3D打印-增材思维如何实现散热器设计优化?

增材制造（AM）为新颖的散热器设计开辟了新途径，可以针对流动性和传导性进行优化。通常除了组件本身之外，电连接和铜走线的电阻还会产生一些热量。为避免电路故障，针对散热器的定制设计是另外制造的，旨在生产能在安全温度范围内运行并保持在安全温度范围内的电子产品。本期3D科学谷与谷友特别分享汽车大灯散热器的优化设计，以共同深度了解3D打印为产品性能所带来的跳跃式进化。

© nTopology

更紧凑、更好

/ 什么是散热器？
我们通常提到的散热器是一种用于冷却电子元件的热交换器。由于其制造简单，成本低，尺寸小和散热可靠而被广泛使用。在过去的几十年中，在结合微型和纳米技术发展的电子设备的小型化方面已经付出了很多努力。因此，电子学的散热技术和增强散热片的热性能变得越来越重要。
根据3D科学谷的了解，可以通过修改空间或流体域的特性来增强散热器的散热性能。电子系统的小型化给设计在有限空间内运行的高效系统带来了额外的挑战。增强热传递的有效方法是修改几何形状，而3D打印-增材制造成就产品复杂性的这一特点为散热器的优化设计打开了新空间。
在本文中，使用nTopology对传统几何进行了优化，以解决上述挑战，并采用具有功能性且适用于金属增材制造的几何形状进行设计。
3D打印可以实现：
- 增强从电子元件的传热；
- 在不影响传热效率的情况下减小散热器的尺寸；
- 通过在设计中加入仿生技术来增强散热效果；
- 设计优化
传热系数与表面粗糙度相关，当表面粗糙时，对流传热系数较高。一条思路是通过关注于增加的表面积和表面粗糙度，以改进散热器的设计。
根据3D科学谷的了解，通过nTopology软件可以为LPBF（基于粉末床的选区激光熔化）技术制造的散热器提供一种有趣的设计优化途径。在本期案例中，所有样品均由AlSi10Mg和铜合金制成。
通过广泛的数值参数研究，本案例对用于发光二极管（LED）灯的被动冷却的拓扑优化设计进行了研究。这些设计针对垂直方向进行了优化，并且与点阵鳍设计以及简单的鳍设计进行了比较。这种零件是使用AM（增材制造）进行小批量生产的理想选择。优化过程有利于将材料放置在设计零件的外边界上，以实现更多的散热。
案例中头灯中的LED散热器通过AM增材思维设计使其紧凑而又不影响散热器的性能。除了上述结果之外，通过增加表面粗糙度还可以进一步提高效率。温度梯度满足散热片传递的要求，并且温度保持与传统方法略有相同。

▲图1：nTopology设计可提高LED散热片的散热效率。
在这个案例中，设计优化主要体现在：
- 拓扑优化应用于LED灯的被动冷却散热器的设计。
- 优化的拓扑结构为被动冷却设备的设计提供了新的见识。
- AM增材思维使用TPMS（三重周期最小表面）结构，该结构可为散热器产生优化的温度梯度，并提供自然对流的湍流路径。
根据3D科学谷的了解，在散热器中，所谓的人工表面粗糙度，是指任何具有足够规则性且专门设计用于增强热传递的表面图案。与肋粗糙和凹陷的表面相比，氧化皮粗糙表面的传热增强令人惊讶地良好。这证明了通过在表面光洁度上引入适当的变化，仍有改善传热的空间。

▲图2：拓扑设计优化有助于增加表面粗糙度以提高热传递率。
/ 热分析
进行热分析可以确定组件在不同温度和条件下的行为，分析结果和仿真技术旨在帮助更好地管理电子电路中的散热。决定冷却机制时要考虑的因素包括半导体的封装特性，所需的工作条件以及散热特性。通常可以从制造商的数据表中获得此信息。
自然对流冷却适用于散热量较小的电子元件。但是，对于冷却组件，由于产生热量，可能需要将冷却器与热管和风扇结合在一起的各种冷却技术的组合。

▲图3：显示电子元件中温度梯度的分析图像。

▲图4：汽车中的LED大灯。
/ 结论
本案例研究了在制造用于电子冷却的扁平和翅片散热器时，通过LPBF（基于粉末床的选区激光熔化）技术制造的散热器表面粗糙度以及优化的设计对流传热增强的影响。
最终，采用铝材料的AM增材思维（DfAM）设计的表面积比传统设计提高了27％。与传统设计相比，AM增材思维（DfAM）设计中的热变化高达130C（板载芯片附近的压降）。
更多内容，请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》下篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0