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傳統(tǒng)銅熱交換器制造面臨的困境

半導(dǎo)體技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)趨勢(shì)帶來(lái)了算力的飛快提升和無(wú)時(shí)無(wú)刻的高速數(shù)據(jù)連接。而其大集成、高功率的電子元器件在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時(shí)散出，就會(huì)導(dǎo)致電子元器件產(chǎn)生熱損傷現(xiàn)象，帶來(lái)嚴(yán)重危害和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如何減少甚至避免電子元器件因熱量積聚而導(dǎo)致的熱損傷現(xiàn)象，高效的散熱技術(shù)是關(guān)鍵。

▲常見(jiàn)銅熱交換器（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

銅因具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能且易加工，常被制作成消費(fèi)電子、家電、汽車(chē)等行業(yè)的熱交換器，在熱管理領(lǐng)域如發(fā)電系統(tǒng)、運(yùn)輸、石油和天然氣加工、海水淡化等都具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)上生產(chǎn)熱交換器的方法是制造單獨(dú)的翅片、管或板，并將它們粘合或焊接在一起。這是一種手動(dòng)技術(shù)，如果任何這些釬焊接頭之間出現(xiàn)故障，都可能導(dǎo)致熱交換器出現(xiàn)故障。而隨著當(dāng)今世界上數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的熱交換器投入使用，就全球可持續(xù)性和降低能耗而言，熱交換器的性能和效率變得比以往任何時(shí)候都更加重要。越來(lái)越復(fù)雜的熱交換技術(shù)讓傳統(tǒng)工藝顯得有點(diǎn)力不從心，采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)高表面積以促進(jìn)有效熱流，同時(shí)又能小巧輕便的熱交器顯得尤為重要。

▲傳統(tǒng)工藝制造的散熱器（來(lái)源網(wǎng)絡(luò)）

純銅３D打印熱交換器的優(yōu)勢(shì)和限制

3D打印為新穎的熱交換器設(shè)計(jì)開(kāi)辟了新途徑，可以針對(duì)流動(dòng)性和傳導(dǎo)性進(jìn)行優(yōu)化，滿(mǎn)足了產(chǎn)品趨向緊湊型、高效性、模塊化、多材料的發(fā)展趨勢(shì)。特別是用于異形、結(jié)構(gòu)一體化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分復(fù)雜的形狀、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)等加工，3D打印具有傳統(tǒng)制造技術(shù)不具備的優(yōu)勢(shì)。

銅的3D打印特別適合銅熱交換組件的制造。但由于銅的導(dǎo)熱性和反射率非常高，這使得銅金屬特別是純銅難以通過(guò)常規(guī)3D打印有效成型，銅在室溫下對(duì)近紅外光的吸收率僅為5%，也意味著加工窗口十分的窄，很難找到完美的參數(shù)，加工效率也非常慢，制件無(wú)論是力學(xué)性能還是導(dǎo)電率都受到很大的限制。如最典型的金屬增材工藝選擇性激光熔化（SLM）和電子束熔化(EBM)技術(shù)就可以打印純銅材料。然而SLM工藝在激光熔化銅的過(guò)程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問(wèn)題。此外，銅的高延展性給去除多余粉末這樣的后處理工作增加了難度。EBM由于使用的是電子束為熱源，不會(huì)受到SLM激光高反射因素的影響，因此稍具優(yōu)勢(shì)，但因銅具有高導(dǎo)電率，EBM打印過(guò)程會(huì)很短；又因銅的高導(dǎo)熱率，會(huì)導(dǎo)致打印的模型尺寸精度和力學(xué)性能各方面的可控性較差，因此打印的銅組件表面質(zhì)量不佳。

▲由參數(shù)優(yōu)化（左）和拓?fù)鋬?yōu)化（右）生成的散熱器設(shè)計(jì)(圖片由 Fritz Lange 提供)

PEP為純銅熱交換器制造提供更優(yōu)方案

而銅對(duì)綠色激光的吸收率很高，接近 40%，足足是近紅外激光的8倍，有效克服了激光打印純銅的問(wèn)題。另外粘結(jié)劑噴射（BJ）工藝的銅3D打印工藝也實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但因其采用粉末床鋪粉方式，內(nèi)部復(fù)雜流道或中空結(jié)構(gòu)的清粉工作也是個(gè)很大的挑戰(zhàn)。由升華三維推出的粉末擠出打?。≒EP）技術(shù)巧妙地避開(kāi)了純銅打印過(guò)程中的高導(dǎo)熱、高反射問(wèn)題。PEP工藝采用顆粒熔融擠出成型方式，通過(guò)先打印生坯，然后再經(jīng)過(guò)成熟的粉末冶金脫脂和燒結(jié)工藝，得到結(jié)構(gòu)優(yōu)良的高性能純銅組件。有望為下一代熱管理組件制造帶來(lái)更優(yōu)異的解決方案。

▲升華三維制備的純銅散熱器和電感應(yīng)器組件

PEP技術(shù)是由升華三維推出的“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬／陶瓷間接3D打印工藝，具有低溫成型，高溫成性的特性。PEP在打印純銅時(shí)不需要高能激光束。升華三維針對(duì)純銅3D打印開(kāi)發(fā)了純銅顆粒料UPGM-CU，其保持原料高純凈度的同時(shí)還具有更易實(shí)現(xiàn)致密化的特性，能滿(mǎn)足不同純銅零件的打印需求，采用銅顆粒材料打印，可有效控制材料成本且更環(huán)保。通過(guò)自主研發(fā)的3D打印設(shè)備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，在純銅3D打印上一舉填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于熱交換器、散熱器和電感應(yīng)器的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中。

▲升華三維純銅打印產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)

3D打印將成為促進(jìn)熱管理技術(shù)升級(jí)利器

3D打印在熱管理的應(yīng)用開(kāi)發(fā)目前最熱門(mén)的領(lǐng)域主要與電動(dòng)汽車(chē)、高端計(jì)算、航空航天和國(guó)防相關(guān)，行業(yè)的關(guān)注點(diǎn)集中在具有較高價(jià)值量的熱交換器、航空航天熱管理部件、高端芯片散熱部件如微型冷板、拓?fù)鋬?yōu)化通道液冷換熱器等。3D打印為熱管理提供了全新，不可替代的解決方案，是解決高熱通量計(jì)算冷卻問(wèn)題的一把利器。但目前成熟應(yīng)用市場(chǎng)還主要以傳統(tǒng)制造方式為主，不過(guò)隨著制造工藝的高要求，3D打印在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

升華三維目前已建成了完整的金屬/陶瓷間接3D打印前后處理工藝，涵蓋了材料開(kāi)發(fā)、打印材料、密煉造粒機(jī)、3D打印機(jī)、脫脂燒結(jié)爐等全工藝鏈設(shè)備，可提供高性能的間接3D打印整體解決方案。同時(shí)也歡迎增材制造界與散熱界朋友廣泛交流，促進(jìn)技術(shù)融通，為增材制造在散熱領(lǐng)域的應(yīng)用提供寶貴意見(jiàn)。