綠激光3D打印純銅散熱器，希禾增材&漫格科技聯(lián)合推出國產(chǎn)化解決方案

導(dǎo)讀：隨著手機(jī)、電腦、電動汽車等設(shè)備不斷向小型化和高性能方向發(fā)展，“發(fā)熱”問題日益突出。元器件越做越密，散熱空間越來越小，傳統(tǒng)散熱方式已難以滿足高熱流密度與緊湊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求。為破解這一難題，3D打印純銅散熱器憑借卓越的導(dǎo)熱性能、靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高效的制造效率，已在多領(lǐng)域落地，并不斷擴(kuò)展應(yīng)用場景。

當(dāng)前，純銅3D打印的技術(shù)瓶頸被國產(chǎn)制造力量持續(xù)突破。希禾增材（ADDIREEN）依托自主研發(fā)的高功率綠光激光器，成功解決純銅打印過程中“高反射率、高熱導(dǎo)率、易氧化”等難題，實(shí)現(xiàn)了高精度與高致密度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造。希禾增材&漫格科技聯(lián)合推出的國產(chǎn)化解決方案，為消費(fèi)電子、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域的散熱升級提供了全新路徑，成為解決散熱難題的創(chuàng)新選擇。

3D打印散熱器的典型應(yīng)用場景   
電子設(shè)備散熱——高效冷卻，節(jié)省空間
隨著計(jì)算能力持續(xù)提升，計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)等電子設(shè)備對散熱的需求急劇增加。3D打印技術(shù)能夠優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在確保冷卻性能的同時(shí)節(jié)省空間。例如，用于CPU的3D打印散熱器不僅更輕量，也實(shí)現(xiàn)了更高的散熱效率。

電動汽車——保障電池與電機(jī)系統(tǒng)安全
電動汽車的電池和電機(jī)系統(tǒng)需要高效的熱管理方案以確保性能和安全。3D打印散熱器以其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能與靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效提升了散熱效率與結(jié)構(gòu)集成度，成為電動汽車熱管理的理想選擇。

航空航天——輕量化與高性能并重
在航空航天領(lǐng)域，散熱器的輕量化和高性能直接影響飛行器的可靠性與效率。3D打印散熱器可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造難以加工的復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，顯著提升散熱效率。

數(shù)據(jù)中心與高端計(jì)算——應(yīng)對高熱量挑戰(zhàn)
數(shù)據(jù)中心服務(wù)器和超級計(jì)算機(jī)長期運(yùn)行下會產(chǎn)生大量熱量對散熱提出極高要求。3D打印散熱器能夠提供更加高效結(jié)構(gòu)緊湊的冷卻方案，保障設(shè)備在高負(fù)載條件下穩(wěn)定運(yùn)行助力高性能計(jì)算持續(xù)發(fā)展。

3D打印散熱器可針對流動性、熱傳導(dǎo)效率和緊湊結(jié)構(gòu)的應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化，有效解決了傳統(tǒng)制造在復(fù)雜幾何加工、高表面積設(shè)計(jì)等方面的難題。憑借出色的導(dǎo)熱性能與加工適應(yīng)性，3D打印純銅散熱器正逐步成為熱管理領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

圖1 3D打印散熱器（左）與傳統(tǒng)制造散熱器（右）內(nèi)部通道對比

（圖源：https://doi.org/10.3390/technologies11050141）

技術(shù)挑戰(zhàn)：TPMS結(jié)構(gòu)與純銅打印的難題   
在3D打印純銅散熱器的設(shè)計(jì)中，人們越來越傾向于采用一種名為TPMS（Triply Periodic Minimal Surfaces，三周期最小曲面）結(jié)構(gòu)進(jìn)行主體填充。憑借其獨(dú)特的幾何特性，TPMS結(jié)構(gòu)不僅有助于提升散熱效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化，成為散熱器性能優(yōu)化的重要方向。

TPMS結(jié)構(gòu)雖具備優(yōu)異的散熱潛力，但其復(fù)雜結(jié)構(gòu)對建模、路徑規(guī)劃和制造環(huán)節(jié)提出了嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)CAD軟件在處理TPMS結(jié)構(gòu)時(shí)會出現(xiàn)建模不穩(wěn)定、迭代效率低的問題，路徑規(guī)劃過程也面臨填充不均、應(yīng)力集中等質(zhì)量隱患；同時(shí)，銅材料對傳統(tǒng)近紅外激光的吸收率低下，導(dǎo)致打印過程中能量傳遞不足、成形困難、等問題。因此，如何在設(shè)計(jì)中高效創(chuàng)建TPMS結(jié)構(gòu)，并解決純銅打印過程中由于高反射性與高導(dǎo)熱性帶來的技術(shù)難題，成為當(dāng)前行業(yè)突破的關(guān)鍵。

