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1、3D打印與換熱器及散熱器應用2.0合作單位：白皮書贊助方：Sponsors:3D科學谷白皮書系列-Whitepaper-中文EnglishWhitepaper targeted to each application segmentFusionconvergenceUpgradingmultidimensionalglobalAME to fuse knowledge and insightsWebsitesWeChatbooks3D科學谷核心競爭力-整合力量與影響力Core Strength Integrative the Power and Influence能量聚合融會貫通AME論壇深化

2、認知白皮書系列針對每個典型應用及細分市場網站手機端前言下一代換熱器與散熱器正在來臨換熱器與散熱器對設備可以長效穩定運行起到了關鍵的作用，3D打印用于換熱器和散熱器的制造滿足了產品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發展趨勢。特別是用于異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統制造技術不具備的優勢。本白皮書從換熱器與散熱器的分類與市場情況入手，詳細剖析了3D打印在換熱器與散熱器領域的技術優勢，國際上和國內商業化的3D打印散熱器與換熱器案例，國際上和國內的代表性專利情況，CFD軟件情況、材料考慮以及后加工考慮等等。希望本白皮書能夠推動和加速我國在引入

3、3D打印技術方面的發展。感謝本白皮書合作伙伴的支持，更多信息，請參考3D科學谷網站3D科學谷市場研究團隊 . 2019年換熱器2多種多樣的熱交換熱器世界管狀熱交換熱器器Reference：3D Printing as an Alternative Manufacturing Method for the Micro-gas Turbine Heat Exchanger板式熱交換熱器3熱交換器熱交換器間壁式換熱器蓄熱式換熱器間接直接特殊固定動態管殼式換熱器板式換熱器冷卻塔氣體洗滌塔噴射式混合式冷凝器刮面式換熱器往復式換熱器旋轉式熱交換器熱交換器（按照傳送熱量的方法來分）- 間壁式熱流體和冷流體間

4、有一固體壁面，一種流體恒在壁的一側流動，而另一流體恒在壁的他側流動，兩種流體不直接接觸，熱量通過壁面而進行傳遞。- 混合式（或稱直接接觸式）這種熱交換器內依靠熱流體與冷流體的直接接觸而進行傳熱，例如工業上的冷水塔以及噴射式熱交換器。- 蓄熱式（或稱回熱式）其中也有固體壁面，但兩種流體并非同時，而是輪流地和壁面接觸。當熱流體流過時，把熱量儲蓄于比內，其溫度逐漸升高；而當冷流體流過時，壁面放出熱量，其溫度逐漸降低，如此反復進行，以達到熱交換的目的。例如煉鐵廠的熱風爐。4熱交換器板式換熱器板式換熱器是由一系列具有一定波紋形狀的金屬片疊裝而成的一種新型高效換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進

5、行熱量交換。板式換熱器是液液、液汽進行熱交換的理想設備。5熱交換器-間壁式熱交換器分類管殼式換熱器管殼式(又稱列管式) 換熱器是最典型的間壁式換熱器,它在工業上的應用有著悠久的歷史,而且至今仍在所有換熱器中占據主導地位。管殼式換熱器主要有殼體、管束、管板和封頭等部分組成,殼體多呈圓形,內部裝有平行管束,管束兩端固定于管板上。在管殼換熱器內進行換熱的兩種流體,一種在管內流動,其行程稱為管程；一種在管外流動,其行程稱為殼程。管束的壁面即為傳熱面。夾套式換熱器這種換熱器是在容器外壁安裝夾套制成,結構簡單;但其加熱面受容器壁面限制,傳熱系數也不高.沉浸式蛇管型這種換熱器是將金屬管彎繞成各種與容器相適應

6、的形狀,并沉浸在容器內的液體中.噴淋式換熱器這種換熱器是將換熱管成排地固定在鋼架上，熱流體在管內流動,冷卻水 從上方噴淋裝置均勻淋下,故也稱噴淋式冷卻器.套管式換熱器是由直徑不同的直管制成的同心套管,并由U形彎頭連接而成.這種換熱器中,一種流體走管內,另一種流體走環隙,兩者皆可得到較高的流速,故傳熱系數較大6熱交換器-間壁式熱交換器-管殼式換熱器分類*標準方面：美國的TEMA標準，日本的JIS B 8249標準，英國的BS5500標準，德國的AD規范，中國的GB151-89等根據所采用的補償措施，管殼式換熱器可分為幾種主要類型：固定管板式換熱器管束兩端的管板與殼體聯成一體，結構簡單,但只適用于

