案例 l 3D打印与高性能几何结构结合，推动下一代电子散热器制造
在计算机、智能手机等电子设备中存在大量的集成电路，高温是集成电路的“敌人”，会导致系统运行不稳，使用寿命缩短，甚至有可能使某些部件烧毁。这些电子设备中的散热器起到了将热量传递出去，调节设备温度的作用。因此散热器对设备长效稳定运行起到了关键的作用。以计算机为例，随着人们对于计算能力要求的提高，对设备散热性能的要求也随之提升，而这对散热器设计优化提出了挑战，其中显著的挑战是在给定体积中将散热表面积和散热性能最大化。
根据3D科学谷的市场研究，增材制造技术，特别是金属3D打印技术在散热器制造中的应用，为散热器设计优化带来了更高自由度，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。
本期，3D科学谷将分享一个面向增材制造的散热器设计探索与分析案例，该案例体现了3D打印散热器与传统散热器相比在设计与性能方面的优势。
▲3D打印热交换器/散热器的优势
高性能
复杂几何结构
散热器/热交换器传递热量的方式有三种：传导-通过直接接触传递热能；对流-通过流体的实际运动传递热；辐射-借助电磁波传递能量。在这个案例中，仅考虑使用传导和对流的散热方式。
▲热量传递的三种方式：
1. 传导；2.对流；3.辐射。
来源：nTopology
在此案例中，nTopology 公司的设计师通过nTop Platform 软件定义了一个用于生成散热器的体积，这些散热器将实现表面积最大化，同时实现质量最小化。
▲3D打印的三重周期性最小表面电子散热器。
3D打印设备：雷尼绍 RenAM 500Q
来源：nTopology
设计师使用了三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，该设计显示出高强度重量比。该设计如果与增材制造技术结合使用，将使设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。
▲具有不同周期性和厚度的三种TPMS结构。
来源：nTopology
nTopology 对Gyroids（螺旋），Schwarz基元和Lidinoids 这三类TPMS结构进行了研究与评估，其中每种类型的结构都是正弦和余弦的线性组合，而这些组合会在三维空间中形成周期性的波形几何形状。就像二维波形一样，设计的可能性可以通过改变这些方程式的幅度和周期来实现，通过将这些设计输入与实验设计（DOE）方法结合起来，可以准确地评估这些组件的性能。
Gyroid = Sin(x)Cos(x)+Sin(y)Cos(z)+Sin(z)Cos(x)
▲来源：nTopology
无源电子散热器受所有三种传热方式的支配。热量从热源（如计算机芯片）传导到散热器的底部，然后通过对流（70％）和辐射（30％）从散热器散发。为了最大化散热器的散热性能，在设计散热器时需考虑如何最大化与散热器接触的环境空气量。
▲nTopology Platform工作流程
来源：nTopology
随着热量的散失，对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS类型散热器的旋转鳍片可增强边界层混合，与传统散热器设计相比，具有提供更高有效表面积的潜力。
▲散热器性能图。确定了最佳的散热器设计，该设计可在实现表面积最大化的同时实现重量最小化。
来源：nTopology
作为这项工作的一部分，nTopology 进行了简单的数值研究，从而找出性能最高的TPMS散热器，即设计输入可最大程度地增加表面积，并最大程度地减少最终散热器的质量。设计师使用nTop Platform 计算几何内核以及分析方法进行了实验，设计师可以快速进行几何更改并评估设计输入的性能输出。从上图中可以看出哪个设计的表面积最大。
3D科学谷将在本周发布的《3D打印与换热器及散热器应用2.0》-下篇，分享国内外机构在3D打印散热器、热交换器领域代表性知识产权、软件，换/散热器设计、仿真与优化，激光考虑，材料考虑，后处理考虑，敬请关注。
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