综述：增材制造在功能流道产品中的应用

具有功能流道的产品可以传递质量或能量，已广泛应用于各个领域，包括航空航天、机器人和生物医学应用。这些具有复杂流道的产品使用传统加工方法通常是难以实现制造的，因此，传统加工方法在实现元件功能的时候通常会牺牲部分性能。在现有内部通道正常的产品在目前受传统制造方法限制的情况下，增材制造不仅为具有内部通道复杂的产品提供了一种新的制造方法，而且引发了新的设计方法的变革。到目前为止，多种增材制造技术在制造具有内部流道和其他内部结构的各种产品时得到了广泛的应用，如立体光固化(VP)、材料挤出成形(ME)、粉末床熔融(PBF)、直接能量沉积(DED)、材料喷射(MJ)、薄材叠层(SL)等。本文对增材制造在具有功能流道的产品的相关应用进行了综述。如图1所示，对热交换器、流体动力元件、质子交换膜燃料电池双极板和人造血管中的不同功能流道进行了总结，并讨论了增材制造在制造具有功能流道的产品时面临的挑战和未来的发展方向。

图1增材制造技术在具有内部流道产品中的一些典型应用

     本文给出了各功能流道产品的定义和典型需求。此外，对以往文献中，其他研究人员在制造具有功能流道的产品时基于增材制造的设计改进进行了总结。

热交换器中的流道:

流道作为热交换器的关键部件，其作用是利用流体的流动来传递热量，从而达到预期的加热或冷却效果。对于热交换器来说，热交换器中这些功能流道的典型需求是实现热交换器的高传热效率。其中提高流道的表面积/容积比是提高换热器换热效率的主要途径。使用常规加工方法很难实现具有复杂内部结构的流体换热通道，且常规加工方法中的焊接方法可能引起传热介质的泄漏，从而降低传热效率。

如图2所示，有部分研究人员关注的是如何在不增加尺寸和重量的情况下，通过增加微型和微通道的表面积/体积比来提高热交换器的换热效率。而一些文献主要研究增材制造通道的几何形状对传热性能的影响，由于增材制造极大的设计自由度，可以设计更多具有内部几何结构和非常规形状的换热流道，同时使得流体拓扑技术可以得到更好的应用。与此同时，在模具应用中，特别是塑料注射成型，采用增材制造技术，引入随形冷却流道以实现更好的冷却效果并提高冷却效率，从而提高生产效率。

图2 热交换器的增材制造流道设计:(a)带周向翅片和内膛线结构的歧管;(b)填有点阵结构的沟槽;(c)带混合器的聚合物通道;(d)空心液滴截面通道;(e)带内翅片的通道;(f)带内外翅片的通道;(g)螺旋共形冷却通道;(h)变距随形冷却通道;(i)热–液拓扑优化布局流道。

流体动力元件中的流道:

流体动力元件中流道的作用是利用流体流动来传递和控制液压力，从而实现所要求的驱动动作及控制功能。这些功能流道在流体动力部件中的典型需求是实现流体动力部件的高功率密度(或功重比)。因此，降低流道的能量损失或优化流道结构及排布以实现流体动力部件的轻量化是提高流体动力部件功率密度的两大主要途径。

由于增材制造技术的应用，可以消除传统加工产生的直角转弯及刀尖容腔，使用随形曲线过渡，从而减少了涡旋的产生，优化流动状态，从而降低了流动损失。同时增材制造可以一体化成形，从而消除工艺孔，消除了潜在的泄漏风险。同时增材制造将原有的交叉钻孔孔系结构转变为管网结构，从而可以去除冗余质量，从而有效地减小尺寸和重量。如图3所示，一些公司和高校对液压元件的增材制造进行了相关研究。

图 3 增材制造液压元件:原型和增材制造版本的比较(a)Renishaw， (b) Alshare等人，(c) Schmelzle等人; (d) Renishaw提出了一种新的增材制造设计优化流道;(e) Alshare等在新的增材制造设计中两个平面的压力分布;(f) Schmelzle等人提出了非圆形通道设计和应力分析。

我们实验室也做了增材制造液压集成块的相关工作，并取得了相应的结果。在图4中，我们展示了一个液压集成块的增材制造设计，其上连接了8个阀门和一个传感器。我们通过考虑利用渐变曲线的转弯、大的转弯半径和更少的转弯数来提高液压集成块中的流体流动性能。与原液压集成块相比，新型增材制造液压集成块使用了更耐腐蚀的316L不锈钢材料，而且重量减小了92%，主要功能油回路的平均压力损失降低了31%，最终实现了轻量的同时提高流了体流动性能。此外，由于流道的制造质量对流体流动的影响尚不清楚，我们实验室就增材制造成形质量对流体摩擦损失的影响也做了相关研究工作，测定并讨论了流道中摩擦损失系数。

图 4 浙江大学金属增材制造实验室制作的选区激光熔化液压集成块；增材制造通道之间的摩擦损失系数与经典理论的比较结果。

质子交换膜燃料电池双极板中的流道:

