CN110542337A - 一种3d打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于快速成型技术和强化传热技术领域的一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法，包括对平板热管的腔体、内部多孔毛细芯进行了分步加工，该方法主要利用3D打印技术加工平板热管的上端面、下端面、左端面、右端面和内部多孔毛细芯结构，得到的平板热管可按需求进行长度方向的截取，截取后可采用3D打印或热压法进行密封，在制备过程中可以避免对内部多孔毛细芯的破坏，有效保证平板热管的传热性能。还可按需求打印各种截面形状的多孔毛细芯，在平板热管的设计上具有较高的灵活性。本发明对超薄平板热管进行无缝加工，能得到厚度仅为0.4mm的高性能多孔毛细芯超薄平板热管。本发明能有效解决超薄厚度下的快速散热问题。

Description

一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法

技术领域

本发明属于快速成型技术和强化传热技术领域，特别涉及一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法。

背景技术

随着芯片运行速度的不断提高，其发热量也越来越大，大部分电子元件的最高耐温范围在70-80℃间，超过这一范围就可能会因过热而失效。超薄热管因体积薄、传热高效，成为了电子设备中不可或缺的散热装置。而电子设备日趋轻薄化、高集成化，其热负荷会不断增大，这就要求热管的厚度更薄、换热效率更高。

传统的超薄热管采用机械加工制得，因需留存内部空间进行蒸汽和液体循环流动，热管两侧会采用焊接方式形成空腔，若完全采用焊接法对热管进行密封，形成的焊缝会令热管厚度增加，这样得到的热管厚度大多超过1mm。若完全采用热压法对热管四周进行密封，又极易破坏内部的多孔毛细芯与其它结构，从而对热管的传热性能产生影响。目前传统的超薄热管大多采用圆形热管压扁的方式制成，对内部多孔毛细芯的破坏程度较大，本发明采用了3D打印(增材制造成型)技术对超薄热管进行无缝加工，既能避免因机加工和封装对内部多孔毛细芯造成的破坏，又能减薄平板热管厚度，使工质在多孔毛细芯内进行蒸发吸热，在冷凝端进行凝结放热，有效保证了工质在多孔毛细芯超薄平板热管内相变换热的高效性。此外，通过采用3D打印增材制造技术构造平板热管，不仅能节省耗材、缩短制造周期，还可采用多元化材料，个性化程度高，便于操作。在于解决多孔毛细芯超薄平板热管厚度缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法，其特征在于，包括采用3D打印技术分步加工得到平板热管腔体和多孔毛细芯；

所述平板热管腔体包括上端面、下端面、左端面、右端面、前端面和后端面，其中，作为打印基底面的下端面既可以通过3D打印得到，又可使用相同金属薄片代替，左端面、右端面和上端面通过3D打印得到，前端面和后端面既可采用3D打印得到，也可通过热压机对上端面和下端面进行封口形成；

所述多孔毛细芯为3D打印金属粉末与造孔剂混合物后得到的多孔结构。

所述3D打印平板热管腔体部分通过易熔融金属粉末得到；所述易熔融金属粉末选用铜粉或铝粉，或二者混合粉，或者其合金粉。

所述金属粉末粒径不同，所述不同粒径金属粉末的加工温度不同，所述不同粒径金属粉末的加工区域不同，则构造出的各结构致密度和孔隙率不同；多孔毛细芯在平板热管内部间隔布置，贯穿平板热管内部空间的前端面和后端面。

所述多孔毛细芯通过直接3D打印金属粉末得到，或通过添加金属支架后，在支架上进行3D打印得到；并且多孔毛细芯截面形状不限，

所述的平板热管左端面和右端面形状不限，可垂直、倾斜或弯曲。

所述平板热管按需求进行长度方向的截取，截取后的平板热管前端面和后端面可采用焊接法或热压法进行密封。

所述多孔毛细芯呈沟槽状，沟槽内注入液态工质，沟槽作为液态工质在平板热管内的蒸汽流通通道；沟槽底层用于提供蒸发端汽化核心产生场所，在超薄厚度环境下，液态工质在多孔毛细芯内进行蒸发吸热形成蒸汽，蒸汽流经温度较低的冷凝端放热重新凝结为液态，液态工质在受毛细作用下又会被吸入多孔毛细芯内部，回流至蒸发端再次进行蒸发吸热；

