美國企業(yè)集團(tuán)GE的研發(fā)部門GE Research已經(jīng)成功地在高達(dá)900°C的溫度下測試了一種新型3D打印熱交換器原型。與馬里蘭大學(xué)和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）一起設(shè)計(jì)的GE Research的次規(guī)模熱調(diào)節(jié)裝置具有獨(dú)特的葡萄狀幾何形狀，使其具有極端的耐熱和耐壓性能?，F(xiàn)在已經(jīng)通過了初步試驗(yàn)，其溫度超過了目前最先進(jìn)的設(shè)備的能力，超過了200°C，通用電氣研究公司表示，其原型可以在能源部門找到應(yīng)用，"在現(xiàn)有和下一代發(fā)電廠和噴氣發(fā)動機(jī)平臺上實(shí)現(xiàn)更清潔、更有效的發(fā)電"。

據(jù)通用電氣研究院的首席工程師Lana Osusky說，增材制造在項(xiàng)目的早期成功中發(fā)揮了重要作用。"她說："3D打印工藝和設(shè)計(jì)工具所提供的設(shè)計(jì)自由度使我們能夠更迅速地開發(fā)、建造和測試新的熱交換器設(shè)計(jì)，這在以前是不可能的。"我們可能不想吃這些葡萄，但當(dāng)我們完成這個(gè)關(guān)鍵的里程碑時(shí)，我們還是嘗到了勝利的滋味"。

通用電氣研究院和3D打印

作為一家跨國企業(yè)集團(tuán)的研發(fā)部門，通用電氣研究院從事的項(xiàng)目范圍很廣，從先進(jìn)的機(jī)器人到生物制品，但它也有一個(gè)強(qiáng)大的3D打印團(tuán)隊(duì)，專注于開發(fā)材料、機(jī)械工藝和光學(xué)技術(shù)，以提高該技術(shù)的潛力，特別是在國防應(yīng)用中。在其之前的身份--通用電氣全球研究部下，該業(yè)務(wù)得到了America Makes的支持，與勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）一起開發(fā)了一臺商業(yè)級金屬3D打印機(jī)。該項(xiàng)目緊隨通用電氣研究公司的美國海軍合同之后，該公司獲得了900萬美元的資金，用于開發(fā)一種數(shù)字配對海軍零件的方法，以加速關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備的生產(chǎn)。

最近，GE研究院的Forge實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一個(gè)安全的3D打印區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，能夠以保護(hù)數(shù)據(jù)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊的方式進(jìn)行加密，并從國防高級研究計(jì)劃局獲得了進(jìn)一步的軍事資助，以增材制造一個(gè) "憑空產(chǎn)生水 "的系統(tǒng)。鑒于通用電氣在航空航天領(lǐng)域有著悠久的歷史，而且其通用電氣航空部門已經(jīng)主動采用了3D打印技術(shù)，因此其通用電氣研究部門現(xiàn)在開發(fā)了一種優(yōu)化的熱調(diào)節(jié)裝置也就不足為奇了，它說這種裝置可以在飛行中 "打破效率障礙 "并 "減少碳排放"。

通用電氣研究部的3D打印次規(guī)模熱交換器原型。圖片來自通用電氣研究院。

達(dá)到一個(gè)熱能的里程碑

自2019年初以來，GE研究院一直在通過ARPA-E的 "通過材料和制造工藝的高強(qiáng)度熱交換 "或 "HITEMMP "計(jì)劃開發(fā)其新型熱交換器。原則上，這個(gè)價(jià)值310萬美元的項(xiàng)目旨在產(chǎn)生一種緊湊的耐溫耐壓熱交換器，能夠以更高的效率運(yùn)行電力渦輪機(jī)和噴氣發(fā)動機(jī)。

在該項(xiàng)目中，由Osusky領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)跨學(xué)科專家團(tuán)隊(duì)利用GE研究院設(shè)計(jì)的鎳超合金，創(chuàng)造了他們稱之為 "UPHEAT "的熱交換器。通過大量的模擬、原型設(shè)計(jì)和測試，科學(xué)家們的3D打印設(shè)備具有薄壁單元的集合，松散地類似于葡萄。與著名的腐蝕科學(xué)專家ORNL合作，GE Research現(xiàn)在已經(jīng)測試了其溫度調(diào)節(jié)裝置的熱阻，它不僅達(dá)到了項(xiàng)目的最初目標(biāo)900°C，而且實(shí)現(xiàn)了接近一半的目標(biāo)壓力3626磅/平方英寸，該團(tuán)隊(duì)打算在2022年第一季度之前交付一個(gè)完全符合要求的示范原型。

"從調(diào)節(jié)你在飛機(jī)上呼吸的空氣到保持你的汽車發(fā)動機(jī)、計(jì)算機(jī)和其他電子產(chǎn)品的冷卻，熱交換器發(fā)揮著重要的功能，在我們的日常生活中無處不在，"通用電氣在其發(fā)布的新聞稿中總結(jié)道。"對GE來說，這些設(shè)備對于以最清潔、最有效的方式為世界提供大規(guī)模發(fā)電和噴氣推進(jìn)系統(tǒng)至關(guān)重要。"

優(yōu)化熱交換器設(shè)計(jì)

在過去的三年里，3D打印所釋放的設(shè)計(jì)靈活性已經(jīng)越來越多地看到該技術(shù)被用來開發(fā)具有獨(dú)特幾何形狀和熱阻質(zhì)量的熱交換器。例如，2021年2月，3D Systems公司與美國陸軍簽訂合同，幫助生產(chǎn)3D打印拓?fù)鋬?yōu)化的熱交換器。早在2019年5月，ARPA-E還授予密歇根州立大學(xué)230萬美元，用于開發(fā)一種用于發(fā)電應(yīng)用的新型添加劑制造的熱交換器。使用適合LPBF的合金，該團(tuán)隊(duì)正在努力創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展的、緊湊的熱設(shè)備，該設(shè)備具有很強(qiáng)的抗腐蝕性和高溫性。

與此同時(shí)，固態(tài)金屬3D打印專家Fabrisonic公司一直與美國宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）合作，3D打印可用于太空的熱交換器。本月早些時(shí)候，該公司能夠幫助設(shè)計(jì)一個(gè)新的單件零件，消除了幾十個(gè)在長期任務(wù)中可能出現(xiàn)故障的小部件和接頭。

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