CN112191849A - 基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于温度分布的梯度多孔结构散热装置的设计及增材制造方法，属于热交换技术领域，采用本方法设计的热交换器将避免热应力集中、温度梯度高的缺点，具有结构紧凑、轻质、热交换效率高等优点。首先给出了根据温度分布建立空间矩阵，映射为多孔结构的相对密度，得到具有连续梯度变化的多孔散热结构；然后给出了典型散热器的设计过程，包括Boltzmann拟合函数算法、结构设计方法；最后，给出了高强高导热铜合金的增材制造成型工艺，采用选区激光熔化工艺，一体化成形该装置。该设计方法适用于对温度均匀性有特殊要求的场合，能有效避免高热量集中；梯度变化的多孔结构还具有高比表面积、轻质和高散热效率的优点。

Description

基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法

技术领域

本发明属于计算机辅助设计(Computeraideddesign,CAD)和热交换技术领域，尤其是涉及基于温度分布的梯度多孔结构设计与增材制造成型技术。

背景技术

三周期极小曲面(TriplyPeriodic Minimal Surface,TPMS)是一种基于隐函数的设计方法，具有表达式简单、设计高效的特点，其产生的多孔结构具有结构连续、表面平滑、不易产生应力集中的优点，通过改变函数中的参数能便捷的实现孔隙大小、相对密度的变化。包括专利(CN201811308405.6)和专利(CN201911407257.8)在内的许多专利给出了三周期极小曲面的表达式，实现了多孔结构的设计，但这些结构设计均是在直角坐标系下完成的，没有涉及圆坐标系的结构设计，难以实现圆柱形结构的多孔填充，也没有根据温度分布情况进行梯度设计，本发明将用于解决该问题。

在热交换领域，近热源处和远热源处的温度梯度相差很大，对结构的导热效率提出了差异化需求，十分有必要根据温度或温度梯度的独特情况进行结构的梯度设计，这将有效提高结构的散热效率，改善热源处的热应力集中现象。受限于传统成型技术的制造约束，现有的散热器芯通常采用均匀的片状结构，没有根据温度的分布情况进行梯度设计。随着增材制造技术(3D打印)的发展，尤其以选区激光熔化(SelectiveLaserMelting，SLM)成型技术为代表，使得具有高比表面积的多孔结构能够实现高质量制造，在包括生物植入骨、航空航天及热交换领域得到了应用。选区激光熔化成型技术是以激光为能量源，通过逐层扫描金属粉末叠加成型制件的增材制造技术，是多孔结构的最有效制造手段之一。基于层层叠加的工艺方法，SLM极大地释放了设计自由度，为成形具有结构和功能多重属性的复杂金属构件，提供了技术支撑，具有广阔的发展前景。借助SLM技术的高成型自由度优势，对结构进行功能化设计是当今研究的热点。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法。本发明的技术方案如下：

一种基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1、首先根据发热体温度分布建立空间矩阵，映射为多孔结构的相对密度，得到具有连续梯度变化的多孔散热结构；

步骤2、然后设计典型散热器，采用的方法包括Boltzmann拟合函数算法、结构设计方法；

步骤3、最后，设计高强高导热铜合金的增材制造成型工艺，采用选区激光熔化工艺，一体化成形该装置。

进一步的，所述步骤1具体包括以下步骤：

A1、首先采集发热体的温度分布，并建立温度分布的空间矩阵；

A2、选取一种TPMS多孔结构，利用梯度算法控制该多孔结构的相对密度；

A3、将空间矩阵与相对密度值进行映射，即能实现多孔结构的梯度建立，将温度分布的空间矩阵映射为相对密度，建立温度分布的梯度函数。

进一步的，当TPMS多孔结构为Gyroid螺旋二十四面体时，利用梯度算法控制该多孔结构的相对密度；其多孔结构的表达式为

C_G是用于控制相对密度ρ^*的参数，C_P与ρ^*的函数关系是：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2-2.7ρ^*+1.51 (2)

进一步的，所述步骤2、然后设计典型散热器，采用的方法包括Boltzmann拟合函数算法、结构设计方法，具体包括：

B1、温度分布拟合函数采用Boltzmann函数，公式如下：

由Boltzmann拟合函数和以上条件，ρ^*为多孔结构的相对密度，r为圆柱多孔结构的半径，A₁、A₂、x₀、dx均为Boltzmann函数的拟合参数，得到各参数为：A₁＝0.523；A₂＝0.057；x₀＝11.131；dx＝1.445；

