3D打印螺旋结构、高强度材料、流体力学仿真，合力突破热交换器的设计与效率

| 3DScienceValley · 2020/02/23

长期以来，传统的建模方式和无法实现复杂几何形状的制造工艺，制约着热交换器设计与效率的突破，而面向增材制造的高性能复杂几何结构，以及高强度铝合金3D打印材料，为热交换器设计的突破带来了新的可能性。

本期，3D科学谷将分享一个3D打印飞机燃油滑油热交换器（FCOC）的设计案例，这一热交换器集成了螺旋内部结构，制造材料为高强度3D打印铝合金材料7A77.60L，其表面积增加了146％，壁厚减少50％，传热率提高300％，在设计和效率方面实现了突破。

3D打印FCOC热交换器的内表面。来源：Ansys

面向增材制造的设计，提升热交换器性能

飞机机翼中冷却的燃油，将可能产生结晶从而阻塞系统，但这些冷却的燃料也为调节飞机燃烧室、机械和电气系统的温度提供了一种方法。通过燃油滑油热交换器（FCOC）在机油和燃料之间传递热能，将能够起到以下作用：

使机油冷却到足以润滑和冷却系统
防止燃料结晶
使燃油接近点火温度

FCOC热交换器需要满足严格的尺寸，形状和重量限制才能适合飞机的配置，因此这类热交换器的设计优化是具有挑战的，在设计时受限于最大化内壁的表面积和内壁厚度等因素。

通常，FCOC热交换器是相对而言易于设计与制造的管壳式热交换器。而借助金属增材制造-3D打印技术，拓扑优化和计算流体力学（CFD）仿真技术，能够设计与制造出以往无法生产的热交换器。

3D打印FCOC热交换器原型。来源：Ansys

通过图片可以看到，3D打印热交换器的内部表面是一种螺旋(gyroid)结构。在这一案例中，设计师使用nTop Platform 软件，获得最大化的表面积/重量比，使用三维周期性极小化曲面（TPMS）结构生成燃油滑油热交换器的内部。

螺旋(gyroid) 是一种TPMS，可用于定义内部体积，该内部表面积增加了146%，强度也得到了提升，同时使质量最小化。采用这种高性能几何结构，热交换器的传热率提高300％。这种带有螺旋内部结构的热交换器是无法使用传统技术实现的，但是金属3D打印技术能够制造这类复杂结构的热交换器。

为了实现薄壁结构，设计师尝试使用了一种高强度3D打印铝合金。根据3D科学谷的市场观察，这种材料是HRL实验室开发的7A77.60L铝粉，成型后的材料无裂纹、等轴（即晶粒在长度、宽度和高度上大致相等），实现了细晶粒微观结构，并与锻造材料具有相当的材料强度，3D打印的铝合金材料平均屈服强度高达580 MPa，极限强度超过600 MPa，平均伸长率超过8％。也正是使用这一材料，使得燃油滑油热交换器的壁厚减少了一半，同时又保持了飞机的关键结构要求，例如爆破压力。

在热交换器的设计迭代阶段，设计师使用了Ansys计算流体力学软件CFX 评估FCOC热交换器设计的性能。设计师将nTop Platform和ANSYS CFX集成到自动化工作流程中，将热交换器设计的性能进一步提高12％。