增材制造拓扑优化散热器：突破几何预设，实现固-液-点阵三相融合

高功率电子器件经历了快速的小型化发展，导致在日益紧凑的组件中产生显著提高的热流密度。这一趋势对航空航天、电动汽车和高性能计算等众多行业的热管理构成了重大挑战。随着热流密度持续增加，传统冷却方案正逐渐接近其运行极限。其中，广泛应用于电子冷却系统的传统直通道散热器，在高热流密度条件下越来越难以满足严苛的散热需求。

为提升热性能，研究学者们探索了多种针对散热器的几何优化策略，包括改进的通道截面形状、蛇形或波浪形流道，以及翅片和肋片等内部强化结构。此外，微通道散热器因其高表面积体积比和在热流密度条件下的卓越排热能力而受到广泛研究，使其适用于高功率密度电子应用。

然而，这些基于参数和基于形状的优化方法受限于预定义的几何构型，极大地限制了设计空间，并阻碍了真正最优冷却架构的发现。

近日，南洋理工大学与北京航空航天的联合研究团队针对高热流电子器件热管理需求，搭建多材料拓扑优化（MMTO）设计框架，将增材可制造的Rhombi–Octet 晶格结构与拓扑优化结合，制备出宏观拓扑一致、晶格尺寸不同的 L1/L2/L3 三种散热器。并通过实验验证了MMTO 结合增材制造用于高热流器件散热的可行性。

研究成果以“Additively Manufactured Multi-Material Topology-Optimized Heat Sink for Advanced Thermal Management”为题，发表于《Applied Thermal Engineering》期刊。

10.1016/j.applthermaleng.2026.131504

拓扑优化与增材制造

改善热-流性能

近年来，随着增材制造技术的快速发展，具有日益复杂内部几何形状的散热器得到了探索，以增强热性能。与传统制造方法相比，增材制造提供了显著更大的设计自由度，使得制造以前难以或无法实现的复杂内部流道成为可能。这一能力为开发具有增强传热特性的先进冷却结构开辟了新的机遇。

在此背景下，拓扑优化（TO）已成为一种用于生成高性能冷却结构的强大设计工具。与传统的基于参数的优化方法不同，TO不依赖于预定义的几何形状。相反，它允许设计域内的材料分布根据物理目标和约束进行演化，从而能够自动生成创新的热-流构型。

近年来，TO已广泛应用于传热和流体流动系统，包括散热器、换热器以及冷板冷却通道。其在改善热-流性能方面的有效性已被多项研究所证明。先前的研究表明，与传统散热器构型相比，TO能够显著提升热-流性能。这些研究也凸显了采用多目标公式以实现更优热-流权衡的益处。

多孔点阵结构因其大的表面积体积比以及通过增材制造实现的增强对流传热，近年来在散热器设计中受到越来越多的关注。各种点阵拓扑结构，如体心立方（BCC、菱方八面体（Rhombi-Octet和三周期极小曲面（TPMS）等已被探索，并显示出相较于传统设计有所改善的热-流性能。

然而，现有研究大多依赖于预定义的点阵几何形状和手动分配的空间分布，这种方式限制了对增材制造所提供的完整设计自由度的利用。

同时优化材料分布、传热与流体流动的

复合冷却架构

在实际冷却系统中，散热器通常由多个功能区域组成，包括固体导热路径、流体通道和强化传热结构。同时优化这些组件的空间分布仍然具有挑战性。多材料拓扑优化（MMTO）为此提供了一种有前景的解决方案，它能够在设计域内同时分配多种材料相，从而自动生成集成了实体、流体和点阵区域的复合冷却架构。

MMTO最初在固体力学领域发展起来，用于设计具有高刚度的轻质结构。近年来，MMTO已扩展到热及热-流系统，使得能够在多个物理目标下同时优化材料分布、传热和流体流动。

目前，诸多学者在MMTO散热器设计领域取得了一些进展，但针对MMTO散热器的实验验证仍然有限，且现有研究大多采用多孔介质模型来表征商业金属泡沫，这并未反映MMTO散热器的可制造性问题。

