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从设计到制造──国产高性能散热器的诞生
类别：技术分享
领域：散热
发布时间：2025年02月28日
最后更新：2025年02月28日
随着中国在电子设备性能上的持续提升，特别是在高性能计算、数据中心、电动汽车和航空航天等关键领域，对高效散热解决方案的需求日益迫切。3D打印纯铜散热器因其卓越的导热性能、设计灵活性和制造效率，正逐渐成为一些领域的首选散热方案。
(图1 传统散热器)
然而，传统散热器在现代应用中面临着诸多挑战。由于流体的粘性，鳍片表面的流体流速会减慢，形成附面层，这会降低散热器的效率。传统散热器的设计和制造过程能耗高、环境污染严重，且热效率低、传热慢。它们的外观设计也较为粗陋和笨重，不符合现代审美和空间利用需求。并且，高性能的传统散热器成本较高。这些问题限制了传统散热器在现代应用中的广泛使用，促使新型散热器技术的发展，以提供更高效、轻量化、美观和成本效益的散热解决方案。随着技术的进一步发展和应用的扩大，预计对3D打印纯铜散热器的需求将继续增长。
【国内现状】
(1) 在设计领域，针对3D打印纯铜散热器这类产品，设计师们越来越倾向于采用一种名为TPMS（Triply Periodic Minimal Surfaces）的结构进行主体填充。
这种结构以其独特的几何特性，为散热器提供了更高效的热交换性能和更轻的重量。然而，传统的CAD软件在处理TPMS结构的建模方面存在一定的局限性，能够支持这种复杂结构的软件并不多见。在这样的背景下，设计师们面临着一个挑战：如何快速迭代并优化设计，以满足市场对于高性能散热器的需求。传统的设计方法往往需要大量的时间和资源来调整和测试不同的设计方案，这在快节奏的市场中显得尤为不足。因此，市场迫切需要一种能够同时具备TPMS结构建模能力和快速迭代特性的设计工具。
(2) TPMS结构细节丰富，曲面结构复杂，对散热仿真分析提出了较高要求，主要体现在以下方面：
CAD数据兼容性要求高：散热仿真需直接处理CAD软件生成的几何模型，要求散热仿真分析软件能够直接识别各种CAD软件的几何模型或者STP、STL等中间格式模型，对数据兼容性提出了较高要求。
网格剖分困难：由于TPMS结构复杂，需使用高质量网格划分工具来避免影响仿真精度；同时对于TPMS等复杂几何结构，网格剖分体量往往较大，对网格剖分效率也提出较高要求。
散热流动场景复杂：对TPMS结构散热器进行散热仿真，除流动压力和流速等常规计算外，往往也需要考虑热传导、热对流和热辐射等综合影响，对散热仿真分析软件的功能完备度、收敛性和计算准确性等均提出了较高要求。
材料属性不确定：TPMS结构通常由金属或复合材料制成，导热系数和表面粗糙度等材料属性的不确定性会影响仿真精度。
计算资源消耗大：TPMS结构的复杂几何和多物理场耦合导致仿真计算量巨大，尤其是瞬态仿真或大规模模型。
(3) 尽管TPMS结构在散热器设计中展现出巨大潜力，但将这一复杂设计转化为高性能实物，仍面严格的制造要求。在金属3D打印中，传统的红外激光在加工纯铜及铜合金等高反材料时存在诸多挑战，使TPMS结构设计的实际生产面临困难。
首先，纯铜在红外波段对激光的吸收率较低，大部分激光能量被反射，难以充分作用于金属粉末，影响了熔池的稳定性和质量。熔池形成困难会导致局部熔融不充分，产生未熔合孔隙等缺陷，影响打印的精度和结构的完整性。
其次，红外激光在加工纯铜时产生的大量反射光还可能对设备的光学系统造成损害。高强度的反射光回射至光学路径中的关键组件，可能导致镜片局部过热，加速光学元件老化或损伤。在长期使用下，还可能影响光学系统的稳定性，进而降低打印精度和设备可靠性，同时大幅增加设备的维护频率与使用成本。
此外，对于TPMS这种壁厚薄、曲面复杂的精细结构，熔池稳定性不足更容易导致形貌偏差、气孔等问题，影响打印精度和整体性能。为确保打印质量，往往需要反复调整工艺参数，以提升成型一致性。这不仅会拉长打印周期，还增加了生产成本，限制了大规模高效制造的可能。
综上，传统红外激光在3D打印纯铜散热器时面临材料适配性差、热控能力不足、设备损耗大以及生产效率低下等多重挑战，尤其在打印TPMS等复杂结构时，问题更为突出。这不仅影响了高效散热器的应用，还阻碍了创新散热结构设计的落地。要打造高性能且稳定可靠的散热器产品，亟需形成从设计、仿真到制造的全流程链路，构建能够应对复杂结构和高精度制造要求的国产化解决方案。
【国产解决方案】
在本案例中，我们将基于一个基本设计的换热器进行仿真、多方向迭代和高水准制造。
漫格软件进行原始设计
漫格VoxelDance Design是一款国内全自主研发隐式建模核心的设计软件，它通过算法块连线的方式，也就是蓝图脚本，能够快速精准地实现TPMS（三重周期极小曲面）结构的填充。这种技术极大地提升了设计的灵活性和精确度，使得设计师可以更加专注于创意的实现。通过这种方式，VoxelDance Design不仅优化了设计流程，还大幅度降低了设计时间，使得设计师的想法能够几乎实时地得到表达和实现。