7、冷熱流體溫度差不大,且殼程不需機械清洗時的換熱操作。當溫度差稍大而殼程壓力又不太高時，可在殼體上安裝有彈性的補償圈，以減小熱應力。浮頭式換熱器管束一端的管板可自由浮動，完全消除了熱應力;且整個管束可從殼體中抽出,便于機械清洗和檢修。浮頭式換熱器的應用較廣，但結構比較復雜，造價較高。U型管式換熱器每根換熱管皆彎成U形，兩端分別固定在同一管板上下兩區，借助于管箱內的隔板分成進出口兩室。此種換熱器完全消除了熱應力，結構比浮頭式簡單，但管程不易清洗。渦流熱膜換熱器渦流熱膜換熱器采用最新的渦流熱膜傳熱技術，通過改變流體運動狀態來增加傳熱效果，當介質經過渦流管表面時，強力沖刷管子表面，從而提高換熱效率。板

8、翅式熱交換器翅片的主要作用是強化傳熱，也有增強兩金屬板強度的作用，在這種熱交換器中相鄰兩通道之間的熱交換，一部分通過平板傳遞熱量，但絕大部分熱量是通過波紋翅中傳遞的，因為平板之間均有波紋翅片，因而大大增加了傳熱面積，所以它的單位體積內的傳熱面積比一般管式熱交換器大10倍以上。通過各通道之間的不同組合，可得到逆流、錯流等形式的熱交換器。它具有單位體積傳熱面積大、傳熱效率高、流體阻力小、熱容量小、結構緊湊及同時允許幾種介質進行熱交換等優點。7熱交換器-間壁式熱交換器-板翅式熱交換器Plate Wing Heat E微通道換熱器微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000m的換熱器。這種換熱器的扁

9、平管內有數十條細微流道,在扁平管的兩端與圓形集管相聯。集管內設置隔板,將換熱器流道分隔成數個流程。8熱交換器-微通道換熱器Micro-tunnel Heat Exchanger微通道換熱器按外形尺寸可分為微型微通道換熱器和大尺度微通道換熱器。微型微通道換熱器是為了滿足電子工業發展的需要而設計的一類結構緊湊、輕巧、高效的換熱器,其結構形式有平板錯流式微型換熱器、燒結網式多孔微型換熱器。大尺度微通道換熱器主要應用于傳統的工業制冷、余熱利用、汽車空調、家用空調、熱泵熱水器等。其結構形式有平行流管式散熱器和三維錯流式散熱器。由于外型尺寸較大(達1.2m4m25.4mm13),微通道水力學直徑在0.61

10、mm以下,故稱為大尺度微通道換熱器。國內市場最先將微通道技術產業化的是汽車空調行業。換熱器市場2015年，我國換熱器產業的市場規模為 769 億元，2015年我國換熱器行業銷售規模較大的是管殼式換熱器和板式換熱器，分別銷售金額達到了386億元和214.6億元。2020年我國換熱器產業規模有望達到 1,500 億元；在各種類型的換熱器中，板翅式換熱器約占整個換熱器行業 6%左右的市場份額，按照這樣的市場份額進行估算，至2020 年，我國板翅式換熱器的產值有望突破90 億元。9熱交換器-間壁式熱交換器-板翅式熱交換器* 參考來源：智研咨詢2015年中國換熱器需求領域分布格局2015年中國換熱器產品

11、銷售結構10制造企業蘭州蘭石換熱設備有限責任公司四平市巨元瀚洋板式換熱器有限公司阿法拉伐（上海）技術有限公司四平維克斯換熱設備有限公司斯必克(中國)投資有限公司甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司傳特板式換熱器(北京)有限公司睿能太宇（沈陽）能源技術有限公司凱絡文換熱器（中國）有限公司北京市京海換熱設備制造有限責任公司* 參考來源：智研咨詢十大換熱器制造企業浙江銀輪機械股份杭州杭氧股份無錫佳龍換熱器股份杭州中泰深冷技術股份無錫宏盛換熱器開封空分集團艾普爾換熱器蘇州無錫馬山永紅換熱器湖北迪峰換熱器廣州賽唯熱工設備板翅式換熱器國內廠家*排名不分企業規模大小阿法拉伐Alfa Laval舒瑞普SWEP傳特

12、Tranter艾普爾APISPX基伊埃GEA風凱Funke薩莫威孚 thermowave日阪HisakaIHI，JSW，Hitachi等國際品牌11汽車行業換熱器、散熱器 - 國內、國際廠家浙江銀輪機械股份有限公司上海貝洱熱系統有限公司富奧汽車零部件股份有限公司揚州水箱有限公司揚州三葉散熱器有限公司揚州通順散熱器有限公司山東厚豐汽車散熱器有限公司重慶長江電工工業集團有限公司濰坊恒安散熱器集團有限公司南寧八菱科技股份有限公司青島汽車散熱器有限公司青島東洋汽車散熱器有限公司* 來源：3D科學谷市場研究德國貝洱 (Behr)美國摩汀 (Modine)日本東洋 (Toyo)日本電裝 (DENSO)美國

