3D打印的熱交換器，誤差竟能改寫20%性能？

最近，來自新西蘭坎特伯雷大學（University of Canterbury）的研究團隊，在《International Journal of Heat and Mass Transfer》雜志發(fā)表了題為“Heat transfer and topological characterisation of TPMS structures using 3D printed materials”的文章，中文可翻譯為：使用3D打印材料對TPMS結(jié)構(gòu)的熱傳遞和拓撲特征進行表征。創(chuàng)新解決了3D打印復雜結(jié)構(gòu)熱交換器的性能評估偏差問題。

圖：從每種打印材料處理后的μCT數(shù)據(jù)中截取的切片，按以下順序排列：A）鋁，B）燒結(jié)氧化鋁，C）樹脂，D）生坯氧化鋁，E）尼龍，以及F）所有材料打印所依據(jù)的原始STL文件。箭頭指向了與F中的基礎STL文件相比，每種材料形成的結(jié)構(gòu)設計中的不規(guī)則之處。圖片來自文獻

傳統(tǒng)研究普遍假設3D打印的三周期極小曲面（TPMS）結(jié)構(gòu)與設計參數(shù)完全一致，但實際打印中，材料收縮、表面粗糙度等會導致拓撲參數(shù)偏移。研究團隊發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)氧化鋁結(jié)構(gòu)的孔隙率偏差達7%，液壓直徑誤差達10%，尼龍材料因殘留粉末導致通道堵塞，樹脂材料存在150μm氣泡缺陷。若直接使用設計參數(shù)計算傳熱性能，努塞爾數(shù)（Nusselt number）誤差高達20%，嚴重影響不同材料間的性能對比。這一發(fā)現(xiàn)揭示了傳統(tǒng)研究中參數(shù)假設的局限性，為高精度熱交換器設計提供了關鍵依據(jù)。

研究團隊通過微計算機斷層掃描（μCT）對5種材料（燒結(jié)氧化鋁、未燒結(jié)氧化鋁、樹脂、鋁、尼龍）的3D打印結(jié)構(gòu)進行三維重構(gòu)，分辨率達23μm。結(jié)合圖像二值化和網(wǎng)格分析，精確量化孔隙率、液壓直徑和壁厚，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)氧化鋁因15.4%收縮需預先放大設計尺寸。熱傳遞實驗中，空氣-水系統(tǒng)（Re=400-2500）采用電磁流量計和質(zhì)流控制器，測量整體傳熱系數(shù)并分離壁面熱阻；水-水系統(tǒng)驗證雙通道性能。材料熱導率通過激光閃射法測定，鋁（126 W/m·K）與樹脂（0.22 W/m·K）相差572倍，但經(jīng)μCT修正后，努塞爾數(shù)曲線趨于一致。

圖：掃描電子顯微鏡（SEM）圖像：A）綠色氧化鋁打印件；B）燒結(jié)后的氧化鋁打印件。圖片來自文獻

圖：A) 鋁的選區(qū)激光熔化（SLM）打印的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。B) 尼龍的選區(qū)激光熔化（SLM）打印的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。圖片來自文獻

研究發(fā)現(xiàn)：使用μCT實測參數(shù)后，不同材料的熱傳遞性能差異消失。燒結(jié)氧化鋁、鋁和樹脂在雷諾數(shù)相同條件下的努塞爾數(shù)偏差<5%，證明低導熱樹脂可作為快速原型材料。但若沿用設計參數(shù)，鋁的努塞爾數(shù)被高估20%，樹脂因壁面熱阻主導導致計算誤差激增。燒結(jié)氧化鋁表面粗糙度（Ra=10.7μm）與鋁（3.9μm）的差異未顯著影響傳熱，而尼龍因微孔透水被淘汰。數(shù)據(jù)表明，拓撲參數(shù)7%的偏差即可改寫熱傳遞性能評價標準。

圖：假設熱交換器的拓撲參數(shù)與原始STL文件相同，忽略μCT分析，通過以下指標測量其性能：A) 總體傳熱系數(shù)；B) 在一系列流量下的努塞爾數(shù)。為了視覺清晰，鋁的誤差條已省略。圖片來自文獻

研究團隊指出，需建立3D打印-μCT-性能預測的全流程標準：探索更多材料（如鈦合金）的收縮規(guī)律，開發(fā)自適應補償算法；優(yōu)化TPMS旋轉(zhuǎn)角度（現(xiàn)有研究達90°）對湍流的調(diào)控；提升μCT效率以支持實時質(zhì)量監(jiān)控。這項技術有望革新緊湊型換熱器設計，在航空航天和能源領域?qū)崿F(xiàn)輕量化與高性能的統(tǒng)一。


來源：CFD流熱物語