CN115502413A - 一种tpms多孔散热装置和利用镀铜金刚石/铜复合材料slm增材制造其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TPMS多孔散热装置和利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造其的方法。方法包括如下步骤：S1、首先通过软件对三周期极小曲面结构建模；S2、然后通过软件对TPMS多孔结构长条进行沿着曲线流动以实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充；S3、设计高强度高导热镀铜金刚石/铜复合材料的SLM增材制造成型工艺，一体化成形TPMS多孔散热装置。本发明通过SLM制造的TPMS多孔散热装置，铜基体与镀铜金刚石增强体界面结合，具备优异的导热性能和力学性能；本发明结合Rhino软件实现圆柱形的TPMS多孔结构，使中心热源的热量能均匀的向四周发散，比表面积大，提供更大的热交换空间，散热效率高。

Description

一种TPMS多孔散热装置和利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增 材制造其的方法
技术领域
本发明涉及散热装置技术领域，尤其涉及一种TPMS多孔散热装置和利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造其的方法。
背景技术
三周期极小曲面(TPMS)具有很多优异性质，比如其为几何数学方程表达，曲面形状参数可控，可以通过控制各个参数改变孔隙结构性能；几何形状多样，结构光滑全连通；具有优异的表面积体积比，保证了结构良好的散热性；良好的3D打印性能。TPMS所具有的全连通性质保证了切片层之间的连接性，且TPMS作为一种多孔结构，其孔结构是开放的，避免了大部分3D打印工艺中存在的内部多余材料去除的问题。此外，TPMS还具有良好的准自支撑性。但大部分结构设计只能将TPMS多孔结构做成方形出来，方形的TPMS多孔结构不能实现紧凑型换热，而且现有技术中常常采用金属材质制备TPMS多孔结构，制备的TPMS多孔结构热导率不高且换热效率不好。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种TPMS多孔散热装置和利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造其的方法。
本发明的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，包括如下步骤：
S1、首先通过软件对三周期极小曲面结构建模；
S2、然后通过软件对TPMS多孔结构长条进行沿着曲线流动以实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充；
S3、设计高强度高导热镀铜金刚石/铜复合材料的SLM增材制造成型工艺，一体化成形TPMS多孔散热装置。
进一步的，所述步骤S1为：通过Wolfram软件构建TPMS典型结构 Schwarz P、TPMS典型结构Gyroid和TPMS典型结构Diamond中的一种。
进一步的，所述步骤S2中具体包括以下步骤：
B1、在Rhino软件的上视图绘制外半径为R1、内半径R2的圆形曲线，这两条曲线之间的中间曲线在这里定义为目标曲线，通过该软件长度分析测量值为S；
B2、以坐标原点为起点，在X轴上画一条与目标曲线相等长度的基准曲线；
B3、使用Rhino软件的“沿着曲线流动”命令，分别选取先前在Wolfram 中生成的TPMS典型代表多孔结构长条模型，它们为要沿着曲线流动的物件，然后先选择基准曲线再选择目标曲线，最后实现圆柱形的TPMS多孔结构。
进一步的，步骤S3中，镀铜金刚石/铜复合材料制备过程如下：准备适量的铜粉和镀铜金刚石粉末，各组分的重量份数分别是：98.8-99.6份的铜粉和0.4-1.2份镀铜金刚石粉；将原料投入球磨机中进行球磨，设置球磨时间为2-4h，单向球磨0.5-1h，随后反向球磨0.5-1h，重复循环，制成粒径均匀并且浸润度高的镀铜金刚石/铜微粉。
进一步的，所述步骤S3具体包括以下步骤：
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、面片修复等在内的处理；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准备进行 SLM3D打印；
C3、SLM打印：将制备的镀铜金刚石/铜微粉烘干及冷却后加入到 SLM3D打印机中，按照设定的程序进行激光打印镀铜金刚石/铜复合材料的 TPMS多孔散热装置。
进一步的，激光功率为160-180W，扫描速度为150-200mm/s，铺粉厚度为0.03mm，成型仓由高纯氮气保护，氧含量≤0.5vol.％。
进一步的，成型完成后，对TPMS多孔散热装置制件进行后处理，包括线切割、喷砂或抛光处理。