13、偉世通 (Visteon)經過多年的經驗和測試，汽車已經發展成為非常復雜和功能性的機器。選擇每個部件的材料和工作流體是出于非常特殊的原因。今天的汽車中的大多數熱交換器都是由鋁制成，因為它重量輕，可用性相對較高，而且具有很高的導熱性。汽車熱交換器包括但不限于散熱器，油冷卻器和中間冷卻器。散熱器是在發動機中使用的冷卻裝置，其中熱液體流過暴露的管道并通過風扇將熱量傳遞給空氣。翅片用于傳導管子的熱量并將其傳遞到空氣中。油冷卻器主要用于變速箱，以保持油溫在安全范圍內。熱交換器用于渦輪增壓內燃機，以冷卻來自渦輪增壓器的熱壓縮空氣。國內國際供應商侃價能力基本不變鋁和銅等主要原材料是市場定價，公司過去和未來都

14、很難有議價能力，只能通過期貨和庫存等方法平滑原材料價格波動對企業凈利潤的沖擊12汽車用熱交換器波特五力分析熱交換器制造商定價能力緩慢提高隨著發動機技術和新能源汽車技術的發展，熱管理系統的重要性和性能要求都在顯著提高，下游客戶將更加依靠熱交換器企業的研發能力來優化整機或整車的性能行業進入壁壘顯著提高隨著發動機技術和新能源汽車技術的發展，行業進入壁壘顯著提高無替代品熱管理作為一個功能，只會得到加強，完全沒有被替代的風險參考來源：產業信息行業內部競爭格局行業內兼并重組增加，集中度進一步提高汽車上使用的熱交換器品種較多，有散熱器（俗稱水箱）、中冷器、機油冷卻器、空調冷凝器和蒸發器、暖風散熱器、尾氣再循

15、環系統（EGR）冷卻器、液壓油冷卻器等，它們在汽車上分別屬于發動機、變速箱、車身和液壓系統。13汽車用熱交換器發展方向對于新型的清潔能源車輛，對散熱器設計提出了較高的要求，希望在結構上更加緊湊，以滿足新時期車輛的工作要求；模塊化設計將成為散熱器設計的主流，在冷卻系統中實現模塊化設計可以對整車熱循環系統進行設計優化；新材料新技術的發展催生散熱效率高的散熱器材料，在小型化和輕型化汽車發展領域將大有作為，節能效果明顯。方向一方向二方向三圖片來源：AP散熱器散熱器按材質分為鑄鐵散熱器、鋼制散熱器和其它材質的散熱器。其他材質散熱器包括鋁、銅、鋼鋁復合、銅鋁復合、不銹鋼鋁復合和搪瓷等材料制的散熱器。其中，

16、微電子領域遵循摩爾定律飛速發展,伴隨晶體管集成度的不斷提高,微通道換熱器取代傳統換熱裝置已成必然趨勢。因此在嵌入式技術及高性能運算依賴程度較高的航空航天、現代醫療、化學生物工程等諸多領域,微通道換熱器將有具廣闊的應用前景。散熱器14航空電子醫療器械IT通訊消費性電子風力發電汽車/電動汽車太陽能LED燈機車牽引電氣雷達控制醫療檢測系統服務器電視變流器車燈逆變器LED燈具照明變流系統電氣柜液冷機箱基因循環儀器衛星信號接收器手機油冷齒輪箱電池包變頻器紅外成像系統基站可穿戴微型計算機衛星冷卻（微通道）智能手機電腦/筆記本加固計算機無線網絡路由器Lytro光場相機投影儀來源：安世亞太風冷散熱器的制造方式

17、15來源：安世亞太鋁擠：技術相對簡單，適合大批量制作散熱器。主要是以翅片的高度與翅片間隙的比值衡量優劣。塞銅：焊接：將翅片與基板焊接起來，散熱性能取決于焊接工藝。焊接串翅：將翅片、熱管與基板焊接起來焊接扣翅：將翅片與基板焊接起來風冷散熱器的制造方式16來源：安世亞太壓鑄：插翅壓合：將翅片插入基板的槽內，然后機械擠壓。3D打?。汉附诱郫B：將翅片與基板焊接起來切割：把一整塊金屬一次性切割，這樣切割后的散熱鰭片又薄又密，極大增加了散熱面積。水冷散熱器的制造方式17來源：安世亞太鉆孔式水冷散熱器壓管式水冷散熱器摩擦焊式、電子束焊式水冷散熱器微通道散熱器的制造方式18材料微型微通道換熱器可選用的材料有:

18、聚甲基丙烯酸甲酯、鎳、銅、不銹鋼、陶瓷、硅、Si3N4和鋁等。采用鎳材料的微通道換熱器,單位體積的傳熱性能比相應聚合體材料的換熱器高5倍多,單位質量的傳熱性能也提高了50%。采用銅材料,可將金屬板材加工成小而光滑的流體通道,且可精確控制翅片尺寸和平板厚度,達到幾十微米級,經釬焊形成平板錯流式結構,傳熱系數可達45MW/(m3K),是傳統緊湊式換熱器的20倍。采用硅、Si3N4等材料可制造結構更為復雜的多層結構,通過各向異性的蝕刻過程可完成加工新型換熱器,使用夾層和堆砌技術可制造出各種結構和尺寸,如通道為角錐結構的換熱器。大尺度微通道換熱器形成微通道規?；纳a技術主要是受擠壓技術,受壓力加工技