所述液态工质选用酒精、丙酮或水这些低沸点液体，特别要求工质不会与金属粉末间发生氧化反应，不会在超薄热管腔体内产生不凝性气体。

所述造孔剂由碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铜、碳酸铜、氢氧化铜、亚硝酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二璜酰肼、尿素、石蜡和甲基纤维素等化合物中的一种或多种组成。

本发明的有益效果：

1.在保证换热性能的前提下，通过3D打印方法，对平板热管的上下端面及左右端面进行无缝加工，既不会损坏其内部结构，还能进一步减薄平板热管的厚度，能满足小空间高热流元件的换热要求，使热管能够在超薄厚度环境下进行高效相变换热；

2、通过3D打印方法可以减少制造成本，避免了原材料的大量浪费；

3、3D打印个性化程度高，操作灵活，可利用多元化材料进行多区域加工。

附图说明

图1为一种多孔毛细芯超薄平板热管正剖切图。

图2为一种多孔毛细芯超薄平板热管侧剖切图。

图3为多孔毛细芯结构示意图；其中，a为方形多孔毛细芯截面示意图；

b为一种三角形多孔毛细芯截面示意图；c为一种圆形多孔毛细芯截面示意图。

图4为一种以选区激光熔融技术举例的3D打印技术原理图；

图5为3D打印技术加工平板热管示意图；其中，a为加工多孔毛细芯超薄平板热管下端面示意图；b为加工多孔毛细芯超薄平板热管右端面示意图；c为加工多孔毛细芯超薄平板热管多孔毛细芯示意图；d为加工多孔毛细芯超薄平板热管上端面示意图。

图中标号：1-上端面，2-下端面，3-左端面，4-右端面，5-前端面，6-后端面，7-多孔毛细芯，8-工作窗，9-激光束，10-工件，11-工作仓，12-储粉仓，13-滚筒，14-保护气。

具体实施方式

本发明提供了一种利用3D打印技术加工多孔毛细芯超薄平板热管及打印方法，下面将结合附图和实施例中对本发明进行更加详细的描述。

本发明的目的在于解决多孔毛细芯超薄平板热管厚度缺陷，提供了一种利用3D打印技术加工多孔毛细芯超薄平板热管的方法，主要包括采用3D打印技术分步加工得到平板热管腔体和多孔毛细芯，使热管能够在超薄厚度下高效运行。

如图1、图2所示的多孔毛细芯超薄平板热管结构示意图。平板热管包括上端面1、下端面2、左端面3、右端面4、前端面5和后端面6组成外壳，在外壳内填充多孔毛细芯7；所述下端面2可通过3D打印进行熔融金属粉末得到，也可直接以相同材料的金属板代替，左端面3和右端面4在下端面2的基础上均通过3D打印进行熔融金属粉末得到。上端面1也通过3D打印进行熔融金属粉末得到，金属粉末可选铜粉、铝粉或二者混合粉，或者其合金粉。其金属粉末粒径可选在1-80μm左右。因平板热管厚度非常小，内部多余的支撑粉末需要去除，故前端面5和后端面6需采用传统方法密封，如通过焊接或通过热压机对上端面1和下端面2进行封口，在封闭前端面5或后端面6时，需提前埋入真空管，以便对平板热管进行抽真空和注液操作。各端面厚度可选在0.05-0.3mm之间，也可选择其他厚度进行打印。所述多孔毛细芯7主要用于提供毛细力促使工质进行循环，多孔毛细芯7呈沟槽状，沟槽用于提供平板热管内的蒸汽流通通道，沟槽底层用于提供蒸发端汽化核心产生场所。在超薄厚度环境下，工质在多孔毛细芯内进行蒸发吸热形成蒸汽溢出毛细芯进入沟槽内，当蒸汽流经温度较低的冷凝端时，便会放热重新凝结为液态，受毛细作用影响，液态工质又会被吸入多孔毛细芯内部，回流至蒸发端再次进行蒸发吸热。多孔毛细芯在所述平板热管内部间隔布置，贯穿所述平板热管内部空间的前端面5和后端面6。制造多孔毛细芯所用的金属粉末粒径可选在80-170μm左右，也可选择其他粒径的粉末，多孔介质层为平铺于下端面2上的多孔毛细芯7的沟槽结构底层，其厚度不限，选在0.1mm左右。多孔毛细芯厚度可为0.2mm左右，也可选择其他厚度进行加工。综上，所制备的多孔毛细芯超薄平板热管厚度至少可减薄至0.4mm。特别地，所述工质为沸点较低的液体，如酒精、丙酮、水等，工质要求不会与金属粉末间发生氧化反应，不会在超薄热管腔体内产生不凝性气体。

