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。

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3D打印热交换器/散热器的优势。来源:上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

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 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。

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。

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。

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

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。

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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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

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