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希禾增材:3D打印铝合金散热器相比纯铜有哪些好处?要点是什么?

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在3D打印散热应用中,首选的材料一定是纯铜吗?

笔者发现,希禾增材对此的回答是否定的。因为,纯铜虽具有相比其他绝大多数金属都更高的导热系数,但它的密度却达到了8.9g/cm³,是铝合金的约3.3倍。

航空航天、电动汽车、机器人等对重量非常敏感的应用场景中,工程师更看重的并非是绝对导热系数,而是比热导率,也就是单位密度的导热能力。



对于3D打印的纯铜和AlSi10Mg铝合金来说,是否进行热处理对导热系数的影响非常大。这是因为材料的导热性受相分布、孔隙率及热处理状态的显著影响。

希禾增材的数据显示,3D打印的AlSi10Mg在经热处理后,单位密度的导热指数为69.3,而工业纯铜仅为43.6,因此是实现轻量化散热设计的理想材料。


LPBF工艺3D打印AlSi10Mg的微观结构

铝合金在3D打印过程中的快速熔化和凝固过程,会形成特殊的微观结构,如晶界处分布着纳米尺度的硅网络,热应力导致位错密度很高,硅在铝基体中形成过饱和固溶体等。这些微观结构缺陷会散热声子和电子,导致打印态的AlSi10Mg导热系数只有90W/m·K

为了使 AlSi10Mg在热管理领域发挥作用,就需要对其进行热处理。根据希禾增材的数据,零件在在300°C下退火2小时,就会改变其微观结构:硅网络发生粗化,固溶体分解,位错密度降低。这相当于为电子的传输扫清了障碍。


3D打印AlSi10Mg经热处理后的微观结构

结果就是,热处理后的AlSi10Mg导热系数提升至185W/m·K,但是其抗拉强度会损失大约10-15%。不过,这对于冷板和换热器此类部件来说,这个代价是值得的

因此,选择哪种材料制作散热器,取决于使用条件。在更关注产品重量而且热量适中的环境下,AlSi10Mg是更好的选择;而对于那些局部热量超过铝合金物理极限的应用,纯铜则是更好的选择。


对于AlSi10Mg的LPBF工艺3D打印来说,其对绿激光的吸收率仍然要高于红外激光。这使绿激光在加工效率、表面质量和细节精度上有显著优势,这种优势最终也会体现在超薄散热片和复杂微流道的制造能力上

笔者注意到,希禾增材展示的一个铝合金散热器,体现了3D打印在制造复杂结构方面的优势。


这款散热器包含随形冷却流道、微结构鳍片和晶格结构,最小壁厚仅0.3mm,采用3D打印一体成型,36小时即打印完成。而传统加工技术通常需要2个月,涉及多种工艺组合和环节,产品还存在漏液风险。可以看出,3D打印的优势非常明显。

注:本文由3D打印技术参考创作,未经授权,谢绝转载。

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