如图3所示的多孔毛细芯结构示意图；其中，a为方形多孔毛细芯截面示意图；b为一种三角形多孔毛细芯截面示意图；c为一种圆形多孔毛细芯截面示意图。所述多孔毛细芯可通过三维建模后直接采用3D打印技术得到，也可通过添加金属支架，如金属丝、条状金属支撑物等，再在该类金属支架表面进行3D打印得到。多孔毛细芯7在满足蒸汽和液体流通通道要求的基础上，截面形状不限，可为矩形、三角形以及圆形等多种形状。平板热管左端面3和右端面4形状不限，可垂直、倾斜或弯曲。

图4所示的激光熔融技术的3D打印技术原理图具体采用的SLM3D打印系统由工作窗8，激光束9，工件10，工作仓11，储粉仓12，滚筒13，保护气14组成；在打印过程中，激光束9通过工作窗8移动到需要打印的地方进行加热熔融或烧结金属粉末成型，每打印一层，就需要下移工作仓11并上升储粉仓12，然后使用滚轮13将金属粉末碾盖于工件10表面，进行下一次激光束9的打印。若所选金属粉末在高温下易发生氧化，加工过程必须在保护气14条件下进行。在SLM加工加工腔体时，激光束9加工温度应高于金属粉末熔点，加工多孔毛细芯时，激光束9加工温度可略低于金属粉末熔点。

以铜粉为例，加工腔体时的激光束9温度应超过1083.5℃，而烧结多孔毛细芯7时的激光束9温度应在800-950℃之间，烧结温度范围可按所选粉末粒径大小进行适当调整，粉末越细，其活性越强，所需的烧结温度越低。当选用的金属粒径足够大时，也可不添加造孔剂，通过烧结金属粉末直接在颗粒间产生孔隙形成多孔结构。多孔毛细芯7可通过3D打印烧结金属粉末与造孔剂的混合物得到，也可通过气相沉积法、粉末冶金法、浆料发泡法、放电等离子烧结法、自蔓延高温合成法得到。以3D打印铜粉与造孔剂混合物得到的多孔毛细芯为例，造孔剂可由碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铜、碳酸铜、氢氧化铜、亚硝酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二璜酰肼、尿素、石蜡和甲基纤维素等化合物中的一种或多种组成，造孔剂与铜粉按比例混合即可进行烧结。根据实际需要，可在平板热管内间隔布置不同数量的多孔毛细芯，平板热管总宽度可按需求进行设计，平板热管长度范围可按实际条件设定。

图5所示的3D打印技术加工平板热管的步骤示意图；图5中，a为加工多孔毛细芯超薄平板热管下端面示意图；b为加工多孔毛细芯超薄平板热管右端面示意图；c为加工多孔毛细芯超薄平板热管多孔毛细芯示意图；d为加工多孔毛细芯超薄平板热管上端面示意图。

所述3D打印加工多孔毛细芯超薄平板的步骤：

1)对多孔毛细芯超薄平板热管进行三维建模，平板热管腔体与多孔毛细芯需分步打印，应分别建立相应的三维模型，生成打印切片模型文件后发送至打印机；

2)打印前，于储粉槽内放置打印平板热管腔体所需的金属原料粉末，设置合理的激光喷头温度，先打印平板热管的下端面、左端面和右端面，若下端面直接选用金属板，则可继续在下端面上进行左端面和右端面的打印；

3)下端面、左端面和右端面构造成型后，去除多余粉末，停止打印机工作，并将储粉槽内的粉末换为烧结多孔毛细芯所需的金属原料粉末；向打印机发送相应切片模型文件后，设置好合理的喷头温度，开始进行多孔毛细芯的打印构造，此时可沿x轴分条打印；

4)多孔毛细芯构造成型后，去除多余粉末，停止打印机工作，并将储粉槽内的粉末换为熔融腔体所需的原料粉末；向打印机发送相应切片模型文件后，设置好合理的喷头温度，开始进行上端面的打印；

5)上端面打印结束后，停止打印机工作，并从平板热管前后端通口吹去内部多余粉末；

6)前端面或后端面需提前埋入真空管，以便对平板热管进行抽真空和注液操作，前端面和后端面可采用相同材料金属片与平板热管其他端面进行焊接得到，或者通过热压机对上端面和下端面进行封口形成；

