3D打印的热交换器，误差竟能改写20%性能？

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最近，来自新西兰坎特伯雷大学（University of Canterbury）的研究团队，在《International Journal of Heat and Mass Transfer》杂志发表了题为“Heat transfer and topological characterisation of TPMS structures using 3D printed materials”的文章，中文可翻译为：使用3D打印材料对TPMS结构的热传递和拓扑特征进行表征。创新解决了3D打印复杂结构热交换器的性能评估偏差问题。

      图：从每种打印材料处理后的μCT数据中截取的切片，按以下顺序排列：A）铝，B）烧结氧化铝，C）树脂，D）生坯氧化铝，E）尼龙，以及F）所有材料打印所依据的原始STL文件。箭头指向了与F中的基础STL文件相比，每种材料形成的结构设计中的不规则之处。图片来自文献
      传统研究普遍假设3D打印的三周期极小曲面（TPMS）结构与设计参数完全一致，但实际打印中，材料收缩、表面粗糙度等会导致拓扑参数偏移。研究团队发现，烧结氧化铝结构的孔隙率偏差达7%，液压直径误差达10%，尼龙材料因残留粉末导致通道堵塞，树脂材料存在150μm气泡缺陷。若直接使用设计参数计算传热性能，努塞尔数（Nusselt number）误差高达20%，严重影响不同材料间的性能对比。这一发现揭示了传统研究中参数假设的局限性，为高精度热交换器设计提供了关键依据。
       研究团队通过微计算机断层扫描（μCT）对5种材料（烧结氧化铝、未烧结氧化铝、树脂、铝、尼龙）的3D打印结构进行三维重构，分辨率达23μm。结合图像二值化和网格分析，精确量化孔隙率、液压直径和壁厚，发现烧结氧化铝因15.4%收缩需预先放大设计尺寸。热传递实验中，空气-水系统（Re=400-2500）采用电磁流量计和质流控制器，测量整体传热系数并分离壁面热阻；水-水系统验证双通道性能。材料热导率通过激光闪射法测定，铝（126 W/m·K）与树脂（0.22 W/m·K）相差572倍，但经μCT修正后，努塞尔数曲线趋于一致。

图：扫描电子显微镜（SEM）图像：A）绿色氧化铝打印件；B）烧结后的氧化铝打印件。图片来自文献

图：A) 铝的选区激光熔化（SLM）打印的扫描电子显微镜（SEM）图像。B) 尼龙的选区激光熔化（SLM）打印的扫描电子显微镜（SEM）图像。图片来自文献

研究发现：使用μCT实测参数后，不同材料的热传递性能差异消失。烧结氧化铝、铝和树脂在雷诺数相同条件下的努塞尔数偏差<5%，证明低导热树脂可作为快速原型材料。但若沿用设计参数，铝的努塞尔数被高估20%，树脂因壁面热阻主导导致计算误差激增。烧结氧化铝表面粗糙度（Ra=10.7μm）与铝（3.9μm）的差异未显著影响传热，而尼龙因微孔透水被淘汰。数据表明，拓扑参数7%的偏差即可改写热传递性能评价标准。

图：假设热交换器的拓扑参数与原始STL文件相同，忽略μCT分析，通过以下指标测量其性能：A) 总体传热系数；B) 在一系列流量下的努塞尔数。为了视觉清晰，铝的误差条已省略。图片来自文献
研究团队指出，需建立3D打印-μCT-性能预测的全流程标准：探索更多材料（如钛合金）的收缩规律，开发自适应补偿算法；优化TPMS旋转角度（现有研究达90°）对湍流的调控；提升μCT效率以支持实时质量监控。这项技术有望革新紧凑型换热器设计，在航空航天和能源领域实现轻量化与高性能的统一。
来源：CFD流热物语