一种特殊晶格结构的3D打印散热器，既提供刚度，又增加传热面积
3D打印技术参考导读：专门从事增材制造设计的创新产品开发机构Puntozero应米兰理工大学方程式车队DynamisPRC的邀请，为其高压牵引逆变器开发了一种轻巧且更高效的冷却系统，并采用成分接近纯铝的材料进行3D打印。这种具有特殊结构的散热器将传热表面积增加了300%，重量减轻了25%。
电动赛车侧重于高性能环境中的动力传动系统创新和燃油效率。每辆电动汽车的一个关键系统是驱动电动机的电力电子设备，作为功率转换单元的高压牵引逆变器，可以将电池中的直流电将转换成交流电，从而驱动电动车辆的马达。通常，逆变器的控制器元件需要保持在最佳工作温度范围内，然而牵引逆变器的传统液体冷却系统通常非常笨重，这使得它们不适合高性能赛车应用。
该项目的目标是设计一种比传统组件更轻、更紧凑的高效冷却板。设计团队专门利用增材制造技术和先进的工程软件开发了一种高性能热交换器。
Puntozero和Dynamis的工程师将管道曲率附近的不均匀流动和原始CNC加工散热器的传热表面积不足确定为优化的主要机会。经过多次快速设计迭代后，最终的冷板散热器具有以下特点：
仿生导流器可在拐角处产生均匀的流速并最大限度地增加液体和散热器之间的接触面积。
最大限度减轻重量的外部晶格结构确保了可制造性并通过对流促进冷却。
模块化的设计，使散热器能够更好的定位。
受鲨鱼鳞片结构的启发，Puntozero设计了一种具有定向层状几何结构的回转体，该结构与冷板管道相符合，可在拐角处产生均匀的流速并最大限度地促进流动。
导流板基于使用先进的场驱动设计为扭曲的陀螺晶格。在nTopology中，所有几何体都定义为距离场，使用字段来驱动几何能够以此前不可能的方式定义复杂设计特征的空间变化。用户可以从点、曲面、实体，甚至模拟结果和实验数据创建场。在此示例中，Puntozero的工程师使用基本数学方程创建了一个二体场，用于描述管道通道的中平面和等值面。然后，沿着X和Y方向扭曲了一个陀螺晶格，以引导弯曲周围的流动。最后，加厚了结构并将其与外部电池结合在一起。
内部晶格基于使用场驱动设计技术扭曲的陀螺结构
最终，这种具有扭曲陀螺结构的导流板将传热表面增加了300%，极大促进了传热，并消除了沿曲线的湍流。
该团队在优化外部晶格设计的同时考虑了多种工程和制造要求。例如，晶格的厚度随着远离与功率电子器件的接触表面而逐渐减小。较厚的区域促进热传递，提高散热器的效率，并提供可在 3D 打印过程中轻松支撑的坚固表面。另一方面，较细的支柱使后处理过程中的粉末排出更容易，并通过与周围空气的对流促进散热。
外部晶格在接触表面附近逐渐变厚以促进热传递
最终，外部晶格在提供必要刚度的同时，显著降低了系统的总重量（25%）和生产成本，提高了元件的可制造性，并增加了与电力电子设备的接触表面积以促进热传递。
散热器在EOS M290系统上采用一种成分接近纯铝的m4p PureAl制造，随后进行CNC加工。
在整个流程中都需要始终考虑设计、材料和工艺之间的相互影响。这些学科在增材制造中都不是孤立的。在这个项目中，设计人员确定了合适的打印方向，以确保打印顺利进行。
脱粉后（左）和加工过程中（右）制造部件
CT 扫描显示，这个复杂的零件是按照规范制造的，没有缺陷
在对车辆进行测试之前，该团队使用计算机断层扫描技术扫描了散热器，结果证实：散热器通道内没有粉末，内部晶格的制造没有任何缺陷故障，零件的内部孔隙率在可接受范围，整个零件的尺寸最大偏差保持小于200微米。
目前，Dynamis和Puntozero已经开始着手进一步完善下一季的设计。他们现在专注于微调内部晶格，以减少压降并最小化组件的整体尺寸，同时保持相同的传热效率，以进一步减少系统的重量和尺寸。nTopology先进的晶格生成功能和可重复使用的工作流程使团队能够在他们当前的研发工作的基础上更快地创建创新解决方案。
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