19、術所限,可選用的材料也極為有限,主要為鋁及鋁合金。來源：安世亞太加工技術隨著微加工技術的提高,目前可以加工出流道深度范圍為幾微米至幾百微米的高效微型換熱器。此類微加工技術包括:平板印刷術、化學刻蝕技術、光刻電鑄注塑技術(LIGA)、鉆石切削技術、線切割及離子束加工技術等。燒結網式多孔微型換熱器采用粉末冶金方式制作。大尺度下微通道的加工與微尺度下微通道的加工方式顯著不同,前者需要更高效的加工制造技術。電子散熱器具有高熱流密度、高傳熱功率、高溫度穩定性等特點，其通過高導熱率的熱界面材料與電子元器件表面緊密接觸，通過傳導、對流、輻射等熱傳遞方式協助將電子元器件工作過程中產生的大量熱量散發到外界環境中

20、。電子散熱器電子產品散熱技術主要指外部熱設計的方法、方式和技術，涉及與傳熱有關的散熱或冷卻方式、材料等多方面內容，目前應用較多的電子產品散熱技術主要有空氣冷卻技術、液體冷卻技術、射流沖擊冷卻技術、相變冷卻技術、熱管傳熱技術、微通道傳熱技術、熱電制冷技術等。電子產品散熱技術20數據來源：國際流體動力系統會議ISC21電子散熱器在電子產品設計中，提高性能和增加可靠性必須要求電子產品具有良好的散熱性，降低產品造價也需要有良好的散熱解決方案。通過采用合適的散熱技術和散熱方案，可能減少銀、銅等貴重金屬材料的使用，在更低的成本下實現同樣的散熱效果。提升電子產品性能與可靠性電子系統故障平均間隔時間隨溫度倒數

21、呈指數增加。溫度越低，故障平均間隔時間越大，因此溫度的降低有助于提高系統的可靠性。溫度的降低也會降低電子產品失效概率，與溫度有關的失效通常被分為機械失效、腐蝕失效和電氣失效，具體如下：22制造企業* 參考來源：智研咨詢DEEPCOOL 九州風神深圳市超頻三科技COOLER MASTER 酷冷至尊Thermaltake（Tt）曜越科技AVCEvercool 捷冷ASUS 華碩ENERMAX 安耐美Corsair 海盜船ZALMAN 深圳思名燁科技電子散熱器國內主要品牌*排名不分企業規模大小散熱器的種類非常多，CPU、顯卡、主板芯片組、硬盤、機箱、電源甚至光驅和內存都會需要散熱器，這些不同的散熱器

22、是不能混用的，而其中最常接觸的就是CPU的散熱器。國內散熱器的主要品牌包括：3D打印的優勢3D打印在熱交換器的優勢23流體通道復雜且小非常薄的翅片更緊湊、更輕、效率更高避免釬焊可通過表面光潔度改善熱傳遞效果3D打印熱交換器的優勢- 使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁的形成而形成的流體通路- 允許整體制造非常薄的翅片,適合加工翅片極薄、帶有狹小內部通道的熱交換器- 可以通過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。- 避免釬焊，減少故障發生- 更輕，效率更高- 通過傳統制造工藝無法制造出來，更加錯綜復雜熱交換器圖片來源：雷尼紹3D打印的優勢24一體化結構實現：3D打印技術

23、可以將幾個零件以整體的方式制造出來，這種更高效的設計過程使得熱交換器不易發生泄漏，并且能夠更好地處理高壓應用。在熱交換器的世界中，這是重要的，因為傳統制造方法的缺點之一是有泄漏的風險。薄壁：3D打印可以將壁構造成類似于200微米這樣的薄度，從而使熱交換器應用更加高效，這些壁很薄，它們仍然能夠承受高壓，無論是使用金屬還是某種類型的塑料來制造這些更薄的壁，材料的節省都是巨大的。減少腐蝕：在熱交換器的整個使用壽命期間，遇到的最大問題之一是腐蝕。通過定期維護，可能會立即捕獲并處理一些腐蝕，但如果問題已存在一段時間，則通常無法在不更換部件的情況下對其進行任何操作。圖片來源： https:/ Martuk

24、anitz，賓夕法尼亞州立大學直接數字沉積創新材料加工中心）。https:/ EOS減少污垢：熱交換器是復雜的機器，因此，在操作過程中可以進行多種操作。最常見的問題之一是結垢，即當某種類型的外來物質沉積物進入傳熱表面時。這可以包括沉降結垢，反溶解污垢和化學反應結垢等。降低成本：一體式3D打印熱交換器為制造商節省了資金，在過去，組裝需要將非常細的管釬焊到歧管上。這不僅經常導致高壓應用中的大量泄漏情況，而且該過程不必要地具有挑戰性。3D打印的交換器不會遇到這個問題，因為所有部件都是在一個連續的過程中組合在一起的。更輕，更高效： 3D打印的熱交換器比其他方式制造的熱交換器更輕，更有效。某些案例中通過