圖2 3D打印銅基材料TPMS結(jié)構(gòu)（圖源：希禾增材）

  解決方案：漫格科技 & 希禾增材 聯(lián)合創(chuàng)新  

純銅TPMS散熱器的無縫數(shù)字化流程
VoxelDance Additive是由漫格科技（VoxelDance）自主研發(fā)的一款增材制造CAx工業(yè)軟件平臺軟件，它整合了設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造、仿真、路徑規(guī)劃和打印任務(wù)管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，構(gòu)建了一個無縫的增材制造數(shù)字流程。VoxelDance Additive（VDA）成功完成了純銅散熱器的設(shè)計(jì)、模型前處理和路徑規(guī)劃，避免了不同程序之間數(shù)據(jù)遷移的煩惱。

VDA的設(shè)計(jì)模塊VoxelDance Design（VDD）基于隱式建模技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)基于數(shù)學(xué)公式、函數(shù)、有限元分析結(jié)果等參數(shù)驅(qū)動式設(shè)計(jì)。因此在設(shè)計(jì)零件時(shí)，通過手動添加流程節(jié)點(diǎn)變化參數(shù)，即可精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地體現(xiàn)TPMS結(jié)構(gòu)的填充。對比傳統(tǒng)軟件來說，VDD不僅可以快速優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，還大幅度降低了設(shè)計(jì)時(shí)間，使設(shè)計(jì)師的想法實(shí)時(shí)得到表達(dá)。此外，VoxelDance Design還支持使用非線性參數(shù)對零件特征尺寸進(jìn)行快速驅(qū)動，允許設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過程中對零件特征進(jìn)行更精細(xì)、復(fù)雜的調(diào)整，精確控制零件的表面曲率、幾何形態(tài)或其他物理特性。

圖3 國產(chǎn)VDD軟件散熱器設(shè)計(jì)流程（圖源：漫格科技）

在VDD模塊中完成設(shè)計(jì)后，無需導(dǎo)出STL文件，即可在VoxelDance Manufacturing（VDM）模塊中對銅制散熱器直接進(jìn)行切片。導(dǎo)出Cli、Slc切片格式進(jìn)入BP（加工路徑）填充軌跡后，直接上機(jī)打印。VDM模塊先進(jìn)的路徑規(guī)劃算法可以優(yōu)化掃描路徑，減少應(yīng)力集中，提高打印精度和結(jié)構(gòu)完整性。

圖4 VDA軟件內(nèi)設(shè)計(jì)到切片流程一體化（圖源：漫格科技）

希禾增材綠激光粉末床熔融 (GL-PBF)技術(shù)攻克純銅打印難題
希禾增材（ADDIREEN）是中國首家專注綠激光金屬增材制造的企業(yè)，基于自研增材專用高功率綠光激光器，提供高性能金屬3D打印設(shè)備與定制化打印服務(wù)，為銅、鋁、金、銀等高反金屬材料、難熔金屬材料、貴金屬材料及常規(guī)金屬材料的高精密打印提供整體解決方案。

不同波長激光在金屬材料中的吸收率存在顯著差異。銅在固態(tài)時(shí)對近紅外激光（λ=1064nm）的吸收率約為3%，而對綠激光（λ=532nm）的吸收率約為40%。綠激光提高了銅材對激光能量的吸收效率，使熔池更加穩(wěn)定，從而在純銅3D打印中實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的成形質(zhì)量，尤其適用于高精度復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工需求。

希禾增材綠激光系統(tǒng)采用自研單模綠光光纖激光器，最小光斑直徑可達(dá)15μm，在高反金屬、難熔金屬及常規(guī)金屬材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)打印中表現(xiàn)出更高的能量傳遞效率和更精細(xì)的加工能力，大幅提升打印件的致密度和表面質(zhì)量。在本次打印中，希禾增材結(jié)合漫格BP路徑規(guī)劃對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)傳遞與控制，確保了TPMS結(jié)構(gòu)在打印過程的高精度和高穩(wěn)定性。

采用希禾增材綠激光3D打印的0.5mm極薄壁厚純銅液冷板，在表面質(zhì)量、細(xì)節(jié)精度和整體尺寸控制方面展現(xiàn)出高水準(zhǔn)的制造能力。經(jīng)過水壓測試，該打印件在8MPa壓力下持續(xù)5分鐘無滲漏，致密度超過99.8%，有效避免了傳統(tǒng)制造中常見的孔隙、裂紋和表面不均等缺陷，并充分發(fā)揮了銅材的熱導(dǎo)性能，實(shí)現(xiàn)高效散熱。

圖5 希禾增材綠激光3D打印純銅散熱器件（圖源：希禾增材）

國產(chǎn)增材制造的崛起   
希禾增材與漫格科技的此次聯(lián)合方案，攜手打通了從隱式建模、路徑規(guī)劃到高精度打印的完整流程，為0.5mm極薄壁厚的TPMS純銅散熱器的規(guī)模化生產(chǎn)提供了突破性的解決方案。這不僅標(biāo)志著國產(chǎn)CAx軟件與金屬增材制造能力的成熟協(xié)同，也為散熱行業(yè)的發(fā)展帶來了一劑強(qiáng)心針。可以預(yù)見，在新能源、高性能計(jì)算、航空航天等領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求驅(qū)動下。以希禾增材和漫格科技為代表的國產(chǎn)增材制造力量，將有望引領(lǐng)行業(yè)走向更高效率、更高性能的新階段。