此外，VoxelDance Design还支持使用非线性参数对零件特征尺寸进行快速驱动，这意味着设计师可以轻松调整和优化设计，以适应不断变化的需求和条件。这种灵活性和实时性的设计能力，为设计师提供了强大的工具，以实现更加高效和创新的设计工作。通过这些功能，VoxelDance Design可以极大提高设计效率，间接的推动了增材制造技术的发展，为智能制造领域带来了新的可能。
通过创建原始轮廓，并选择合适的基本单元进行填充，最后进行简单的固定数值驱动，一个基本结构的散热器模型就创作完成了。
(图2 初代换热器模型图)
中望软件进行仿真和设计指导
中望流体仿真软件PHOENICS是一款通用流体仿真软件，广泛应用于各工业场景下的流动情况，适用于可压缩流体/不可压缩流体、牛顿流体/非牛顿流体、层流/湍流、单相流/多相流、亚音速/超音速、恒温/变温流动、单组分/多组分流动等分析。丰富的流动求解能力，足以应对TPMS结构散热分析面临的各种工况。
使用中望流体分析软件PHOENICS可对TPMS结构流动区域进行高效率网格划分以及快速精准分析。PHOENICS支持结构化和非结构化网格划分，支持PARSOL、SPARSOL等多种网格切割方法，可以便捷地实现整体网格和局部网格加密。
(图3 PHOENICS软件设置界面)
PHOENICS支持稳态和瞬态计算，支持无限核数的并行计算以及单精度/双精度计算，支持在笛卡尔坐标系、极坐标、圆柱坐标以及贴体坐标下进行流体分析；支持多种差分格式，如一阶二阶Upwind、中心差分、高阶线性差分QUICK、非线性差分SMART\MUSCL、混合差分格式等，充分满足不同计算精度的要求。软件同时支持松弛因子、伪时间步、极值和迭代控制等多种调整收敛性的手段，也可通过设置合适的初始值来加速收敛。
以某TPMS结构散热产品为例，经分析确认，初代方案散热不充分，容易产生热应力集中的风险。建议修改产品结构，使得散热器来流流速更高，出口流量更大。
(图4 初代结果热流耦合仿真)
根据此修改需求，通过VDD产品可以对换热器壁厚和尺寸进行设计迭代。采用场驱动的方式快速创建新几何模型。
(图5 变单元尺寸&变单元厚度设计及其热流耦合仿真结果)
用PHOENICS对两款新设计方案重新进行热流耦合仿真，均达到理想散热效果。新设计的散热合理性得以确认。
希禾连续绿激光进行高质量纯铜打印
希禾增材（ADDIREEN）是中国首家专注绿激光金属增材制造的企业，基于自研增材专用高功率绿光激光器，提供高性能金属3D打印设备与定制化打印服务，为铜、铝、金、银等高反金属材料、难熔金属材料、贵金属材料及常规金属材料的精密打印提供整体解决方案。
与传统红外激光相比，铜及铜合金等高反金属材料在绿光波段对激光的吸收率显著提升。常温条件下，铜对1064nm红外激光的吸收率不足5%，而对532nm绿光的吸收率可达40%以上。采用绿光进行熔融，有助于实现金属材料的充分熔化，从而获得高致密度的复杂结构打印件。同时，更高的能量利用率还能有效减少飞溅等现象，在提升成形质量的同时，也为设备的长期稳定运行提供有力保障。
希禾增材绿激光系统采用自研单模绿光光纤激光器，最小光斑直径可达15μm，在高反金属、难熔金属及常规金属材料的复杂结构打印中，能够实现更高的能量传递效率和更精细的加工能力，大幅提升打印件的致密性和表面质量。在本次打印中，希禾增材结合了漫格VDE在打印前对温度场和应力场的精准预测以及漫格BP对设备参数的精准传递与控制，确保了TPMS结构整个打印过程的高精度和高稳定性。
如图6所示，希禾增材采用绿激光系统打印的纯铜散热底板，在表面质量、细节精度和整体尺寸控制方面展现出高质量的制造水准。该散热底板尺寸为100*60*12mm，成品表面光洁、金属纹理均匀，尺寸精度达到高标准。通过对希禾增材绿激光设备的工艺参数进行优化，纯铜打印件可以实现99.9%以上的相对密度，有效避免了传统制造中常见的孔隙、裂纹和表面不均等缺陷。同时，纯铜的优异导热性能得到充分发挥，确保热量快速且高效地传导至下游散热模块。
(图6 打印产品图)
目前，希禾增材已具备纯铜0.1mm和不锈钢0.06mm的最小壁厚打印能力。在TPMS结构散热器件制造中，壁厚可达0.08mm，打印成品兼顾复杂几何精度、结构稳定性和优异的力学性能。这不仅展现了希禾增材绿激光技术在热管理领域的应用实力，也为构建国产高性能散热器的设计、验证与制造体系提供了坚实的实践支撑，推动复杂散热器件从设计到高效量产的转化。
总结与展望
目前国产全闭环3D打印纯铜散热器从设计到分析再到最终生产打印的技术是完全可以实现的。本次漫格、中望和希禾的联合方案，突破了国外的技术垄断，填补了国内市场空白。此次实践，不仅为国内散热市场的即将到来的需求激增做好了充分准备，而且为国产软硬件的商业化应用奠定了坚实的基础。
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