金热交换器用于高温高压环境中

蜂窝结构具有更高的热传递和压降，但总体优势取决于单元拓扑结构，主要的传热机制决定了蜂窝结构在特定应用中能否使用。例如，在强制对流中表现最好的蜂窝结构在自然对流中可能不是最好的。仿生技术可以极大地激发3D打印技术制造复杂仿生蜂窝结构的可能性。一种具有三重周期最小表面的结构被证明具有更高的表面-体积比和高有效的导热性。

END

增材制造技术作为制造实验室和商业规模热交换器的可行选择，正在显著提高热交换的效率，并减轻重量和成本。虽然增材制造技术在生产优化和复杂的几何形状方面优于传统技术，但零件质量相对较差。增材制造技术的肯定有用，但需要做具体和系统的大量验证。当前的3D打印技术还无法替代传统方法，但3D打印技术的不断进步，将逐步解决这些固有缺陷，从而生产出轻量、多功能和高效的热交换器。