25、3D打印技術生產的熱交換器比使用其他方法生產的熱交換器輕約20，效率高20?？赡苄灾凰芰喜糠痔娲饘匐m然塑料和其他類似材料具有極差的熱性能，但通過3D打印，它們具有更大的表面積，這可以彌補差異。同樣的研究還表明，熱傳遞對表面積變化的敏感性比導電率高約160倍，并且使用3D打印可以輕松實現增加的表面積，特別是在使用非金屬材料時。3D打印開啟更多可能27換熱器市場規模到2020年預計將超過200億美元，使其比以往更具競爭力。在這種情況下，制造商將繼續尋找更多制造方法來盡可能地改進他們的工作方式，同時保持高水平的質量?？赡苄灾嗖牧夏壳坝媒饘龠M行3D打印的一個缺點是它很昂貴，而由塑料制成的熱交

26、換器效率低，因為塑料是熱能的不良導體?？梢?D打印由塑料和石墨烯或陶瓷的混合物制成的熱交換器，以應對這種潛在的問題。3D打印在散熱器與換熱器領域的精華應用案例28熱交換器 錯綜復雜的形狀下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術29熱交換器 錯綜復雜的形狀GE9X擁有304個通過增材制造的零件，涵蓋了七大類型的3D打印零部件。GE9X的換熱器傳統上由數十根細金屬管組成。用于GE9X的3D打印熱交換器具有完全不同的外形，其中包括優化的通道和復雜的內部幾何形狀，可充分利用增材制造可以實現的設計自由度。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術GE9X上的7大3D打印零部件：- 燃油噴油嘴- T25傳感器外殼-

27、 熱交換器- 誘導器- 第5階段低壓渦輪（LPT）葉片- 第六階段LPT葉片- 燃燒器攪拌機重新創造熱交換器的商業化案例30Conflux Core熱交換器開發過程非?？?，現在，獲得專利的Conflux熱交換器在各個行業都有各種應用，包括航空航天，汽車，石油和天然氣，化學處理和微處理器冷卻。Conflux在某些實驗中發現3D打印的熱交換器的熱絕熱性能比傳統熱交換器高三倍。這歸功于3D打印熱交換器的復雜內部幾何形狀，這增加了表面積而不增加體積。圖片來源：https:/work/conflux-technology-reinventing-heat-exchangers/Conflux選區金屬熔化

28、3D打印技術重新創造熱交換器的商業化案例31HiETA成立于2011年，旨在通過增材制造的方法開發用于生產各種熱管理應用的復雜、輕型結構的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃氣輪機的熱交換器、渦輪機械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統，以及用于高效內燃機散熱的部件。HiETA已經注冊了一些通過3D打印增材制造技術生產熱交換器的專利。競爭力涵蓋整個增材制造產品的開發流程，從理解客戶要求開始，提供從初始設計到計算流體動力學（CFD）、有限元分析（FEA）、3D打印、測試和驗證完整過程的工程開發服務。HiETA還開發了專用參數包，包括開發Inconel材料的無泄漏薄壁結構

29、，厚度達150微米。通過Renishaw在Staffordshire工廠里的AM250和HiETA在布里斯托爾和巴斯科學園附近的設備來完成產品的制造。HiETA選區金屬熔化3D打印技術英國的汽車集成商Delta Motorsports的3D打印熱交換器項目。長方體換熱器（換熱器），用作電動車輛的擴展裝置。通過3D打印，HiETA生產的零件通常比市場上同等效率傳統方法制造的產品重量輕40。這些集成式一體化的設計對于傳統加工方法來說是非常困難的。重新創造熱交換器的商業化案例 汽車大燈散熱器32英國Betatype開發了適合通過增材制造技術生產的汽車LED大燈散熱器，并通過粉末床選區激光熔融設備實現

30、了批量生產。Betatype在設計方面做了全面考慮，設計師采用了功能集成化的設計，并設計了內置支撐功能，該功能使得打印零件無需添加額外的支撐結構。完成后的打印件通過手工的方式即可從基板中分離，無需借助其他分離切割設備。Betatype 在使用多激光器3D打印設備，例如雷尼紹RenAM 500Q， 制造散熱器時所用的時間進一步減少至19個小時以下。Betatype對這類高效率生產系統的產能進行了計算，結合優化的設計方案和打印工藝，每個系統生產一年的產能從7055個增加到135,168個，實現19倍的提高，如果安裝7臺設備，每年可以生產接近100萬個3D打印零件。Betatype選區金屬熔化3D打

