CN114433874A - 一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法 - Google Patents

一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，步骤包括：确定双胞元仿叶组织结构形式，引入融合因子进行双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理，建立双胞元仿叶组织结构曲面模型，生成仿叶组织多孔散热器三维模型，并根据三维模型生成仿叶组织多孔散热器，实现了双胞元仿叶组织散热器的整体制造，产品可靠性高，生产流程短。

Description

一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法
技术领域
本发明涉及一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，属于仿生结构领域。
背景技术
随着航空航天、电子电器等工业领域的发展，对散热器等热管理系统的高性能、低能耗提出了越来越高的要求。散热器是用来传导、释放热量的一系列装置的统称，其中电子散热器通常是针对大功率电子元器件散热的散热片，可采用自然冷却、强制冷却等方式，其中自然冷却不需外加电源、流场，具有系统简单、能耗低等优势，一般采用翅片式散热结构，传统翅片式散热器一般由密排的薄板组成，散热性能有限。
仿生设计是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美，仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。植物叶片的蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程，不仅是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力，而且能够降低叶片的温度，防止叶片被灼伤。叶片组织主要由表皮细胞、叶肉细胞组成，其中表皮细胞含有众多气孔，水分通过气孔蒸腾作用以水蒸气形式排出，气孔的边缘效应促进了蒸腾作用的进行；叶肉细胞分为栅栏组织和海绵组织，具有交联孔隙结构，为水分的高效运输提供路径及负压。
通过向自然界学习，模拟叶片双组织结构，借鉴气孔蒸腾的流体驱动能力及气孔蒸腾的高效性，可以实现散热器冷却介质的高效流动以及高效蒸腾作用，提高散热器的散热效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统翅片式散热器散热性能有限的问题，提出了一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，步骤如下：
(1)确定双胞元仿叶组织结构形式；
(2)引入融合因子进行双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理；
(3)建立双胞元仿叶组织结构曲面模型；
(4)生成仿叶组织多孔散热器三维模型；
(5)根据步骤(4)所得三维模型进行增材制造，生成仿叶组织多孔散热器。
所述步骤(1)中，确定双胞元仿叶组织结构形式的具体方法为：
分析叶片组织截面结构，设计双胞元形式仿叶组织结构，通过P函数、D函数模拟叶表细胞、叶肉细胞，形成仿叶表细胞层、仿叶肉细胞层。
所述仿叶表细胞层的函数表达式为：
fP(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝0
所述仿叶肉细胞层的函数表达式为：
fD(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+
cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)＝0。
所述步骤(2)中，双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理方法具体为：
所述融合因子kP、kD分别为仿叶表细胞层融合因子、仿叶肉细胞层融合因子，其中：
kP+kD＝1；
引入融合因子后的双胞元仿叶组织函数表达式为：
Leaf(x,y,z)＝kP*fP(x,y,z)+kD*fD(x,y,z)。
所述步骤(3)中，双胞元仿叶组织结构曲面模型的建立步骤如下：
通过Matlab生成光滑过渡的双胞元仿叶结构曲面，并根据设计任务需求确定仿叶表细胞层融合因子kP，并根据确定后的参数生成双胞元仿叶组织结构曲面模型。
所述仿叶表细胞层融合因子kP通过解析法设计生成为二元多次函数，或根据设计任务有限元模拟结果，通过数值法设计生产。
所述步骤(4)中，仿叶组织多孔散热器三维模型的生成步骤如下：
通过Matlab导出双胞元仿叶组织结构曲面STL模型，将所得STL模型导入三维建模程序，进行偏置曲面处理后生成仿叶组织多孔散热器三维模型。
所述步骤(5)中，增材制造生成仿叶组织多孔散热器的具体方法为：
将仿叶组织多孔散热器三维模型导入Magics程序，进行面片检查、修复，将修复后模型进行分层切片处理，将所得切片文件导入激光选区熔化成形设备进行增材制造。
增材制造过程中，采用铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末为原材料，粉末粒径范围为0.01-0.06mm，呈正态分布。
增材制造过程中，成形工艺参数为：
激光功率180-320W、扫描速度800-1200mm/s，层厚0.03-0.04mm、扫描间距0.08-0.10mm、层间相位角23°。基板预热温度120-150℃。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，设计出通过隐式函数驱动的双胞元仿叶组织散热结构，通过借鉴叶片组织结构，实现仿叶组织散热器冷却介质的高效流动以及高效蒸腾作用，提高了散热器的传热效能和散热效果，同时采用增材制造技术，实现了双胞元仿叶组织散热器的整体制造，产品可靠性高，生产流程短。
