粉末床激光熔融（L-PBF）金屬3D打印具有復(fù)雜的材料熔凝過程，需要研究解決該技術(shù)的制造局限性，特別是制造高質(zhì)量、無缺陷的薄壁或厚度小于200-300μm的薄壁特征非常困難。此外，沖壓等傳統(tǒng)制造方法已證明能夠制造典型厚度范圍為46-200μm的板翅。然而，增材制造尚未達(dá)到大規(guī)模生產(chǎn)開發(fā)高性能換熱器所需的這些關(guān)鍵屬性所需的技術(shù)成熟度和生產(chǎn)質(zhì)量。采用L-PBF工藝打印薄壁換熱器具有多重挑戰(zhàn)，其中收縮會導(dǎo)致薄部件出現(xiàn)裂紋和完全破損，在以復(fù)雜幾何形狀為特征的流道制造中，可能會有未清理干凈的粉末或未熔化粉末的夾雜物附著于內(nèi)壁，這將帶來內(nèi)表面粗糙度的增加和熱交換性能的降低。此外，在設(shè)計通過增材工藝生產(chǎn)的組件時，必須考慮增材工藝的局限性。
熱交換器的的薄壁特征
L-PBF工藝目前似乎無法保證薄壁特征生產(chǎn)的可重復(fù)性。特別是，精度誤差隨著制造部件的厚度尺寸的減小而增大。已發(fā)現(xiàn)水平和垂直截面之間存在顯著的尺寸變化，而且厚度越小變形越厲害。
研究L-PBF工藝參數(shù)對薄壁的影響：a)研究的幾何形狀的示意圖；b)不同掃描策略示意圖；c)通過μSCT計算不同材料薄壁結(jié)構(gòu)的孔隙率。
研究發(fā)現(xiàn)，采用單一激光掃描策略時會出現(xiàn)明顯的熔合缺陷。分別研究了100μm壁厚特征在Ti6Al4V、In718和AlSi10Mg不同的最大傾角制造極限。發(fā)現(xiàn)，AlSi10Mg和Ti6Al4V可成功生產(chǎn)60°的最大傾斜角，而In718只能實現(xiàn)45°的傾斜角。對表面質(zhì)量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，傾角與材料之間存在直接關(guān)系。
一般來說，尋找最佳工藝參數(shù)對同時提高特征的尺寸精度和總體質(zhì)量極為重要，通過L-PBF工藝構(gòu)建薄特征仍然具有挑戰(zhàn)。
殘留粉末清理
3D打印制造熱交換器的另一個重要挑戰(zhàn)是復(fù)雜內(nèi)部通道的清潔。在進(jìn)一步的后處理操作和完成制造過程之前，需要去除通道中殘留的粉末。大多數(shù)優(yōu)化或具有空心格子結(jié)構(gòu)的熱交換器沒有開口或出口，因此粉末去除成為一個挑戰(zhàn)，關(guān)于該問題的研究很少。
以在核領(lǐng)域使用的反應(yīng)器為例，該零件經(jīng)過重新設(shè)計，能夠增加清理殘留粉末的便利性。該組件由316L不銹鋼通過L-PBF行業(yè)打印，其在通道連接點上的設(shè)計了一系列的孔，以便于在工藝結(jié)束時去除粉末。首先使用超聲波技術(shù)清潔，再通過激光束焊接來封閉這些孔。對反應(yīng)器進(jìn)行的分析證實了這種制造策略的成功。
除粉方法：a）第一種方法：重新設(shè)計組件；b）第二種方法：使用后處理策略
另有研究人員提出了一種檢測和去除通過L-PBF制造的復(fù)雜特征中夾帶粉末的方法。特別是，使用X射線計算機(jī)斷層掃描（XCT）和稱重來定量檢查和評估其除粉方法的成功率。研究人員將超聲波拋光和超聲波清洗的傳統(tǒng)方法與真空沸騰的創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行了比較。真空沸騰策略需要將組件浸入水中，熱源使水達(dá)到沸點形成水泡，水泡有助于去除粉末，該技術(shù)被證明可以完全清理管道。該方法易于實施，但不能用于某些金屬材料，以防止其與水或空氣接觸容易發(fā)生反應(yīng)，如鋁及其合金。由于其高的負(fù)氧化還原電位，鋁與水會反應(yīng)生成氫氣。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)的結(jié)果可能造成氣態(tài)氫的大量積累，即使?jié)舛容^小，但考慮到金屬粉末顆粒較大的暴露表面，水環(huán)境中的反應(yīng)可能導(dǎo)致在高壓下形成高含量氫氣。這可能會在濕式粉末去除系統(tǒng)中造成火災(zāi)或爆炸。
Solukon自動化除粉設(shè)備
除上述方法外，本領(lǐng)域還開發(fā)了專用的工業(yè)級設(shè)備，用于去除增材制造零件中的粉末，如拓博增材。這些專門的除粉站通常由多種組件組成，旨在快速從打印平臺上去除殘留粉末。這些設(shè)備通常在使用惰性氣體的受控環(huán)境中工作，包含過濾器、篩分組件和各種其他功能，確保提取粉末的完整性和質(zhì)量。