本发明使用的材料是镀铜金刚石/铜复合材料，选铜基体的原因是银基金刚石复合材料具有优异的综合性能，但是银的价格昂贵，密度大，限制了其大规模工业生产应用；金刚石与铝反应易形成Al4C3影响界面的连续性和均匀性，降低复合材料的界面强度；而铜基金刚石复合材料充分利用了基体铜的良好的导热、可加工性和增强体金刚石的高导热率、低热膨胀系数的优势，因而具有良好的综合性能。由于金刚石内部的晶体结构决定金刚石表面状态的稳定，金刚石表面具备明显的化学惰性，从而导致金刚石与金属材料润湿性差，一般金属或合金难以润湿。金属铜和金刚石颗粒之间的界面在金刚石/铜复合材料中非常重要，它具有桥接作用来帮助在增强体和基质之间传递热量。市面上都存在形状单一和界面结合相对较差的缺点，如今市面上大多采用放电等离子烧结(SPS)方式来生产金刚石/铜复合材料，生产效率低下，并且生产出的材料内部孔隙度高，热学和力学性能差，同时难以制作出材料内部的微孔和通道，降低了产品的质量，同时在生产过程中金刚石极易出现石墨化，大大降低了产品的性能，本发明将金刚石表面镀铜再与铜基体熔融反应结合其导热效果优异，SLM创建复杂 TPMS多孔圆柱形结构设计的能力与镀铜金刚石/铜复合材料的优异性能相结合，可以放大其功能并在热交换技术领域提升核心优势。
本发明通过SLM制造的TPMS多孔散热装置，采用的1-3vol.％化学镀铜金刚石/铜复合材料中，铜基体与镀铜金刚石增强体界面结合，具备优异的导热性能和力学性能；TPMS典型(P、G、D)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；大部分结构设计只能将TPMS多孔结构做成方形出来，本发明结合Rhino软件实现圆柱形的TPMS多孔结构，使中心热源的热量能均匀的向四周发散；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是本发明实施例的方法流程图。
图2是本发明实施例的TPMS典型代表(P、G、D)多孔结构长条模型示意图。
图3、图4是本发明实施例B2步骤的示意图。
图5是本发明实施例的建模的圆柱形的TPMS多孔结构的示意图。
图6是本发明实施例的圆柱形的TPMS多孔结构的实物图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1至图3所示，本实施例提供的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，一种基于SLM镀铜金刚石/铜复合材料的TPMS多孔散热装置设计及制造方法，包括以下步骤：
S1、首先通过Wolfram(美国沃尔夫勒姆研究公司)软件对三周期极小曲面结构建模。但Wolfram只能将TPMS多孔结构做成长条出来，不能实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充；
S2、然后通过Rhino软件(美国Robert McNeel公司)对TPMS多孔结构长条进行沿着曲线流动以实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充；
S3、最后，设计高强度高导热镀铜金刚石/铜复合材料的SLM增材制造成型工艺，一体化成形该TPMS多孔散热装置。
在一种可实施的方式中，步骤S1可以选择A1、A2和A3中的一种：
A1、通过Wolfram(美国沃尔夫勒姆研究公司)软件能够对TPMS典型结构Schwarz P(P)。可以用以下代码获得P结构，表示为：
RegionPlot3D[Abs[Cos[x]+Cos[y]+Cos[z]]<0.3,{x,-38.7835, 38.7835},{y,-4,4},{z,-4,4},Mesh->1,PlotPoints->180]，其中， RegionPlot3D表示绘制三维区域图命令，Abs表示绝对值，Mesh表示网格， PlotPoints表示绘图点，设置0.3为该结构的最小壁厚值；{x,-38.785,38.785}, {y,-4,4},{z,-4,4}分别表示x轴、y轴与z轴的范围，构建出P多孔结构长条的尺寸为77.57mm×8mm×8mm。
A2、通过Wolfram(美国沃尔夫勒姆研究公司)软件能够对TPMS典型结构Gyroid(G)。可以用以下代码获得G结构，表示为：
RegionPlot3D[Abs[Sin[x]Cos[y]+Sin[z]Cos[x]+Sin[y]Cos[z]]<0.3, {x,-38.785,38.785},{y,-4,4},{z,-4,4},Mesh->1,PlotPoints->180]，构建出G多孔结构长条的尺寸为77.57mm×8mm×8mm。
A3、通过Wolfram(美国沃尔夫勒姆研究公司)软件能够对TPMS典型结构Diamond(D)建模。可以用以下代码获得D结构，表示为：
RegionPlot3D[Abs[Cos[x]Cos[y]Cos[z]-Sin[x]Sin[y]Sin[z]]<0.3,{x, -38.785,38.785},{y,-4,4},{z,-4,4},Mesh->1,PlotPoints->180]，构建出D 多孔结构长条的尺寸为77.57mm×8mm×8mm。
TPMS典型代表(P、G、D)多孔结构长条模型如图2所示。
步骤S2：然后通过Rhino(美国Robert McNeel公司)对TPMS多孔结构长条进行沿着曲线流动以实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充，具体包括：
B1、在Rhino软件的上视图绘制外半径为18mm、内半径6.69mm的圆形曲线，这两条曲线之间的中间曲线在这里定义为目标曲线，通过该软件长度分析测量值为77.57mm；
