目前最熱的5G功能智能手機話題來說，大多數主要手機廠商包括華為、小米、Oppo、Vivo、三星電子公司、LG電子公司等都在尋求下一代熱管理解決方案，以應對高速5G環境下的散熱需求。熱交換已經成為限制了很多產品功能發展的一大制約因素，而3D打印正在破除這一制約之痛。

不        僅僅是5G功能智能手機，大概四年到五年時間，3D打印將擴展到包括所有類型的適合增材制造的熱交換器領域，正如《3D打印與工業制造》一書所指出的，3D打印對產品的重塑，不僅包括外觀，還包括性能的提升。“而在這方面，UTC聯合技術公司依靠增材制造已經設計和制造下一代熱交換器。

更大的引擎更好的熱交換

圖：3D打印的鎳基超合金板翅式熱交換器超過了傳統的熱交換器性能

     現代噴氣飛機上的電子產品包正在執行更多任務并為更大的引擎供電，高效的冷卻至關重要。熱交換器是降低發動機溫度的關鍵，當前的熱交換器發展趨勢是一方面需要結合更高的傳熱性能，一方面需要更加緊湊以適合更小的空間。

      聯合技術公司（UTC）增材制造專業技術中心（AMCoE）與美國國家增材制造創新中心-America Makes，美國國防部合作，通過增材制造技術（AM）來設計和制造更高效的熱交換器，比傳統制造方法生產的更緊湊，更可靠的高性能產品。其他項目參與者包括Stratonics，3DSIM，3rd Dimension，康涅狄格大學和Collins航空和普惠。

      總體來說該項目開發了用于發動機熱管理系統的共形風扇管道換熱器，其開發背景是為了找到合適的熱管理系統以滿足飛機在增加里程和提高系統性能方面所遇到的更加復雜的挑戰。飛機在較高溫度下運行，需要有效地帶走發動機的熱量。同時，熱交換器需要更高效，更緊湊，以滿足狹窄空間的性能要求。

今天的大多數熱交換器都有直線形設計，有一定深度的矩形或管殼設計。增材制造工藝可以突破傳統制造技術的局限性，從而制造復雜形狀的熱交換器。使用增材制造技術，我們可以自由地開發具有新型換熱器拓撲結構的共形形狀，提高熱交換效率，并且具有保形形狀的增材制造技術構造的熱交換器可充分利用靠近發動機的可用空間。

減輕重量在飛機系統中始終很重要，但在某些情況下，減小尺寸也同樣重要。在這個項目中，與目前同類最佳的換熱器相比，尺寸和重量都減少了約20％。事實證明通過集成集管并利用創新的拓撲結構進行傳熱，可以進一步減小尺寸和重量。

圖：橫流式熱交換器設計使用薄翅片和分離板

一體化結構與工藝實現

     而在傳統的熱交換器制造中涉及多種制造操作，包括成形，釬焊和焊接。使用3D打印技術，所有這些操作過程都被一次性的3D打印工藝所替代了。

而正是因為這個熱交換器是以一體化的結構件形態制造完成，所以不會帶有可能產生泄漏的接縫或接頭，整體質量要高得多。通過選區粉末床熔化（PBF）技術，開發人員將熱交換器層層構建出來，值得一提的是團隊使用了光學和熱成像技術進行缺陷預測和過程監控。

      材料主要是鎳基合金，如INCONEL?625和718以及一些先進的鋁合金。團隊最近開發的一些鋁合金幾乎與當今久經考驗的航空合金一樣好。而加工過程是一個復雜的過程，選區激光熔化PBF工藝具有非常多的參數設置組合，例如激光功率，掃描速度和層高度，這些參數都與最終制造出來的零部件的質量相關。

    這需要研究如何控制翅片和分型板厚度以及表面粗糙度，不僅需要關注如何制造最薄，最平滑，無缺陷的翅片和分離板以實現熱交換器的性能指標。還需要關注保形熱交換器的復雜幾何形狀和內部通道如何在沒有支撐結構的情況下實現3D打印過程，這些非常薄的部件需要完美的制造出來，因為沒有物理移除支撐件的通路。

      針于每種不同的設計特征，項目組確定了參數的最佳組合，以獲得非常好的微觀結構和材料特性。而后處理方面，項目組進行了熱處理來緩解內部應力，所有的零件都經過了應力消除和HIP （熱等靜壓），翅片不需要精加工。

      這個特殊的項目已經證明了增材制造技術本身的重要性以及對該過程有基本了解的重要性。還證明了對于復雜零件的3D打印過程來說，選擇合適的構建方向，掃描策略和工藝參數的價值。