來自美國和愛爾蘭的學(xué)者最近聚集在內(nèi)華達州拉斯維加斯舉行的第18屆電子系統(tǒng)熱和熱機械現(xiàn)象聯(lián)合會會議上，討論的主題以使用3D打印設(shè)計創(chuàng)新散熱器。隨著個人電子產(chǎn)品需求的不斷增長，散熱器設(shè)計變得更加重要。這是由于其能夠調(diào)節(jié)電子設(shè)備的溫度，防止在諸如計算機處理器之類的地方過熱。

在GE贊助的比賽中，來自亞利桑那州立大學(xué)（ASU），普渡大學(xué)，馬里蘭大學(xué)，賓夕法尼亞州立大學(xué)和都柏林三一學(xué)院的團隊共有五位決賽選手展示其新穎的3D打印金屬散熱片，能有效冷卻電子產(chǎn)品。“有些功能是傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的。”亞利桑那州立大學(xué)機械工程博士Faizan Ejaz說， “如果你想制造一個圓柱形蜂窩結(jié)構(gòu)，你不能制造它而不需要其他昂貴的后處理步驟。隨著增材制造的出現(xiàn)，現(xiàn)在我們可以獲得制造非常復(fù)雜的幾何形狀。“


由ASU學(xué)生Faizan Ejaz，Munku Kang和Gokul Chandrasekaran設(shè)計的3D打印鋁制散熱片
   由ASU學(xué)生Faizan Ejaz，Munku Kang和Gokul Chandrasekaran設(shè)計的3D打印鋁制散熱片。照片來自Beomjin Kwon / ASU。



3D打印散熱片

激光粉末床熔合（LPBF）等增材制造工藝生產(chǎn)出的金屬部件具有更廣泛的復(fù)雜幾何形狀，這是傳統(tǒng)CNC無法實現(xiàn)的。包括3D打印金屬散熱片，發(fā)動機氣缸和油泵外殼在內(nèi)的零件可以通過LPBF以成本和材料的一小部分制造。使用GE Concept Laser M2 cusing系統(tǒng)，5個大學(xué)團隊從21個團隊中脫穎而出參加決賽，他們實現(xiàn)了每個設(shè)計理念，都能獲得最佳散熱效果。 ASU團隊允許散熱器上的更大表面積使得來自電氣部件的熱空氣能夠流動而不會影響其效率。據(jù)該團隊稱，這是傳統(tǒng)制造業(yè)中普遍存在的設(shè)計限制。

“在許多情況下，我們必須在制造約束和設(shè)備性能之間做出妥協(xié)，”亞利桑那州大學(xué)物質(zhì)，運輸和能源工程學(xué)院助理教授，設(shè)計團隊負責(zé)人Beomjin Kwon解釋道。“因此，在真實的實驗中，我們沒有真正優(yōu)化的設(shè)備。但增材制造現(xiàn)在消除了傳統(tǒng)技術(shù)強加的許多設(shè)計限制。與傳統(tǒng)的傳熱設(shè)備相比，我們可以考慮進一步優(yōu)化設(shè)計。“
  

一個很酷的概念

在其他地方，普渡大學(xué)團隊使用拓撲優(yōu)化來找到散熱器設(shè)計的給定尺寸中的最佳材料分布。此外，考慮到熱阻，其3D打印散熱器的最終形狀在一側(cè)具有平緩傾斜的“L”形狀，在另一側(cè)具有突出的“d”形狀。這導(dǎo)致氣流回升并再循環(huán)，在散熱器中花費更多時間。普渡大學(xué)冷卻技術(shù)研究中心（CTRC）的博士生Serdar Ozguc表示，“今天的電子元件存在巨大的熱學(xué)挑戰(zhàn)。人們想要更小的電腦和手機，但與此同時，他們需要更多的電力。這些CPU產(chǎn)生的熱量會影響性能，因此我們必須找到一種安全有效地散熱的方法。”

參與本次比賽的所有團隊都受到相同尺寸和鋁材料的限制。此外，所有3D打印的散熱器都在俄勒岡州立大學(xué)的相同條件下進行了測試。