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傳統(tǒng)銅熱交換器制造面臨的困境

半導體技術(shù)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，萬物互聯(lián)趨勢帶來了算力的飛快提升和無時無刻的高速數(shù)據(jù)連接。而其大集成、高功率的電子元器件在運行時會產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時散出，就會導致電子元器件產(chǎn)生熱損傷現(xiàn)象，帶來嚴重危害和巨大的經(jīng)濟損失。如何減少甚至避免電子元器件因熱量積聚而導致的熱損傷現(xiàn)象，高效的散熱技術(shù)是關(guān)鍵。

▲常見銅熱交換器（來源網(wǎng)絡）

銅因具有優(yōu)異的導熱性能且易加工，常被制作成消費電子、家電、汽車等行業(yè)的熱交換器，在熱管理領(lǐng)域如發(fā)電系統(tǒng)、運輸、石油和天然氣加工、海水淡化等都具有廣泛的應用前景。傳統(tǒng)上生產(chǎn)熱交換器的方法是制造單獨的翅片、管或板，并將它們粘合或焊接在一起。這是一種手動技術(shù)，如果任何這些釬焊接頭之間出現(xiàn)故障，都可能導致熱交換器出現(xiàn)故障。而隨著當今世界上數(shù)以百萬計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候都更加重要。越來越復雜的熱交換技術(shù)讓傳統(tǒng)工藝顯得有點力不從心，采用新技術(shù)實現(xiàn)高表面積以促進有效熱流，同時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（來源網(wǎng)絡）

純銅３D打印熱交換器的優(yōu)勢和限制

3D打印為新穎的熱交換器設計開辟了新途徑，可以針對流動性和傳導性進行優(yōu)化，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、十分復雜的形狀、點陣結(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。

銅的3D打印特別適合銅熱交換組件的制造。但由于銅的導熱性和反射率非常高，這使得銅金屬特別是純銅難以通過常規(guī)3D打印有效成型，銅在室溫下對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，制件無論是力學性能還是導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程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問題。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，不會受到SLM激光高反射因素的影響，因此稍具優(yōu)勢，但因銅具有高導電率，EBM打印過程會很短；又因銅的高導熱率，會導致打印的模型尺寸精度和力學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）和拓撲優(yōu)化（右）生成的散熱器設計(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題。另外粘結(jié)劑噴射（BJ）工藝的銅3D打印工藝也實現(xiàn)了商業(yè)化。但因其采用粉末床鋪粉方式，內(nèi)部復雜流道或中空結(jié)構(gòu)的清粉工作也是個很大的挑戰(zhàn)。由升華三維推出的粉末擠出打?。≒EP）技術(shù)巧妙地避開了純銅打印過程中的高導熱、高反射問題。PEP工藝采用顆粒熔融擠出成型方式，通過先打印生坯，然后再經(jīng)過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在打印純銅時不需要高能激光束。升華三維針對純銅3D打印開發(fā)了純銅顆粒料UPGM-CU，其保持原料高純凈度的同時還具有更易實現(xiàn)致密化的特性，能滿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。通過自主研發(fā)的3D打印設備，可以加工純銅及其合金材料以制造致密的部件，在純銅3D打印上一舉填補國內(nèi)空白。目前已經(jīng)廣泛應用于熱交換器、散熱器和電感應器的產(chǎn)品開發(fā)中。

▲升華三維純銅打印產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)

3D打印將成為促進熱管理技術(shù)升級利器

3D打印在熱管理的應用開發(fā)目前最熱門的領(lǐng)域主要與電動汽車、高端計算、航空航天和國防相關(guān)，行業(yè)的關(guān)注點集中在具有較高價值量的熱交換器、航空航天熱管理部件、高端芯片散熱部件如微型冷板、拓撲優(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，是解決高熱通量計算冷卻問題的一把利器。但目前成熟應用市場還主要以傳統(tǒng)制造方式為主，不過隨著制造工藝的高要求，3D打印在熱管理領(lǐng)域的應用將是未來發(fā)展趨勢。

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，涵蓋了材料開發(fā)、打印材料、密煉造粒機、3D打印機、脫脂燒結(jié)爐等全工藝鏈設備，可提供高性能的間接3D打印整體解決方案。同時也歡迎增材制造界與散熱界朋友廣泛交流，促進技術(shù)融通，為增材制造在散熱領(lǐng)域的應用提供寶貴意見。