之前的文章提到，DfAM（针对3D打印的设计方法）充分利用了AM的独特优势，如形状自由度高、材料利用率高、易实现轻量化等，来创造出传统工艺难以企及的复杂结构。

而在众多DfAM的应用场景中，热交换器设计堪称重中之重。

3D打印STL模型分享，超复杂螺旋内流道热交换器

采用AM工艺结合DfAM理念，设计师可打破常规热交换器的束缚，转而采用新颖的流道设计，如变截面流道、分形流道、非光滑表面等，在给定体积内实现传热强化。

可以预见，AM热交换器将在新能源汽车、航天等高端装备领域大显身手。

而LEAP 71无疑是AM热交换器的先行者，他们不仅开源了自己的几何内核PicoGK和建模库ShapeKernel，还分享了基于此开发的螺旋式热交换器模型。

现在，就让我们一起来学习如何利用这些开源资源，DIY一款让传热系数"螺旋飙升"的热交换器吧。

准备起飞：配置开发环境

和之前的教程相似：3D打印参数化设计开源！月球火星都能用的车轮

在开始之前，请确保你已经安装了PicoGK以及ShapeKernel库。然后，从下载换热器源代码（文章评论可以获得源代码），将src文件夹复制到你的VS项目目录下。建议沿用这种"src文件夹存放工程代码"的项目结构。完成后，你的解决方案资源管理器应如下图所示：

定义入口：修改Program.cs

打开Program.cs文件，将其修改为如下所示：

using Leap71.ShapeKernel;using PicoGK;

try{    PicoGK.Library.Go(        0.5f,        Leap71.CoolCube.HelixHeatX.Task);}catch (Exception e){    Library.Log("Failed to run Task.");    Library.Log(e.ToString());    Library.oViewer().SetBackgroundColor(Cp.clrWarning);}

这里的关键是将热交换器的Task()函数作为委托传递给了PicoGK库的Go()函数。

当点击运行后，PicoGK库会初始化并执行Task()函数。而Task()的作用，就是实例化一个热交换器对象，并调用其voxConstruct()方法，后者包含了生成整个几何体的逻辑。由于PicoGK是基于Voxel体素的，所以还要指定一个关键参数——体素尺寸。

不得不说的体素尺寸

体素尺寸决定了几何细节的分辨率，以及生成几何体所需的时间和文件大小。

在实践中，建议先从较大的体素尺寸入手，以便快速迭代；

待外形满意后，再提高分辨率以获得更光滑的打印模型。

下表展示了不同体素尺寸下的生成效果和性能：

从表中可以看出，采用1mm的体素时，整个几何体只需30s就能生成；而采用0.2mm的体素，则需要数小时。

这种规律并非线性，0.3mm是一个实用的平衡点。

再看内部的冷却翅片，它们的壁厚只有0.4mm。在1mm分辨率下几乎难以辨认，0.5mm勉强可分辨轮廓，而0.3mm则能清晰呈现。

因此，对于外部较厚实的部分，用粗体素即可；而内部精细结构，则需要细体素。聪明的做法是将二者的代码尽量分开，这样就可以灵活地采用不同分辨率，既加快开发进度，又能兼顾打印质量。

上图上排：1 毫米体素大小的内部冷却翅片。
上图下排：0.3 毫米体素大小的内部冷却翅片。

运行程序，见证奇迹

万事俱备，只欠东风。点击运行，静待佳音。

程序会在PicoGK查看器中逐步呈现热交换器的生成过程，并将最终结果以STL格式导出。

下图展示了按顺序生成换热器的精彩瞬间：

快速浏览代码，你会发现它大量使用了BaseShapes，通过布尔运算组合出复杂形状，这与传统CAD的特征建模思路大相径庭。

此外，这里先建模了流体区域，再将其布尔减，得到流道壁面，可谓别出心裁。

当然，要完全读懂代码还需要一定的编程和数学功底，鉴于篇幅所限，这里就不展开了。

好在LEAP 71将整个项目拆分成了多个代码文件，并采用了标题明确的函数命名，便于理解内在逻辑。感兴趣的读者不妨试着对号入座，体会不同函数。

分步讲解：定义换热器边界和管口

上图展示了热交换器的边界条件：进出口位置、内部复杂结构的边界盒、外部整体的边界盒。这些约束都在HelixHeatX()构造函数中定义。

分步讲解：换热器内部精细结构初现

内部流道并非光滑，而是布满了各种翅片，以强化传热。这些翅片按照一定规律交错排列。

其中，转弯段的翅片通过voxGetTurningFins()生成（橙色部分），直线段的翅片则通过voxGetStraightFins()生成（青色部分）。

垂直翅片还进行了扭曲，以促进流体混合。所有水平翅片都采用了双坡屋顶式的高度分布，以便于在流道内部打印。

内壁面则通过对螺旋流道求壳并添加内部翅片而得。

分步讲解：构建内部流道

热交换器的核心是两个螺旋形的流道，分别容纳冷热流体。

每个流道由螺旋段、进口段和出口段三部分组成，分别通过GetHelicalVoid()、GetInlet()和GetOutlet()生成。

流道的内外半径分布由fGetInnerRadius(float fPhi, float fLengthRatio)和fGetOuterRadius(float fPhi, float fLengthRatio)两个函数控制。

其中，外半径分布采用的函数可以更好地随形适应内部矩形边界盒。

分步讲解：换热器外部设计- 添砖加瓦，完善细节

对于热交换器外部，我们通过调用GetFlange()、AddCentrePiece()、voxGetIOThreads()、voxGetIOCuts()、voxGetPrintWeb()、voxGetIOSupports()和voxGetOuterStructure()等函数，添加了一系列实体元素，如法兰、中心筒、螺纹、切口、打印支撑等。这些元素的布尔并给了热交换器一个强健的"外骨骼"。

分步讲解：内外结合、大功告成

有了内部流道和外部实体，就该让二者水乳交融了。这就要用到CSG建模中的布尔减运算。通过从外部实体中减去内部流道，就可以得到既符合功能又便于打印的热交换器模型：

Voxels voxResult = Sh.voxSubtract(voxOuterVolume, voxInnerVolume);

AM易道点评

AM易道认为，换热器开源项目展示了DfAM的一种典型思路：

先外再内；先功能建模，再结构建模；从粗到精，螺旋递进；模块化设计，参数化驱动。

这种思路不仅适用于热交换器，也可以推广到其他复杂构件的设计中。

相比于车轮的设计，换热器的结构虽然更复杂但步骤更为简洁明了。

随着AM工艺的不断进步，DfAM必将成为工程师的必备技能。

而LEAP 71的开源设计核心技术，无疑将极大地降低DfAM的门槛，惠及整个行业。

当然，再先进的DfAM工具，也只能辅助设计，而非取代设计。

工程师仍需对流体力学、传热学、材料学等有深刻理解，并在反复的建模-仿真-优化中，不断迭代完善设计方案。

这个过程中少不了经验和直觉的指引。而经验往往源于实践，直觉则来自对行业发展的洞察。

因此，在拥抱DfAM工具的同时，工程师更应开放视野，紧跟前沿，用创新引领行业突破。

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