B2、通过编程语言建立梯度函数，对多孔结构进行设计，针对多孔结构的建模过程，这里提出一种新方法：通过从直角坐标到圆坐标的转换，实现圆柱形构件的多孔结构填充，为避免圆柱形多孔结构过渡畸变，参数应满足：

其中，a为多孔结构的单元尺寸，θ为弧度值；

B3、通过以上方法，可建立具有径向梯度变化的Gyroid多孔结构圆柱模型，该模型的中心可放置发热体，热量经高相对密度的多孔结构可快速传输至外结构，实现热量的高效扩散。

进一步的，所述步骤3设计高强高导热铜合金的增材制造成型工艺，采用选区激光熔化工艺，一体化成形该装置，具体包括：

C1、设计完成后的模型通过STL文件进行输出，在magics软件中对模型进行包括网格细化、面片修复、布尔操作在内的处理；而后输出3D打印的文件，并作切片处理；

C2、切片文件或打印文件输入到选区激光熔化成型设备中进行3D打印；

C3、选用铜合金粉末，粉末的平均粒径为0.02-0.04mm，成型工艺为：激光功率330-390W，扫描速度600-660mm/s，或激光功率160-190W，扫描速度160-190mm/s；扫描线间距0.08-0.12mm，层厚0.02-0.04mm，层间扫描线偏转角度67°；成型仓由高纯氩气保护，氧含量≤0.1％；基板预热温度70-100℃；

C3、成型完成后，对制件进行后处理，包括热处理、线切割、喷砂处理、切削加工，热处理工艺为：在真空环境或高纯氩气包括环境中，加热至500-700℃，保温3-4小时，随炉冷却。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明提出基于温度分布的梯度结构设计方法，采用Boltzmann函数实现了多孔结构的连续梯度设计，提高高温区的传热效率(首次提出)；

2.TPMS多孔结构的比表面积大，提供更大的热交换空间，散热效率高；

3.提出基于圆坐标的多孔结构设计方法，实现多孔结构在圆周方向上的连续构造，使中心热源的热量能均匀的向四周发散，实现圆周方向上的各向同性(首次提出)；

4.采用SLM工艺，能够实现紧凑型换热装置的一体化制造，减少制造周期，消除了零件焊接需求和组装缺陷。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例基于温度分布的多孔梯度设计方法和制造流程；

图2是温度分布向相对密度进行映射及拟合函数；

图3是多孔结构的坐标转换方法；

图4是基于温度分布的梯度多孔G结构设计模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

工作原理及过程：

本发明面向热交换器对高效、紧凑、轻量化的需求，提出了一种基于温度分布的梯度多孔结构设计方法和3D打印制造方法。实现途径如图1所示：

1.首先采集发热体的温度分布，并建立温度分布的空间矩阵。

2.选取一种TPMS多孔结构，利用梯度算法控制该多孔结构的相对密度；TPMS多孔结构以Gyroid为例(参考专利CN201911407257.8)，其表达式为：

C_G是用于控制相对密度ρ^*的参数，C_P与ρ^*的函数关系是：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2-2.7ρ^*+1.51 (2)

将空间矩阵与相对密度ρ^*值进行映射，即能实现多孔结构的梯度建立。将温度分布的空间矩阵映射为相对密度，建立温度分布的梯度函数。这里给出了一个典型的例子，基本条件为：发热体为半径r＝2π的圆柱体，中心温度100℃，温度由中心向外逐渐降低，温度梯度较高，到r＝5π时，温度降低为28℃，如图2所示。从r＝2π到r＝5π变化时，对应的相对密度从ρ^*＝0.5到ρ^*＝0.06变化。

3.温度分布拟合函数采用Boltzmann函数，公式如下：

由Boltzmann拟合函数和以上条件，得到各参数为：A₁＝0.523；A₂＝0.057；x₀＝11.131；dx＝1.445。

4.通过编程语言(如matlab，C++等)建立梯度函数，对多孔结构进行设计。针对多孔结构的建模过程，这里提出一种新方法：通过从直角坐标到圆坐标的转换，实现圆柱形构件的多孔结构填充，如图3所示。这样得到的多孔结构具有结构连续、径向的各向同性的优点。这里，为避免圆柱形多孔结构过渡畸变，图中的参数应满足：

其中，a为多孔结构的单元尺寸，θ为弧度值。

5.通过以上方法，可建立具有径向梯度变化的Gyroid多孔结构圆柱模型，如图4。该模型的中心可放置发热体，热量经高相对密度的多孔结构可快速传输至外结构，实现热量的高效扩散。