7)完成平板热管制造。

Claims (10)

1.一种3D打印多孔毛细芯超薄平板热管；其特征在于，包括采用3D打印技术分步加工得到平板热管腔体和多孔毛细芯；

所述平板热管腔体包括上端面、下端面、左端面、右端面、前端面和后端面，其中，作为打印基底面的下端面既可以通过3D打印得到，又可使用相同金属薄片代替，左端面、右端面和上端面通过3D打印得到，前端面和后端面既可采用3D打印得到，也可通过热压机对上端面和下端面进行封口形成；

所述多孔毛细芯为3D打印金属粉末与造孔剂混合物后得到的多孔结构。

2.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管的方法，其特征在于，所述3D打印平板热管腔体部分通过易熔融金属粉末得到；所述易熔融金属粉末选用铜粉或铝粉，或二者混合粉，或者其合金粉。

3.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述金属粉末粒径不同，所述不同粒径金属粉末的加工温度不同，所述不同粒径金属粉末的加工区域不同，则构造出的各结构致密度和孔隙率不同；多孔毛细芯在平板热管内部间隔布置，贯穿平板热管内部空间的前端面和后端面。

4.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述多孔毛细芯通过直接3D打印金属粉末得到，或通过添加金属支架后，在支架上进行3D打印得到；并且多孔毛细芯截面形状不限。

5.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述的平板热管左端面和右端面形状不限，可垂直、倾斜或弯曲。

6.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述平板热管按需求进行长度方向的截取，截取后的平板热管前端面和后端面可采用焊接法或热压法进行密封。

7.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述多孔毛细芯呈沟槽状，沟槽内注入液态工质，沟槽作为液态工质在平板热管内的蒸汽流通通道；沟槽底层用于提供蒸发端汽化核心产生场所，在超薄厚度环境下，液态工质在多孔毛细芯内进行蒸发吸热形成蒸汽，蒸汽流经温度较低的冷凝端放热重新凝结为液态，液态工质在受毛细作用下又会被吸入多孔毛细芯内部，回流至蒸发端再次进行蒸发吸热。

8.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述液态工质选用酒精、丙酮或水这些低沸点液体，特别要求工质不会与金属粉末间发生氧化反应，不会在超薄热管腔体内产生不凝性气体。

9.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管，其特征在于，所述造孔剂由碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸铜、碳酸铜、氢氧化铜、亚硝酸铵、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚苯乙烯、二偶氮氨基苯、偶氮二异丁腈、二亚硝基五亚甲基四胺、偶氮二甲酰胺、二璜酰肼、尿素、石蜡和甲基纤维素等化合物中的一种或多种组成。

10.根据权利要求1所述3D打印多孔毛细芯超薄平板热管的打印方法，其特征在于，所述3D打印加工多孔毛细芯超薄平板的步骤：

1)对多孔毛细芯超薄平板热管进行三维建模，平板热管腔体与多孔毛细芯需分步打印，应分别建立相应的三维模型，生成打印切片模型文件后发送至打印机；

2)打印前，于储粉槽内放置打印平板热管腔体所需的金属原料粉末，设置合理的激光喷头温度，先打印平板热管的下端面、左端面和右端面，若下端面直接选用金属板，则可继续在下端面上进行左端面和右端面的打印；

3)下端面、左端面和右端面构造成型后，去除多余粉末，停止打印机工作，并将储粉槽内的粉末换为烧结多孔毛细芯所需的金属原料粉末；向打印机发送相应切片模型文件后，设置好合理的喷头温度，开始进行多孔毛细芯的打印构造，此时可沿x轴分条打印；

4)多孔毛细芯构造成型后，去除多余粉末，停止打印机工作，并将储粉槽内的粉末换为熔融腔体所需的原料粉末；向打印机发送相应切片模型文件后，设置好合理的喷头温度，开始进行上端面的打印；

5)上端面打印结束后，停止打印机工作，并从平板热管前后端通口吹去内部多余粉末；

6)前端面或后端面需提前埋入真空管，以便对平板热管进行抽真空和注液操作，前端面和后端面可采用相同材料金属片与平板热管其他端面进行焊接得到，或者通过热压机对上端面和下端面进行封口形成；

7)完成平板热管制造。