B2、以坐标原点为起点，在X轴上画一条与目标曲线相等长度的基准曲线，以上具体如图3、4所示；
B3、使用Rhino软件的“沿着曲线流动”命令，分别选取先前在Wolfram 中生成的TPMS典型代表(P、G、D)多孔结构长条模型(STL格式)，它们为要沿着曲线流动的物件。然后先选择基准曲线再选择目标曲线，最后实现圆柱形的TPMS多孔结构，如图5所示。
进一步的，所述S3设计高强度高导热镀铜金刚石/铜复合材料的增材制造成型工艺，采用选择性激光熔化(SLM)技术，一体化成形该TPMS多孔散热装置，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、面片修复等在内的处理；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准备进行 SLM3D打印；
C3、原料准备：准备适量的铜粉和镀铜金刚石粉末，各组分的重量份数分别是：98.8-99.6份的铜粉和0.4-1.2份镀铜金刚石粉；
C4、球磨混合：将原料投入球磨机中进行球磨，设置球磨时间为2-4h，单向球磨0.5-1h，随后反向球磨0.5-1h，重复循环2次，制成粒径均匀并且浸润度高的镀铜金刚石/铜微粉；
C5、SLM打印：将镀铜金刚石/铜微粉烘干及冷却后加入到SLM3D打印机中，按照设定的程序进行激光打印，激光功率为160-180W，扫描速度为150-200mm/s，铺粉厚度为0.03mm，成型仓由高纯氮气保护，氧含量≤0.5vol.％，生产打印镀铜金刚石/铜复合材料的TPMS多孔散热装置。
C6、成型完成后，对制件进行后处理，包括线切割、喷砂或抛光处理。
图6为本发明实施例的圆柱形的TPMS多孔结构的实物图，图中左边一个对应的是选择A1步骤中制备的TPMS多孔结构的实物图，中间的是选择A2步骤中制备的TPMS多孔结构的实物图，右边的是选择A3步骤中制备的TPMS多孔结构的实物图。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、首先通过软件对三周期极小曲面结构建模；
S2、然后通过软件对TPMS多孔结构长条进行沿着曲线流动以实现圆柱形结构的TPMS多孔结构填充；
S3、设计高强度高导热镀铜金刚石/铜复合材料的SLM增材制造成型工艺，一体化成形TPMS多孔散热装置。
2.如权利要求1所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：所述步骤S1为：通过Wolfram软件构建TPMS典型结构Schwarz P、TPMS典型结构Gyroid和TPMS典型结构Diamond中的一种。
3.如权利要求2所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：所述步骤S2中具体包括以下步骤：
B1、在Rhino软件的上视图绘制外半径为R1、内半径R2的圆形曲线，这两条曲线之间的中间曲线在这里定义为目标曲线，通过该软件长度分析测量值为S；
B2、以坐标原点为起点，在X轴上画一条与目标曲线相等长度的基准曲线；
B3、使用Rhino软件的“沿着曲线流动”命令，分别选取先前在Wolfram中生成的TPMS典型代表多孔结构长条模型，它们为要沿着曲线流动的物件，然后先选择基准曲线再选择目标曲线，最后实现圆柱形的TPMS多孔结构。
4.如权利要求1所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：步骤S3中，镀铜金刚石/铜复合材料制备过程如下：准备适量的铜粉和镀铜金刚石粉末，各组分的重量份数分别是：98.8-99.6份的铜粉和0.4-1.2份镀铜金刚石粉；将原料投入球磨机中进行球磨，设置球磨时间为2-4h，单向球磨0.5-1h，随后反向球磨0.5-1h，重复循环，制成粒径均匀并且浸润度高的镀铜金刚石/铜微粉。
5.如权利要求4所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下步骤：
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、面片修复等在内的处理；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准备进行SLM3D打印；
C3、SLM打印：将制备的镀铜金刚石/铜微粉烘干及冷却后加入到SLM3D打印机中，按照设定的程序进行激光打印镀铜金刚石/铜复合材料的TPMS多孔散热装置。
6.如权利要求5所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：激光功率为160-180W，扫描速度为150-200mm/s，铺粉厚度为0.03mm，成型仓由高纯氮气保护，氧含量≤0.5vol.％。
7.如权利要求5所述的一种利用镀铜金刚石/铜复合材料SLM增材制造TPMS多孔散热装置的方法，其特征在于：成型完成后，对TPMS多孔散热装置制件进行后处理，包括线切割、喷砂或抛光处理。
8.一种利用权利要求1-7任一种方法制备的TPMS多孔散热装置。
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