【3D打印案例】與高性能幾何結構結合，推動下一代電子散熱器制造
發(fā)布時間：
2023-01-11 12:43
在計算機、智能手機等電子設備中存在大量的集成電路，高溫是集成電路的“敵人”，會導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)，使用壽命縮短，甚至有可能使某些部件燒毀。這些電子設備中的散熱器起到了將熱量傳遞出去，調節(jié)設備溫度的作用。因此散熱器對設備長效穩(wěn)定運行起到了關鍵的作用。以計算機為例，隨著人們對于計算能力要求的提高，對設備散熱性能的要求也隨之提升，而這對散熱器設計優(yōu)化提出了挑戰(zhàn)，其中顯著的挑戰(zhàn)是在給定體積中將散熱表面積和散熱性能最大化。
根據3D科學谷的市場研究，增材制造技術，特別是金屬3D打印技術在散熱器制造中的應用，為散熱器設計優(yōu)化帶來了更高自由度，3D打印用于散熱器或熱交換器的制造滿足了產品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢，特別是用于異形、結構一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復雜的形狀、點陣結構等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術不具備的優(yōu)勢。
本期，3D科學谷將分享一個面向增材制造的散熱器設計探索與分析案例，該案例體現了3D打印散熱器與傳統(tǒng)散熱器相比在設計與性能方面的優(yōu)勢。
3D打印熱交換器/散熱器的優(yōu)勢。來源：上篇-《3D打印與換熱器及散熱器應用2.0》
高性能復雜幾何結構
散熱器/熱交換器傳遞熱量的方式有三種：傳導-通過直接接觸傳遞熱能;對流-通過流體的實際運動傳遞熱;輻射-借助電磁波傳遞能量。在這個案例中，僅考慮使用傳導和對流的散熱方式。
熱量傳遞的三種方式：1. 傳導；2.對流；3.輻射。 來源：nTopology
在此案例中，nTopology 公司的設計師通過nTop Platform 軟件定義了一個用于生成散熱器的體積，這些散熱器將實現表面積最大化，同時實現質量最小化。
3D打印的三重周期性最小表面電子散熱器。
3D打印設備：雷尼紹 RenAM 500Q 來源：nTopology
設計師使用了三重周期性最小表面(TPMS)，對于結構應用而言，該設計顯示出高強度重量比。該設計如果與增材制造技術結合使用，將使設計師能夠創(chuàng)建兼具高強度和散熱特性的多功能結構。
具有不同周期性和厚度的三種TPMS結構。來源：nTopology
nTopology 對Gyroids(螺旋)，Schwarz基元和Lidinoids 這三類TPMS結構進行了研究與評估，其中每種類型的結構都是正弦和余弦的線性組合，而這些組合會在三維空間中形成周期性的波形幾何形狀。就像二維波形一樣，設計的可能性可以通過改變這些方程式的幅度和周期來實現，通過將這些設計輸入與實驗設計(DOE)方法結合起來，可以準確地評估這些組件的性能。
Gyroid = Sin(x)Cos(x)+Sin(y)Cos(z)+Sin(z)Cos(x)
來源：nTopology
無源電子散熱器受所有三種傳熱方式的支配。熱量從熱源(如計算機芯片)傳導到散熱器的底部，然后通過對流(70%)和輻射(30%)從散熱器散發(fā)。為了最大化散熱器的散熱性能，在設計散熱器時需考慮如何最大化與散熱器接觸的環(huán)境空氣量。
nTopology Platform工作流程。來源：nTopology
隨著熱量的散失，對流自然會導致空氣流過散熱器的散熱片。TPMS類型散熱器的旋轉鰭片可增強邊界層混合，與傳統(tǒng)散熱器設計相比，具有提供更高有效表面積的潛力。
散熱器性能圖。確定了最佳的散熱器設計，該設計可在實現表面積最大化的同時實現重量最小化。來源：nTopology
作為這項工作的一部分，nTopology 進行了簡單的數值研究，從而找出性能最高的TPMS散熱器，即設計輸入可最大程度地增加表面積，并最大程度地減少最終散熱器的質量。設計師使用nTop Platform 計算幾何內核以及分析方法進行了實驗，設計師可以快速進行幾何更改并評估設計輸入的性能輸出。從上圖中可以看出哪個設計的表面積最大。
3D科學谷將在本周發(fā)布的《3D打印與換熱器及散熱器應用2.0》-下篇，分享國內外機構在3D打印散熱器、熱交換器領域代表性知識產權、軟件，換/散熱器設計、仿真與優(yōu)化，激光考慮，材料考慮，后處理考慮，敬請關注。（來源：3D科學谷）
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