3D打印熱交換器的基本屬性
對于熱交換器，需要分析不同的屬性以評估其在使用階段的性能。特別是，對于通過增材制造生產(chǎn)的熱交換器，科學(xué)注意力集中在表面粗糙度、微通道和薄壁、表面幾何形狀、層流或湍流行為、腐蝕以及最終的熱效率。熱交換器（例如用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)的熱交換器）在200°C左右的溫度下運行，并且不會承受非常高的負(fù)載。因此，它們不需要高機(jī)械性能，但需要適合散熱的表面和幾何性能。隨著增材制造工藝的技術(shù)進(jìn)步，表面質(zhì)量可以得到很大的提高，并且可以實現(xiàn)小厚度的精密加工。
1. 無泄漏完整性
無泄漏特性對于增加緊湊型高性能熱交換器中不同溫度下兩種流體之間的熱交換至關(guān)重要。增材制造減少了泄漏風(fēng)險，因為它消除了組裝各種薄型部件的制造步驟。然而，它也具有由于成形缺陷（例如孔隙率和層結(jié)合不充分）而可能造成損失的缺點。諸如孔隙之類的缺陷可能是薄弱的結(jié)構(gòu)點，流體可以從這些薄弱的結(jié)構(gòu)點中逸出，與第二液體混合。特別是，考慮到薄壁特征的制造，一個小缺陷可能會損壞整個組件。盡管航空航天領(lǐng)域?qū)Ρ”诰o湊型熱交換器的興趣日益濃厚，但泄漏問題的研究尚未引起科學(xué)界的關(guān)注。目前還沒有針對泄漏及有針對性的優(yōu)化之間的相關(guān)性研究，以解決這一關(guān)鍵問題。
真空浸漬系統(tǒng)可通過連續(xù)過程消除材料的內(nèi)部孔隙，首先將組件浸入樹脂浴中，同時放置在高壓釜內(nèi)。隨后，產(chǎn)生真空以排出部件中的空氣，從而促進(jìn)樹脂進(jìn)入空隙。浸漬過程完成后，將部件從浴中取出，并提取多余的樹脂以確保最佳的浸漬水平。
2. 表面粗糙度
表面粗糙度被認(rèn)為是金屬增材制造生產(chǎn)不同類型熱交換器中最重要的特性。粗糙度起著雙重作用，因為它影響所產(chǎn)生的特征（管道、壁）的實際尺寸和流體的行為。通常，高粗糙度意味著制造尺寸與預(yù)期設(shè)計存在顯著偏差，特別是當(dāng)尺寸接近增材制造機(jī)器的制造極限時。許多研究還表明，與傳統(tǒng)制造的翅片和通道相比，通道的高內(nèi)部粗糙度會增加壓降和湍流行為。另一方面，傳統(tǒng)制造和增材制造之間的傳熱性能在大多數(shù)情況下是相當(dāng)?shù)摹?shù)值分析表明，表面質(zhì)量和材料類型都會影響傳熱和壓降，低粗糙度可以改善熱交換性能。特別是，對于鋼管，分析發(fā)現(xiàn)表面粗糙度和熱交換性能之間的線性關(guān)系，鋁和銅則表現(xiàn)出類似的非線性趨勢。
結(jié)果表明，具有光滑內(nèi)表面的銅管是實現(xiàn)高熱性能的最佳選擇。因此，許多研究的目標(biāo)是優(yōu)化增材制造技術(shù)參數(shù)，用于定制增材工藝下的表面粗糙度。研究發(fā)現(xiàn)，熔池之間的偏移或距離已被確定為降低粗糙度的關(guān)鍵因素。熔池之間較大的偏移始終被證明有利于最大限度降低粗糙度水平。這可以歸因于熔池和相鄰凝固熔池之間發(fā)生潤濕現(xiàn)象，導(dǎo)致輕微的液體溢出。研究發(fā)現(xiàn)，低粗糙度的理想工藝值是接近小孔現(xiàn)象形成的值。對于薄壁，掃描策略也起著至關(guān)重要的作用，然而必須進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以確定較低的硬度水平以及由此產(chǎn)生的機(jī)械性能是否會影響薄壁和超薄壁的可靠性。
3. 疲勞性能
3D打印材料的疲勞性能一直是廣泛研究和調(diào)查的主題。微觀結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力和表面粗糙度等多種因素都會影響任何材料的疲勞壽命。特別是，研究集中在增材制造中常用的特定金屬和合金，例如鈦合金、不銹鋼、鋁合金和鎳基高溫合金。增材制造工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和后處理處理對這些材料疲勞性能的影響均得到了研究。然而，熱換熱器由多個復(fù)雜而薄的部件組成，其性能受到其他幾個因素的影響。高溫下的循環(huán)載荷和升高的工作壓力的結(jié)合可能會引起結(jié)構(gòu)問題。近年來，熱交換器的疲勞評估主要依賴于數(shù)值模擬。