6.设计完成后的模型通过STL文件进行输出，在magics软件中对模型进行处理(网格细化、面片修复、布尔操作等)；而后输出3D打印的文件，并作切片处理。

7.切片文件或打印文件输入到选区激光熔化成型设备中进行3D打印。

8.可选用铜合金粉末(Cu-Sn合金，Cu-Cr-Zr合金等)，该粉末的平均粒径为0.02-0.04mm，成型工艺为：激光功率330-390W，扫描速度600-660mm/s(或激光功率160-190W，扫描速度160-190mm/s)；扫描线间距0.08-0.12mm，层厚0.02-0.04mm，层间扫描线偏转角度67°；成型仓由高纯氩气保护，氧含量≤0.1％；基板预热温度70-100℃。

9.成型完成后，对制件进行后处理，包括热处理、线切割、喷砂处理、切削加工等。热处理工艺为：在真空环境或高纯氩气包括环境中，加热至500-700℃，保温3-4小时，随炉冷却。

上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先根据发热体温度分布建立空间矩阵，映射为多孔结构的相对密度，得到具有连续梯度变化的多孔散热结构；

步骤2、然后设计典型散热器，采用的方法包括Boltzmann拟合函数算法、结构设计方法；

步骤3、最后，设计高强高导热铜合金的增材制造成型工艺，采用选区激光熔化工艺，一体化成形该装置。

2.根据权利要求1所述的基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：

A1、首先采集发热体的温度分布，并建立温度分布的空间矩阵；

A2、选取一种TPMS多孔结构，利用梯度算法控制该多孔结构的相对密度；

A3、将空间矩阵与相对密度值进行映射，即能实现多孔结构的梯度建立，将温度分布的空间矩阵映射为相对密度，建立温度分布的梯度函数。

3.根据权利要求2所述的基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其特征在于，当TPMS多孔结构为Gyroid螺旋二十四面体时，利用梯度算法控制该多孔结构的相对密度；其多孔结构的表达式为

C_G是用于控制相对密度ρ^*的参数，C_P与ρ^*的函数关系是：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2-2.7ρ^*+1.51 (2)

4.根据权利要求2所述的基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其特征在于，所述步骤2、然后设计典型散热器，采用的方法包括Boltzmann拟合函数算法、结构设计方法，具体包括：

B1、温度分布拟合函数采用Boltzmann函数，公式如下：

由Boltzmann拟合函数和以上条件，ρ^*为多孔结构的相对密度，r为圆柱多孔结构的半径，A₁、A₂、x₀、dx均为Boltzmann函数的拟合参数，得到各参数为：A₁＝0.523；A₂＝0.057；x₀＝11.131；dx＝1.445；

B2、通过编程语言建立梯度函数，对多孔结构进行设计，针对多孔结构的建模过程，这里提出一种新方法：通过从直角坐标到圆坐标的转换，实现圆柱形构件的多孔结构填充，为避免圆柱形多孔结构过渡畸变，参数应满足：

其中，a为多孔结构的单元尺寸，θ为弧度值；

B3、通过以上方法，可建立具有径向梯度变化的Gyroid多孔结构圆柱模型，该模型的中心可放置发热体，热量经高相对密度的多孔结构可快速传输至外结构，实现热量的高效扩散。

5.根据权利要求4所述的基于温度分布的梯度多孔散热装置设计及增材制造方法，其特征在于，所述步骤3设计高强高导热铜合金的增材制造成型工艺，采用选区激光熔化工艺，一体化成形该装置，具体包括：

C1、设计完成后的模型通过STL文件进行输出，在magics软件中对模型进行包括网格细化、面片修复、布尔操作在内的处理；而后输出3D打印的文件，并作切片处理；

C2、切片文件或打印文件输入到选区激光熔化成型设备中进行3D打印；

C3、选用铜合金粉末，粉末的平均粒径为0.02-0.04mm，成型工艺为：激光功率330-390W，扫描速度600-660mm/s，或激光功率160-190W，扫描速度160-190mm/s；扫描线间距0.08-0.12mm，层厚0.02-0.04mm，层间扫描线偏转角度67°；成型仓由高纯氩气保护，氧含量≤0.1％；基板预热温度70-100℃；

C3、成型完成后，对制件进行后处理，包括热处理、线切割、喷砂处理、切削加工，热处理工艺为：在真空环境或高纯氩气包括环境中，加热至500-700℃，保温3-4小时，随炉冷却。

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