双极板是质子交换薄膜燃料电池的重要组成部分，它由流道组成。这些流道的作用是将燃料和氧化剂提供给反应部位，并去除反应产物，以便收集产生的电流。双极板中这些功能流道的典型需求是实现质子交换膜燃料电池的高能量转换效率。通过优化双极板内流道排布的路径，可以使化学反应物均匀分布，达到均匀的温度分布和均匀的电流密度分布，从而提高质子交换膜燃料电池的能量转换效率。

图 5 质子交换膜燃料电池组件示意图。

在以往的研究中，许多研究者将重点放在改进双极板的流场设计上，如仿生设计和一些特定的几何设计，利用增材制造技术具有的极大设计自由度，设计制造出使反应物均匀分布的流道，使反应物混合更加均匀，并降低双极板的压降，从而提高质子交换膜燃料电池的能量转换效率。部分工作如图6所示。

图6三维打印仿生双极板流场;具有三维多孔阴极流场和平行直阳极通道的质子交换膜燃料电池;带封闭通道的光固化双极板。

人造血管:

血管的功能是利用血液与组织液交换物质，为器官和组织提供氧气和营养，并排出废物。因此，人造血管必须满足足够的机械性能和良好的生物相容性的要求。

增材制造技术由于极高的设计自由度、使用材料的多样性和制造的高效性，开始被用于制造人造血管。一般来说，光固化(VP)和材料挤出成形(ME)是常用的两种增材制造技术。更具体地来讲，它们是材料挤出式打印，喷墨打印和激光辅助印刷。在以往文献中，研究者一直致力于保证人工血管的机械强度和生物相容性，一些典型的研究案例如图7所示。

图7 （a,b,c）材料挤出式打印; (d,e,f) 喷墨打印; (g,h,i)激光辅助打印。

由于增材制造技术在某些方面的显著优势，使具有功能流道的产品的设计和制造发生了革命性的变化。同时，增材制造技术应用于流道的设计和制造也面临一些挑战。增材制造技术对于具有功能流道的产品的优势和挑战如下:

优势:

(1)   流道排布及结构设计时具有极大的自由度:

在设计者进行流道的排布设计和进行复杂几何形状的流道制造时，增材制造具有极高的灵活性，如可以通过合理的设计优化整体流道的排布(如毛细结构、拓扑结构、甚至更复杂的不规则安排)和更优化的局部流道形状(如泪珠,菱形,椭圆,甚至更复杂的不规则形状);这些优化不仅有利于提高流道的换热效率、散热效率、流动效率或流场均匀性，而且有利于具有内部流道产品的小型化和轻量化。

(2)   实现功能流道元件的一体化集成制造:

增材制造技术可以一次性、一体化集成制造出具有内部流道的整体产品，去除不必要的冶金或机械联接接头，防止接头处的泄漏，从而大大提高产品的安全性和使用寿命。

(3)   制造可用材料的多样性:

许多功能流体对流道具有腐蚀性，因此往往希望使用耐腐蚀性高的材料来制造流道。然而，具有高耐蚀性的材料往往难以通过传统加工技术加工成结构复杂的理想流道。而增材制造技术有广泛的材料选择来制造具有高耐蚀性的流道。此外，流道可采用多材料复合打印，不同的材料可用于流道的不同部位，满足不同的性能要求，提高产品的整体性能。流道内还可打印各种传感器，实时感知流量和流体压力，为流动特性的实时监测提供传感数据，提高流道产品的智能化程度。

挑战:

虽然增材制造技术可以为功能流道产品的设计和制造带来许多优势，但在多尺度流道应用中仍存在许多挑战:如技术、工艺和质量的巨大差异。

首先，很难精确控制流道内表面的成形质量，包括表面粗糙度和轮廓精度，这对流体的流动效率和换热效率有很大的影响。不同的功能流道往往有不同的具体要求。例如，为了提高流体流动效率，需要降低液压元件中流道的内表面粗糙度，而增加换热器中流道的内表面粗糙度可以提高换热效率。

此外，流道质量的高精度无损检测方法和流道性能的检测方法也需要在今后的研究中探索。另外，虽然增材制造技术给流道带来了极大的设计自由度，但是对于流道的整体布局和局部结构设计，仍然缺乏科学有效的设计标准，特别是对于不同功能流道的产品，需要不同的设计标准。因此，当增材制造用于生产这些产品的内部流道时，科学家和工程师应该了解其优势和局限性，并做出相应的权衡。

该工作是由浙江大学机械学院祝毅副教授课题组完成，并在Additive Manufacturing上（IF=7.002）发表了题为 “Additive manufacturing of products withfunctional fluid channels: A review.” 的文章，对增材制造在具有功能流道的产品的相关应用进行了综述。机电系副研究员张超与硕士汪帅为本文的共同第一作者，祝毅副教授与彭涛副教授为本文的通信作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101490

原文始发于微信公众号（复杂零部件增材设计实验室）：综述：增材制造在功能流道产品中的应用