随着增材制造的快速发展，复杂的点阵结构现在可以高保真地制造出来，使得实体、流体和强化传热结构能够无缝集成到一个单一组件中。因此，将此类可制造的点阵结构融入MMTO框架，对于将拓扑优化设计转化为实用的冷却装置至关重要。

本文作者团队所开展的工作创新性体现在三个关键方面。

第一，与先前采用均匀化多孔介质表征的MMTO研究不同，这项研究将显式解析且可通过增材制造实现的点阵几何形状集成到优化框架中。

第二，对MMTO设计的散热器进行了实验验证。此前，针对多材料拓扑优化冷却结构的此类实验研究仍鲜有报道。

第三，系统研究了点阵尺度对热-流性能的影响，为基于MMTO的冷却系统的设计和性能权衡提供了新的见解。

这项研究通过开发一个用于水冷式散热器设计的MMTO框架来填补上述研究空白。该框架基于完整的达西-福希海默动量模型，同时优化固体导热路径、流体流动通道和点阵强化传热结构的分布。用于表征点阵结构的多孔介质参数（包括渗透率和惯性阻力系数）通过对增材制造的点阵样品进行实验测量获得，确保了优化模型中点阵流动行为的真实表征。

所得MMTO散热器采用激光粉末床熔融增材制造技术制造，从而能够在一个可制造的冷却架构中集成实现这些功能区域。研究团队通过实验评估了MMTO散热器的热-流性能，并与重量相同的传统直翅片散热器进行了比较。

研究首次展示了一种基于MMTO设计的功能性散热器，并通过实验证实了其增强的热-流性能，凸显了将拓扑优化与增材制造相结合用于下一代热管理系统的潜力。

图文解析

研究团队增材制造技术制造了三种具有相同优化宏观拓扑结构、但点阵单元尺寸不同（L1、L2 和 L3）的MMTO散热器构型，并在加热功率100–700W（对应热流密度约1.8–12.9 W/cm²）和冷却液流量0.1–0.5 L/min 条件下进行了实验评估。

以传统直翅片散热器作为对照基准。结果表明，MMTO散热器在散热能力上显著优于传统直翅片设计。依据工况不同，MMTO结构比直翅片散热器的基底温度降低约10–16°C，热阻最大降低46%。性能提升归因于优化的材料分布促进了冷却液的高效输运以及加热区域附近的局部对流传热。点阵尺度也对MMTO散热器的热-流特性起着重要作用。L2具有最高的压降（61–71 Pa），而直翅片基准约为30Pa；L3由于冷却液在更细小点阵结构中的穿透能力有限，其冷却性能略有下降。综合考虑强化传热与水力损失，L1提供了最佳的综合热-流性能，其热性能系数（TPI）达到1.2。

图1、MMTO几何模型（单位：mm）

图2、本研究中使用的晶格结构。

图3、（a）材料分布 1 （白色区域表示液体，黑色区域表示固体/晶格介质），以及（b） 2 （白色区域代表固体，黑色区域代表晶格和流体域）。MMTO散热器（c）温度和（d）速度分布。（e）描绘三种材料分布的示意图：蓝色流体、白色固体和紫色格子。

图4、MMTO结果的网格独立检查：（a）最大网格大小=0.6mm，（b）最大网眼尺寸=0.5mm，（c）最大网格尺寸=0.4毫米。

图5、MMTO结果：（a）功率=200W，（b）功率=250W，（c）功率=300W。Re=200。

图6、在（a）220 W、（b）300 W和（c）380 W下运行的通用铜散热器的温度轮廓。

图7、附加制造的MMTO散热器：（a）MMTO L 1，（b）MMTO I 2，（c）MMTO II 3，（d）直翅片。

图8、MMTO散热器的显微镜图像：（a）MMTO L1，（b）MMTO L2，（c）MMTO L3。

图9、（a） 实验装置示意图。（b）散热器中热电偶的位置（单位：mm）。

图文解析部分转载自：洞见热管理

▌三维科学 l 无限可能

点亮“♥️”让朋友们知道您在看