3D打印重塑热交换器设计，效率提升50%的时代已来

  3D打印重复杂交错的内部流道在金属内部蜿蜒伸展，薄如发丝的壁面将冷热流体分隔开来——这不是科幻场景，而是当今3D打印热交换器的真实内部结构。而创造这些“不可能结构”的钥匙，正藏在设计-仿真一体化软件中。
  

  威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们最近展示了一款革命性的热交换器：利用拓扑优化设计和金属3D打印技术制造，内部通道呈扭曲微流道结构。测试结果显示，其功率密度比传统设计高出27%，传热效率大幅提升。 “传统热交换器通过直管输送流体，主要因为易于制造，但这并非最佳传热几何形状。”项目负责人钱小平教授道出了行业痛点。而如今，新一代设计软件让工程师能自由探索最优流道形态。
  

  随着全球数十亿台热交换器在从手机到发电厂的各个领域运行，这项看似不起眼的技术正因3D打印发生根本性变革。

01 技术突破，热交换领域迎来新纪元

  2025年5月，威斯康星大学的研究团队在《国际传热传质杂志》上发表突破性成果。他们结合拓扑优化与金属3D打印技术，开发出具有扭曲微流道结构的高温热交换器。

  该设计在计算机上完成优化后，使用激光粉末床熔融技术成功制造实物。从外观上看，优化后的热交换器与传统设计并无二致。但内部核心结构截然不同——冷热流体通道相互交织，形成复杂的几何形状。

  这些特殊结构引导流体沿扭曲路径流动，显著增强了传热效果。经热工水力测试验证，新设计不仅在传热效率上表现优异，功率密度更比传统热交换器高出27%。

  更高的功率密度意味着设备更轻、更紧凑，对航空航天领域尤为重要。

 02 设计变革：从直通道到仿生拓扑优化

  传统热交换器的发展已停滞数十年。“从设计和机械结构看，这些设备与30年前开发的几乎完全相同。”伊利诺伊大学教授比尔·金指出行业困境。传统制造工艺限制了设计自由度，工程师不得不在热效率、压降和设备尺寸之间艰难取舍。

  3D打印技术改变了这一局面。增材制造让工程师摆脱传统工艺束缚，创造出前所未有的复杂内部结构。

  “得益于增材制造技术，我们可以设计出各种形状，甚至是传统制造方法无法实现的无限复杂配置。”一位研究人员解释，这使得开发复杂三维几何形状成为可能，其中大通道促进流体循环，小通道优化热传递效率。

设计软件：解锁复杂晶格的关键工具

- 3DXpert：可生成Gyroid（螺旋二十四面体）等三周期极小曲面（TPMS）晶格，直接嵌入热交换器模型，并执行漏液检测和热力性能分析，确保设计可行性  

- Hyperganic HyDesign：集成Forward AM的Ultrasim晶格库，云端操作简化设计流程，支持无网格仿真预测热性能（偏差<5%），大幅降低试错成本