31、印技術Betatype 通過智能化的設計技術減少熱應力，將熱變形最小化。最終，散熱器可以以堆疊的形式進行擺放，從而實現生產量的最大化。國內熱交換器設計優化案例 汽車行業33存在問題：傳統制作工藝流程復雜，加工周期長，特別是新產品開發期間；復雜散熱器零件結構傳統工藝實現不了，設計和制造有一定局限性；方案：優化設計結構，整體化打印散熱器；優化內部散熱片結構，改善冷卻效果；打印成形特殊的表面光潔度和內部紋路結構可以改善散熱效果；優化結果：一體化打印成形復雜內部散熱結構，簡化加工工藝，提升制作效率；制造出復雜的翼片結構，為設計提供無限可能，可充分提升散熱效果；一體化成形，可以減少零件數量，減少裝配工序

32、，節省成本；需要進一步提高的地方：傳統的制作方式翼片厚度可以做到0.05mm，而金屬3D打印產品壁厚太薄時容易產生變形問題；案例來源：漢邦科技34熱交換器 - 用于供暖、通風、制冷參考來源：https:/ - 它們過于復雜，無法通過傳統工藝進行經濟制造。馬里蘭大學的團隊優化了他們的換熱器設計，因此可以將其打印成單個連續件。從而提高性能和可靠性。作為蒸發器和冷凝器的熱交換器可用于商業和住宅空調或不同尺寸的熱泵系統。馬里蘭大學開發的1千瓦（kW）小型空氣 - 制冷劑熱交換器原型為新設計鋪平了道路，有助于減少每年用于供暖，通風，空調和制冷的能源。除1kW型號外，馬里蘭大學還將制造10kW原型作為當前

33、項目的一部分。兩種原型都將在三噸熱泵中進行測試和演示。馬里蘭大學的研究團隊預計，新的換熱器將在五年內投入商業生產。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術35熱交換器 螺旋結構下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術意大利Aidro公司3D打印的內部螺旋結構的熱交換器。意大利AIDRO開發的散熱器36熱交換器 微通道散熱下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術In-board冷卻多層線路板與內置的冷卻通道被集成在一起，冷卻器部分由鎳基合金制成，厚度約0.8mm德國IQ evolution開發和制造高效，用于半導體激光器和電子設備冷卻的微通道散熱器。典型例子包括冷卻高功率二極管激光器或晶體管冷卻。圖片來源：

34、IQ 散熱器 銅電子散熱銅選區金屬熔化3D打印技術TheSys開發的CPU熱交換器，結果是CPU冷卻器以相同的冷卻性能運行，卻節約了81的空間。并且極大地縮短了開發時間（和成本）。除了CPU冷卻器外，還可以用于其他電子應用，包括高功率LED，激光器，自動駕駛單元，電力電子和化學微反應器。37圖片來源：EOS結構一體化圖片來源：StratasysStratasys的3D打印服務業務制造的銅材料復雜形狀的散熱器，避免了焊接的需求，使得結構更加緊湊。圖片來源： Heraeus由Heraeus增材制造有限公司與HyperganicTechnologies合作設計和制造的銅質熱交換器散熱器 電子散熱微通

35、道選區金屬熔化3D打印技術金屬3D打印可以廣泛的應用與電子產品的微通道散熱結構制造中，例如激光二極管的散熱，晶體管冷卻等等。38圖片來源：內置散熱在制造多層電路板的過程中，可以將冷卻系統集成制造在電路板的內部，圖片上的案例中冷卻系統是有鎳基合金制造而成的，厚度為0.8mm,整個多層電路板的厚度為1.3mm。39熱交換器 薄壁結構為了優化熱交換器的設計，通過達索的Solidworks設計，西門子的PLM軟件進行仿真與優化，通過歐特克的Netfabb完成3D打印準備。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術3D Medlab制造的薄壁熱交換器，翅片厚度達0.2mm，彎管厚度達0.5mm, 整體熱交換器

36、尺寸為100 x120 x25mm。40熱交換器 薄壁結構Spartacus3D 為亞里士多德大學賽車隊制造的AlSi10Mg材質熱交換器下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術印度ARCI通過3D打印制造的微通道換熱器41熱交換器 輕量化TEMISTh通過增材制造的新型熱交換系統，不僅實現了輕量化，還避免了焊接帶來的泄露風險，可以用做汽車領域的熱交換器和用于螺旋結構制造的印刷線路PCHE熱交換器。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術42熱交換器 錯綜復雜的形狀2019年GE宣布與馬里蘭大學和橡樹嶺國家實驗室合作研發UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內完成開發計劃，實現更高效的能量轉換和更低的排

37、放。GE希望新型換熱器將在超過900C的溫度和高于250 bar的壓力下運行，超臨界CO2動力循環的熱效率提高4，在提高動力輸出的同時減少排放。材料方面，這種新型換熱器將利用獨特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團隊為增材制造工藝而設計的材料。該熱交換器包括多個增材制造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯綜復雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統的制造方法無法制造出來。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術Ultra P 隨形形狀美國聯合技術-UTC與America Makes、Stratonics, 3DSIM, 3rd Dimension, 普惠航空合作開發出