附图说明
图1为发明提供的叶片组织结构示意图；
图2为发明提供的仿叶细胞融合结构示意图；
图3为发明提供的仿叶表细胞层及仿叶肉细胞层的状态分布示意图；
图4为发明提供的仿叶组织多孔散热器设计制造流程图；
具体实施方式
一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，提出了一种隐式函数驱动的可编程设计方法，实现“叶表-叶肉双细胞结构”的仿叶组织散热器设计，并采用增材制造的方式实现制造，具体步骤如下：
(1)确定双胞元仿叶组织结构形式；
(2)引入融合因子进行双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理；
(3)建立双胞元仿叶组织结构曲面模型；
(4)生成仿叶组织多孔散热器三维模型；
(5)根据步骤(4)所得三维模型进行增材制造，生成仿叶组织多孔散热器。
其中，确定双胞元仿叶组织结构形式的具体方法为：
分析叶片组织截面结构，设计双胞元形式仿叶组织结构，通过P函数、D函数模拟叶表细胞、叶肉细胞，形成仿叶表细胞层、仿叶肉细胞层；
仿叶表细胞层的函数表达式为：
fP(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝0
仿叶肉细胞层的函数表达式为：
fD(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+
cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)＝0。
步骤(2)中，双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理方法具体为：
融合因子kP、kD分别为仿叶表细胞层融合因子、仿叶肉细胞层融合因子，其中：
kP+kD＝1；
引入融合因子后的双胞元仿叶组织函数表达式为：
Leaf(x,y,z)＝kP*fP(x,y,z)+kD*fD(x,y,z)；
步骤(3)中，双胞元仿叶组织结构曲面模型的建立步骤如下：
通过Matlab生成光滑过渡的双胞元仿叶结构曲面，并根据设计任务需求确定仿叶表细胞层融合因子kP，并根据确定后的参数生成双胞元仿叶组织结构曲面模型；
仿叶表细胞层融合因子kP通过解析法设计生成为二元多次函数，或根据设计任务有限元模拟结果，通过数值法设计生产；
步骤(4)中，仿叶组织多孔散热器三维模型的生成步骤如下：
通过Matlab导出双胞元仿叶组织结构曲面STL模型，将所得STL模型导入三维建模程序，进行偏置曲面处理后生成仿叶组织多孔散热器三维模型；
步骤(5)中，增材制造生成仿叶组织多孔散热器的具体方法为：
将仿叶组织多孔散热器三维模型导入Magics程序，进行面片检查、修复，将修复后模型进行分层切片处理，将所得切片文件导入激光选区熔化成形设备进行增材制造；
增材制造过程中，采用铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末为原材料，粉末粒径范围为0.01-0.06mm，呈正态分布；
增材制造过程中，成形工艺参数为：
激光功率180-320W、扫描速度800-1200mm/s，层厚0.03-0.04mm、扫描间距0.08-0.10mm、层间相位角23°。基板预热温度120-150℃。
下面根据具体实施例进行进一步说明：
在当前实施例中，首先进行叶组织结构分析：
植物叶片的蒸腾作用是水分从活的植物体表面(主要是叶子)以水蒸汽状态散失到大气中的过程，不仅是植物对水分的吸收和运输的一个主要动力，而且能够降低叶片的温度，防止叶片被灼伤。叶片组织主要由叶表细胞、叶肉细胞组成如图1所示；
叶表细胞：含有众多气孔，水分通过气孔蒸腾作用以水蒸气形式排出，气孔的边缘效应促进了蒸腾作用的进行；
叶肉细胞：分为栅栏组织和海绵组织，具有交联孔隙结构，为水分的高效运输提供路径及负压。
本实施例采用Schwarz Primitive(以下简称P曲面)、Schwarz Diamond(以下简称D曲面)两种隐式函数分别模拟叶表细胞、叶肉细胞，通过引入融合因子kP、kD实现上述两种仿叶细胞的融合，如图2所示，具体为：
仿叶表细胞层的函数表达式：
fP(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝0
仿叶肉细胞层的函数表达式：
fD(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+
cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)＝0
双胞元仿叶组织函数表达式：
Leaf(x,y,z)＝kP*fP(x,y,z)+kD*fD(x,y,z)
其中，kP为仿叶表细胞层融合因子，kD为仿叶肉细胞层融合因子，kP+kD＝1；
通过Matlab编程建立双胞元仿叶组织模型，对仿叶散热器结构进行设计，仿叶表细胞层融合因子kP可以根据工况需要进行设计，如可以为一次函数、二次函数或三次函数，实现仿叶表细胞层、仿叶肉细胞层的不同状态分布，如图3所示；
通过Matlab将设计好的仿叶组织散热器模型输出为STL格式文件，然后导入Magics软件中进行面片的检查、修复，最后切片导入到激光选区熔化成形(SLM)设备中进行制造。可采用铝合金粉末作为原材料。成形结束后对产品进行热处理、线切割、吹砂等后处理。
整体流程具体为：
步骤一：确定双胞元仿叶组织结构形式。通过分析叶片组织截面结构，设计仿叶组织结构为双胞元形式，分别采用P函数和D函数模拟叶表细胞、叶肉细胞，形成仿叶表细胞层、仿叶肉细胞层，函数表达式分别为：
仿叶表细胞层的函数表达式：
