ORNL开发优质3D打印散热片 仅用了一个简单方法
近日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学（University of Tennessee）的研究人员发现，使用采用简单的退火工艺或者通过使用一种设计算法，制造商们就能够打造出性能与传统制造工艺一样的3D打印散热片。
众所周知，散热片是很多电子设备的重要组成部分，它的功能就是通过热交换散去热量，降低设备温度，使其能够正常发挥功效。对于电力或电子设备来说，散热片更是非常重要，因为现在电力电子设备的能量密度正在变得越来越大。不过，尽管近年来这些设备在某些方面都有了长足的进展——比如更高的开关频率，更好的热性能——但是因为制造工艺的限制，散热片基本上维持不变。目前的散热片都是采用铣削、钻孔和铸造等传统工艺制造的，因此很少采用比较复杂的设计或者多片结构，因为这会增加破损或渗漏的可能性。
对于一些电力或电子设备生产商来说，增材制造似乎为散热片的制造提供了一个富有吸引力的解决方案：通过使用3D打印机，制造商就能够设计和制造具有更为复杂内部结构的散热片。此外，这些散热片很容易一次性3D打印完成，减少了组装的需要和泄露的可能性。不过遗憾的是，尽管3D打印的散热片可以在结构上更为复杂，但是在材料属性上却往往让人失望：金属3D打印合金的构成方式不同于常规的合金，在组成上的这些细微差别往往会导致不良的热影响。
为此，来自田纳西大学和ORNL的Tong Wu最近领导了一支科学家团队对3D打印和非3D打印的铝散热片进行了比较研究。该研究论文——《增材制造铝金属的热相应（Thermal Response of Additive Manufactured Aluminum）》上个月被Tong Wu发表在了3D PEIM 国际研讨会上。从一开始，Tong Wu和他的团队就注意到他们选择的3D打印合金（A1_AM）和常规合金（A1_6061）组成的差异。据悉，这些3D打印金属粉末是由密歇根州的Linear Mold，其成分中含有10%的硅和0.5%的镁，而常规合金中硅的含量小于1%，镁的含量1.5%。
常规合金 A1_6061 （a） 及 3D 打印合金 A1_AM 的显微结构比较 （b）
科学家们通过实验发现，虽然这两个散热片的热性能在高温下类似，但是在较低温度下（70摄氏度）3D打印的散热器表现就稍微差了一点，这是因为两种合金之间的“化学与显微结构差异”造成了10%的性能差异。不过，Tong Wu和同事们希望通过一种简单的退火工艺使3D打印的散热片达到类似与常规制造的水平。
两种合金之间的热导率比较
所谓的退火工艺指的是将材料加热至高温，然后再使它慢慢冷却，从而可以消除内部应力，使它更坚硬和减少脆性。研究人员发现，尽管在100摄氏度对3D打印的合金进行退火造成的热性能差异可以忽略不计，但是在300摄氏度进行退火的话就能产生明显的变化；事实上，此时经过退火的3D打印散热片性能与非打印的散热片性能相当。因此，研究者们能够证明，通过这种简单的退火工艺，他们将3D打印的散热片性能优化至相当于传统制造的散热片。
不过，这并不是故事的结尾，Tong Wu还对如何使用3D打印技术创建拥有更复杂、更高效的内部几何结构的散热片进行了研究。为此，Tong Wu与ORNL的 Burak Ozpineci和Curtis Ayers一起在今年3月份的2016 IEEE 电力电子学术会议上提交了一份名为《一个3D打印散热片的遗传算法设计（Genetic Algorithm Design of a 3D Printed Heat Sink）》的论文。
对于这个较早的研究项目，Tong Wu试图验证借助遗传算法进行验证是否可以用于制造出优化的散热片。虽然常规的散热片设计方法在在设计形状简单的散热片方面是有效的，但是研究人员们针对液冷散热片的设计提出了一个新的方法，他们并没有使用经验原则和分析模型，而是将重点放在有限元建模上。该算法只需要输入最大散热片尺寸、设备和系统损耗特性，和冷却剂等信息。通过这些数据，该算法就能够生成理想的3D打印散热片设计，可以提高电力电子装置的热性能，同时大大缩短设计周期时间。
根据输入数据生成优化的散热片设计
50千瓦直流-直流变压器散热片，颜色代表不同温度，红色最热
在进行测试之后、研究人员们发现，经过算法优化后的3D打印散热片比未经优化的有了15%的性能提升，证明了该算法为“无需复杂的分析模型完成独特、更好的散热片设计提供了一个自动化的方式”，同时也为制造商们带来了较高程度的设计自由。
综上所述，这两篇研究论文都证明了3D打印技术可以作为制造电力电子散热片的可行方法。Tong Wu和他的团队证明，采用退火工艺，制造商可以将3D打印合金的性能提升至常规合金水平。同时，另外一项研究也证明了遗传算法设计可以根据具体应用来确定散热片理想的内部结构。这两项研究相结合，为3D打印的散热片超越传统制造的散热片奠定了基础。
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