38、具有隨形形狀的熱交換器，可充分利用考近發動機的可用空間，提高比傳熱能力，并降低總體燃料消耗率。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術http:/ 薄壁共形結構AddUp，Sogeclair和TEMISTh合作的HEWAM項目，開發的Inconel 718材料熱交換器，確保薄壁（0.5mm）無泄漏和薄翅片（0.15mm）。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術45熱交換器 塑料3D打印憑借3D打印帶來的設計自由度，通過塑料3D打印能夠創建具有多種形狀的熱交換器，這些熱交換器能夠使用較小體積的流體傳遞2倍的熱量。能夠將混合器直接制造成流動通道，然后將它們組裝到板上，大大降低了與裝配和勞動相關的成本。下

39、一代換熱器塑料3D打印技術圖片來源：C集成熱交換器的齒輪箱46GE開發的集成熱交換器的一體化齒輪箱不僅可以將齒輪箱和熱交換器以整體結構制造出來，而且還可以實現非常薄的壁厚，至少一個熱交換壁具有小于4毫米的厚度。這種設計理念可以類似地應用于各種變速箱，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?？梢詰玫狡?、航空、海事等領域。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?？梢酝ㄟ^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，并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

40、改變特定區域的表面光潔度。圖片來源： GE專利US 10247296 B47熱交換器 Gyroid結構Autodesk使用Gyroid結構集成到汽車底盤中的熱交換器，可提高熱效率，該熱交換器采用最少的支撐結構進行增材制造。下一代換熱器選區金屬熔化3D打印技術西安鉑力特3D打印的螺旋結構。48熱交換器 - 用于供暖、通風、制冷參考來源： 空間應用-多材料3D打印Fabrisonic2014年，美國宇航局的噴氣推進實驗室（JPL）授予總部位于俄亥俄州的Fabrisonic種子基金，以開發其用于改進金屬換熱器的混合超聲波增材制造（UAM）工藝。經過多年來JPL的持續支持和深入的開發和測試，Fabri

41、sonic已成功開發出泵送式流體回路換熱器，與傳統的環氧管式換熱器相比，它更輕，更高效，生產更快。熱交換器在NASA的行星際漫游車任務中發揮著關鍵作用，因為這些組件對于調節設備敏感電子設備的溫度至關重要。3D打印熱交換器的重量也從1.82千克減少到1.26千克。重要的是，與至少兩個月相比，3D打印熱交換器的交付周期在兩周時要低得多。最后，UAM熱交換器的熱導率提高了約25-35。由于其低溫打印的特點，UAM技術還能夠將傳感器嵌入固體金屬部件中。對于熱交換器應用，這可能意味著改進控制和監控。Resource：work/fabrisonic-nasa-heat-exchanger-uam/UAM超

42、聲增材制造技術50熱交換器 -多材料3D打印DMGMORI德馬吉森精機通過混合增材制造設備將銅與不銹鋼3D打印為一體化熱交換器結構件，將需要熱交換效率高的部位用銅金屬來制造，提高了熱交換效率，并節約了成本。在另一個案例中，德馬吉森精機用SLM粉末床金屬熔化技術來制造散熱結構的底部（含精細的微小通道），而在這個底部結構的基礎上，通過另外一臺混合增材制造設備進行蜂窩結構的加工，使得整個零件成為一體化結構件完成，避免了焊接需求，并提高了加工效率。SLM以及Hybrid技術混合增材制造設備制造的銅與不銹鋼結構一體化換熱器SLM技術與混合增材制造設備搭配完成的一體化結構件，可用于換熱器概念組成3D打印在

43、散熱器與換熱器領域的代表性知識產權在熱交換器和散熱器的3D打印領域，國際和國內企業都頗為積極，3D科學谷判斷，這些前沿性的研究將推動下一代熱交換器和散熱器的出現，尤其是在消費電子、航空航天和汽車應用領域。國內包括西南電子技術研究所（中國電子科技集團公司第十研究所），中國航空工業集團公司西安飛機設計研究所，成都三鼎日新激光科技有限公司，深圳市大觀科技有限公司，愛美達（上海）熱能系統有限公司，中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，中國工程物理研究院機械制造工藝研究所以及大連理工大學，北京工業大學，重慶大學等高校都在3D打印熱交換器和散熱器方面有著自己的開發成果。51活躍企業航空航天領域活躍3

44、D打印熱交換器的國際企業消費電子領域活躍3D打印熱交換器的國際企業來源：3D科學谷市場研究52微通道Resource：http:/ 采用激光3D打印成型技術保證了梭形散熱器的無失真性，使得內部微通道壁面平整，從而可得到結構更為優化的微通道散熱器。此外，采用摻有稀土元素鎳基合金粉末，制成實體硬度及耐腐蝕性能高于傳統銅或鋁材，獲得更長的使用壽命。CN108759533A53微通道Resource：http:/ 微通道散熱&飛機蒙皮Resource：http:/ 這種雙層飛機蒙皮熱交換器安裝在機身蒙皮外表面，利用空氣帶走液體的熱量，減小了系統對飛機的燃油代償損失。CN105416563A ，US 2