fP(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝0
仿叶肉细胞层的函数表达式：
fD(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+
cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)＝0
步骤二：通过引入融合因子kP、kD实现双胞元结构的光滑过渡。kP为仿叶表细胞层融合因子，kD为仿叶肉细胞层融合因子，kP+kD＝1。双胞元仿叶组织函数表达式：Leaf(x,y,z)＝kP*fP(x,y,z)+kD*fD(x,y,z)；
步骤三：建立双胞元仿叶组织结构曲面模型。通过Matlab等编程软件生成光滑过渡的双胞元仿叶结构曲面，根据工况设计仿叶表细胞层融合因子kP。融合因子可以采用解析法设计为二元多次函数，亦可根据散热器有限元模拟结果(如温度场、流场的分布矩阵)实现数值法设计；
步骤四：生成仿叶组织多孔散热器三维模型。通过Matlab等编程软件导出双胞元仿叶结构曲面STL模型，将STL模型导入三维建模软件，偏置曲面生成带厚度的仿叶组织散热器模型；
步骤五：增材制造仿叶组织多孔散热器。将仿叶组织多孔散热器模型导入Magics软件，对模型进行面片的检查、修复，将模型进行分层切片处理，将切片文件导入激光选区熔化成形(SLM)设备进行增材制造。原材料可选用铝合金粉末(AlSi10Mg、AlMgScZr、AlMnMgScZr等)、钛合金粉末(TC4、TA15、TC11等)、铜合金粉末(CuCrZr等)，粉末粒径范围为0.01-0.06mm，呈正态分布。成形工艺参数为：激光功率180-320W、扫描速度800-1200mm/s，层厚0.03-0.04mm、扫描间距0.08-0.10mm、层间相位角23°。基板预热温度120-150℃。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定双胞元仿叶组织结构形式；
(2)引入融合因子进行双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理；
(3)建立双胞元仿叶组织结构曲面模型；
(4)生成仿叶组织多孔散热器三维模型；
(5)根据步骤(4)所得三维模型进行增材制造，生成仿叶组织多孔散热器。
2.根据权利要求1所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，确定双胞元仿叶组织结构形式的具体方法为：
分析叶片组织截面结构，设计双胞元形式仿叶组织结构，通过P函数、D函数模拟叶表细胞、叶肉细胞，形成仿叶表细胞层、仿叶肉细胞层。
3.根据权利要求2所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述仿叶表细胞层的函数表达式为：
fP(x,y,z)＝cos(x)+cos(y)+cos(z)＝0
所述仿叶肉细胞层的函数表达式为：
fD(x,y,z)＝sin(x).*sin(y).*sin(z)+sin(x).*cos(y).*cos(z)+
cos(x).*sin(y).*cos(z)+cos(x).*cos(y).*sin(z)＝0。
4.根据权利要求3所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，双胞元仿叶组织结构的光滑过渡处理方法具体为：
所述融合因子kP、kD分别为仿叶表细胞层融合因子、仿叶肉细胞层融合因子，其中：
kP+kD＝1；
引入融合因子后的双胞元仿叶组织函数表达式为：
Leaf(x,y,z)＝kP*fP(x,y,z)+kD*fD(x,y,z)。
5.根据权利要求4所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述步骤(3)中，双胞元仿叶组织结构曲面模型的建立步骤如下：
通过Matlab生成光滑过渡的双胞元仿叶结构曲面，并根据设计任务需求确定仿叶表细胞层融合因子kP，并根据确定后的参数生成双胞元仿叶组织结构曲面模型。
6.根据权利要求5所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述仿叶表细胞层融合因子kP通过解析法设计生成为二元多次函数，或根据设计任务有限元模拟结果，通过数值法设计生产。
7.根据权利要求6所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述步骤(4)中，仿叶组织多孔散热器三维模型的生成步骤如下：
通过Matlab导出双胞元仿叶组织结构曲面STL模型，将所得STL模型导入三维建模程序，进行偏置曲面处理后生成仿叶组织多孔散热器三维模型。
8.根据权利要求7所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
所述步骤(5)中，增材制造生成仿叶组织多孔散热器的具体方法为：
将仿叶组织多孔散热器三维模型导入Magics程序，进行面片检查、修复，将修复后模型进行分层切片处理，将所得切片文件导入激光选区熔化成形设备进行增材制造。
9.根据权利要求8所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
增材制造过程中，采用铝合金粉末、钛合金粉末、铜合金粉末为原材料，粉末粒径范围为0.01-0.06mm，呈正态分布。
10.根据权利要求9所述的一种仿叶组织多孔散热器的设计及制造方法，其特征在于：
增材制造过程中，成形工艺参数为：
激光功率180-320W、扫描速度800-1200mm/s，层厚0.03-0.04mm、扫描间距0.08-0.10mm、层间相位角23°。基板预热温度120-150℃。
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