目前對通過增材制造工藝制造的薄壁的低循環(huán)性能進(jìn)行了大量的研究。這些研究已經(jīng)確定了影響這些特征的疲勞行為的幾個影響因素。初始微觀結(jié)構(gòu)通常表現(xiàn)出各向異性特性以及孔隙度和未熔合等冶金缺陷對疲勞性能起著重要作用。此外，與傳統(tǒng)制造方法相比，增材制造工藝往往會導(dǎo)致更高的表面粗糙度。廣泛的研究表明，表面粗糙度升高會對增材制造的薄特征的疲勞性能產(chǎn)生不利影響。然而，這些限制可以通過各種后處理處理來緩解，包括熱等靜壓(HIP)、機(jī)械加工和熱處理。然而，對增材制造工藝參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷和后加工處理的影響的全面了解仍然不完整。正在進(jìn)行的研究工作重點是進(jìn)一步表征和增強(qiáng)金屬增材制造薄壁特征的抗疲勞性和可靠性。
4. 耐腐蝕性能
腐蝕是影響熱交換器的再一個主要問題。腐蝕可能由多種因素引起，包括環(huán)境傳導(dǎo)、使用的流體以及磨損和侵蝕。在熱交換器的使用壽命期間，腐蝕故障非常常見，并且維護(hù)和修理成本可能相當(dāng)昂貴，特別是當(dāng)涉及航空航天領(lǐng)域使用的空油緊湊型熱交換器時。這些組件特別容易受到惡劣的環(huán)境條件的影響，特別是在存在海洋和遠(yuǎn)洋航線的情況下，高濃度的鹽霧會加速降解。因此，對腐蝕現(xiàn)象的研究以及對保護(hù)暴露表面的傳統(tǒng)和創(chuàng)新方法的探索正在進(jìn)行中。后熱處理、表面精加工和涂層處理對增材制造材料腐蝕行為的影響現(xiàn)在得到了廣泛的評估。
5. 后熱處理
由于L-PBF增材制造過程中的固有現(xiàn)象，所生產(chǎn)的部件需要進(jìn)行后熱處理以改善材料的性能。一般來說，通過增材制造生產(chǎn)的打印態(tài)材料（熱處理前）的顯微組織和機(jī)械性能不如通過傳統(tǒng)鍛造制造技術(shù)生產(chǎn)的材料。增材制造工藝的特定熱循環(huán)的特點是由激光引起的突然加熱，然后是快速冷卻和第二次熔化，同時涉及下一層以及下面和先前層的重熔化。這些熱循環(huán)在L-PBF工藝的每一層的形成過程中重復(fù)進(jìn)行，并導(dǎo)致較大的熱梯度在部件上形成殘余應(yīng)力。如果應(yīng)力水平很高，則可能會發(fā)生零件幾何形狀的變形，從而導(dǎo)致產(chǎn)品損壞和故障。
目前已經(jīng)評估了幾種方法來解決這個問題。使用后熱處理來去除殘余應(yīng)力仍然是科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域最常用的解決方案，研究表明增材制造后熱處理會大幅降低位錯密度，從而顯著降低殘余應(yīng)力。
L-PBF零件的后熱處理也廣泛用于提高其他材料性能，例如機(jī)械性能以及耐腐蝕和耐磨性。對增材制造的材料進(jìn)行后熱處理可提供與傳統(tǒng)材料相當(dāng)甚至優(yōu)于傳統(tǒng)材料的性能。均質(zhì)化和固溶處理使微觀結(jié)構(gòu)均勻，并使增材工藝典型的細(xì)長樹枝晶晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶粒。它們還允許偏析合金元素的擴(kuò)散。而通過時效處理，會形成沉淀物，這有助于提高材料的機(jī)械性能。此外，熱處理過程中會發(fā)生氧化現(xiàn)象，在多種材料上形成保護(hù)性氧化層，這有助于提高耐腐蝕和耐磨性方面的性能。
3D打印技術(shù)的進(jìn)步改變了熱交換器的制造方式。作為制造實驗室和商業(yè)規(guī)模熱交換器的可行選擇，3D打印技術(shù)正在顯著提高熱交換的效率，并減輕重量和成本。然而，雖然它在生產(chǎn)優(yōu)化和復(fù)雜的幾何形狀方面優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，仍需要做具體和系統(tǒng)的大量驗證。
與傳統(tǒng)批量生產(chǎn)方法相比，3D打印所涉及的工藝參數(shù)優(yōu)化、表面粗糙度控制、支撐結(jié)構(gòu)去除、后處理要求、兼容原材料和成本競爭力一直爭議不斷。但盡管存在挑戰(zhàn)，采用該技術(shù)已經(jīng)成功實現(xiàn)了金屬、聚合物和陶瓷材料的熱交換器制造。
注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)聯(lián)系授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。
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