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3D打印用于散熱器或熱交換器的制造

發(fā)布時間：2022-08-01 13:42:32瀏覽：7205點(diǎn)贊：

近年來，由于電子元器件及其應(yīng)用產(chǎn)品的飛速發(fā)展

，熱損耗與熱安全問題日益凸顯

，電子產(chǎn)品散熱器作為散熱功能性部件，在電子產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域扮演越來越重要的角色

。據(jù)公開文獻(xiàn)調(diào)查

，電子產(chǎn)品的熱管理是一個價值100億美元的市場，并且是該技術(shù)的潛在受益者

。

而3D打印在推動散熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方面將扮演重要的角色,3D打印用于散熱器或熱交換器的制造滿足了產(chǎn)品趨向緊湊型

、高效性、模塊化

、多材料的發(fā)展趨勢

，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。

IQ-Big 53 3D打印冷卻器（在圖像右側(cè)）用于組裝兩個Semitop模塊?亞琛IQ-evolution

為批量生產(chǎn)而設(shè)計的冷卻器

主動散熱與被動散熱

Part_Cooling_Fraunhofer_2將IQ Big 53冷卻器擰到兩個Semitop模塊上（雙層包裝的尺寸：60 mm x 55 mm x 24 mm（HxWxD））

，重量約為100克

。?亞琛IQ-evolution

3D打印的不銹鋼散熱器早已進(jìn)入電子開發(fā)實驗室，據(jù)了解

，在冷卻性能和冷卻組件的功率輸出方面

，所有最先進(jìn)的SiC組件（由碳化硅制成的功率半導(dǎo)體）應(yīng)用領(lǐng)域，都獲得了令人印象深刻的結(jié)果

。這些SiC元件能夠以97％到99％的效率傳輸非常高的功率

。產(chǎn)生的熱量損失的可靠散逸決定了功率電子設(shè)備的性能。

除了使用主動散熱元件外

，被動元件最近也成為亞琛的關(guān)注焦點(diǎn)

。在這里，例如對于大電流線圈

，對冷卻的需求也在增加

。通過3D打印可以提供合適的解決方案，例如厚度為0.8毫米的薄壁

，使得總有用于冷卻插件的空間

。

據(jù)了解，亞琛正在研究的另一個解決方案是電源導(dǎo)軌冷卻

，母線以高電流連接功率電子設(shè)備中的組件

。在此

，必須有效地消除導(dǎo)體內(nèi)部以及接觸點(diǎn)處的電阻所產(chǎn)生的多余熱量

。亞琛目前通過3D打印技術(shù)為這個應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)合適的解決方案。

金屬及其導(dǎo)熱系數(shù)

為了實現(xiàn)批量生產(chǎn)

，據(jù)悉

，亞琛IQ Evolution開發(fā)團(tuán)隊致力于對小型結(jié)構(gòu)進(jìn)行金屬3D打印

。對于散熱器的應(yīng)用來說

，就其導(dǎo)熱性而言，所使用的材料（不銹鋼1.4404）將遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于銅和鋁

。例如

，IQ-Big 53使用的是1.4404不銹鋼粉末。不過考慮到要散發(fā)的熱量僅需要覆蓋大約50毫米的距離

，采用不銹鋼是足夠的

。

還必須考慮冷卻類型：對于具有良好導(dǎo)熱性的材料

，目的是要具有盡可能大的表面以實現(xiàn)熱交換。亞琛IQ Evolution開發(fā)的冷卻器所使用的原理是不同的

，在此以有針對性的方式產(chǎn)生湍流

，以便將熱量帶走。而與這種類型的冷卻完全無關(guān)的是

，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的材料是什么

。關(guān)于熱傳導(dǎo)，它們無論如何都不參與熱交換

。

亞琛IQ Evolution開發(fā)的冷卻器產(chǎn)品組合中的一種產(chǎn)品是一種嵌入式冷卻器（散熱器）

。這些電源模塊具有不同的名稱，例如Easypack或Flow

。根據(jù)3D科學(xué)谷的了解

，亞琛工業(yè)大學(xué)（ISEA）的電力電子和電氣驅(qū)動研究所使用這種散熱裝置進(jìn)行雙向冷卻，已證明在實際環(huán)境中每側(cè)的冷卻能力為700 W

，即每臺冷卻器的總冷卻能力為1.4 KW

。

一個成功的應(yīng)用案例是將IQ-Big 53系列冷卻器用在汽車版本中，在100 mbar的壓差下實現(xiàn)了2.2 l / min的流量（低壓損失

，高流量）

。這已經(jīng)足以實現(xiàn)上述的冷卻性能。與此同時

，IQ-Big 53重量很輕

，因為它僅重33克。

冷卻器的批量生產(chǎn)和價格

重量輕表明

，IQ-Big 53從設(shè)計階段就開始為批量生產(chǎn)而設(shè)計

。通過優(yōu)化重量，使用激光工藝熔化的粉末更少

，與傳統(tǒng)的散熱器相比

，這也導(dǎo)致了巨大的價格差異。組件的價格隨制造工廠的壽命而定

。不需要設(shè)置的東西一開始不會花費(fèi)任何費(fèi)用

。對于同時制造的許多組件，成本會相應(yīng)地分配

，用戶將從中受益

。

IQ的解決方案：憑借每側(cè)700 W的冷卻能力和兩側(cè)的裝備，僅需在三個IQ Big 53冷卻器上的六個模塊即可提供210 kW的所需輸出

，例如

，使用制造商Semikron的Semitop模塊。

節(jié)省的成本：整個系統(tǒng)的整體體積小得多

，重量從10公斤左右減少到500克以下

，這減少了20倍

，還可以計算出將所需模塊數(shù)量減半將足以補(bǔ)償三個冷卻器的任何額外價格。此外

，亞琛的解決方案還具有減輕重量和體積的優(yōu)點(diǎn)

。

優(yōu)化的3D打印冷卻器用于線軸冷卻，帶有集成的接觸襯套

。?亞琛IQ-evolution

市場還提供完全可以滿足批量生產(chǎn)所需功能的機(jī)器-每月可能有多達(dá)100,000個零件的大批量生產(chǎn)

。這種3D打印系統(tǒng)具有高度的自動化mation下游測試和處理過程也可以完全自動映射，從而可以按相應(yīng)的采購數(shù)量進(jìn)行整個生產(chǎn)

。

特殊合金和新金屬組合

根據(jù)所使用的冷卻器材料

，壁厚可能約為80 μm。通常的方法可用于表面精加工和金屬化

。特別是在熱管理領(lǐng)域

，為了滿足產(chǎn)品要求，優(yōu)化流量控制

，微結(jié)構(gòu)和材料性能至關(guān)重要

。

基本上，LPBF工藝具有原型構(gòu)造和靈活性方面的優(yōu)勢

，幾乎具有無限的設(shè)計自由度

。不過目前的LPBF機(jī)器是為大型組件而設(shè)計的

，因此伴隨著較大的層厚度和較大的激光聚焦

。兩者均不適用于構(gòu)建功率冷卻器所需的那種小型結(jié)構(gòu)。

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