45、0150122947 A1，US 20170029126 A1飛機蒙皮散熱微軟正在研究如何通過3D打印技術來改善電子設備的散熱裝置。3D打印散熱裝置可實現優化和可定制的散熱解決方案。例如，通過3D打印技術可以制造那些傳統制造方法難以加工的緊湊型彎曲形狀和非平面幾何形狀。由于制造的幾何公差要求，傳統制造方法在加工這些散熱裝置的時候很難滿足帶微處理器的電子設備內的緊密空間的空間狹小的挑戰，而通過3D打印制造的通道來實現散熱器的連接可以滿足空間狹小帶來的挑戰。利用改進的散熱功能，微軟可以為電子設備安裝更強大的微處理器，可以設計更薄的電子設備，可以提供更高的處理速度。構成熱管理系統的多個熱管理裝置還可

46、以作為單個組件一次性通過3D打印技術制造出來，從而消除使用熱效率低的粘合方法來連接多個熱管理裝置，減少了熱管理系統的重量，減小了熱管理系統的整體尺寸。微軟所開發的3D打印的翅片可以設計成可變密度，使得從處理器到殼體的熱傳遞是可控的。在更靠近發熱部件的區域中，翅片可具有低密度/高孔隙率。翅片可以更密集，增加熱傳遞效率。通過調節翅片密度可以為殼體的外表面提供均勻的溫度分布，從而提供更優化的熱傳遞。US10054995B254電子散熱器Resource：http:/ LLC正在通過3D打印技術和其他技術的結合來提供下一代微處理器的冷卻解決方案。與水不同，介電冷卻劑可以與電子設備直接接觸而不會對其造成

47、傷害。遺憾的是，介電冷卻劑的比熱比水低，因此它們不適合用于單相泵送液體冷卻系統。這意味著通過合理地加熱介電冷卻劑流來冷卻微處理器將需要比用于通過合理地冷卻相同微處理器的水的流速高大約四倍的流速。這種較高的流速需要更多的泵功率，這意味著更低的冷卻系統效率。Ebullient LLC正在開發的冷卻解決方案具有高效率、模塊化、靈活、快速連接、小尺寸和熱插拔性的特點，冷卻裝置可以制成適合于結合在汽車，飛機和其他車輛中的較小尺寸，這可以結合到需要冷卻的電池，逆變器和其他電子設備中，并且可以小型化以用于平板計算機以及手持移動電子設備中。散熱器模塊*的冷卻劑通道可以通過3D打印技術直接形成在移動設備的電路板

48、上。當然，3D打印還可以直接將冷卻劑通道打印在移動設備的處理器，存儲器模塊或其他電子組件上。US9852963B255電子 下一代微處理器的散熱Resource： CN106940148A電子 相變材料Resource： 相變材料Resource：http:/ Industries正在開發一種新型的熱交換器，這種熱交換器包括第一流體入口的第一歧管和限定第二流體入口的第二歧管。這是一種形狀十分復雜的熱交換器，其中，第一組雙曲線流動通道包括一組分叉流動通道，其中包括多個鞍形點，在該鞍形點處，該組第一分叉流動通道中的兩個沿著一個平面漸近地會聚，然后在正交平面上漸近地發散。第二組雙曲線流動通道與第二流

49、體入口流體連通。Unison Industries所開發的這款熱交換器是設置在飛機的航空電子設備底盤中。不過其設計原理理論上可以拓展到非飛機的應用領域，以及其他移動應用和非移動工業，商業和住宅應用。其設計的核心理念是通過復雜的幾何形狀提供了多達50或更多的散熱效率。此外，雙曲線，分叉和相互纏繞的幾何形狀提供更大的傳熱系數，不僅改善了熱交換器的效率，同時使壓力損失最小化并改善了傳熱系數。US10107555B158航空航天 異形Resource：http:/ 這種熱交換結構可以類似地用于汽車，航空，海事和其他工業中，以幫助流體之間的熱傳遞。3D打印技術允許整體制造非常薄的翅片，例如具有介于約0.

50、10mm和5.08mm之間厚度的翅片。制造極薄翅片的能力也使得能夠制造熱交換器具有非常大的熱交換特征密度。熱交換器可以包括薄壁（小于0.76mm），窄通道和新穎的熱交換特征。所有這些特征可能十分復雜，以最大化熱傳遞效果，并使熱交換器的尺寸或占地面積最小化。此外，增材制造工藝使得能夠制造具有不同材料，特定傳熱系數或所需表面紋理的結構，可以增強或限制通過通道的流體流動。US10175003B259航空航天 薄壁、薄翅片GE通過3D打印實現散熱裝置與電路卡共形的復雜幾何形狀，GE開發的熱管理系統中的殼體，芯結構通過3D打印-增材制造工藝整體完成。通過3D打印-增材制造技術來制造整個結構，使得散熱裝置