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在3D打印散熱應(yīng)用中，首選的材料一定是純銅嗎？
筆者發(fā)現(xiàn)，希禾增材對此的回答是否定的。因為，純銅雖具有相比其他絕大多數(shù)金屬都更高的導(dǎo)熱系數(shù)，但它的密度卻達(dá)到了8.9g/cm3，是鋁合金的約3.3倍。
在航空航天、電動汽車、機(jī)器人等對重量非常敏感的應(yīng)用場景中，工程師更看重的并非是絕對導(dǎo)熱系數(shù)，而是比熱導(dǎo)率，也就是單位密度的導(dǎo)熱能力。
對于3D打印的純銅和AlSi10Mg鋁合金來說，是否進(jìn)行熱處理對導(dǎo)熱系數(shù)的影響非常大。這是因為材料的導(dǎo)熱性受相分布、孔隙率及熱處理狀態(tài)的顯著影響。
希禾增材的數(shù)據(jù)顯示，3D打印的AlSi10Mg在經(jīng)熱處理后，單位密度的導(dǎo)熱指數(shù)為69.3，而工業(yè)純銅僅為43.6，因此是實現(xiàn)輕量化散熱設(shè)計的理想材料。
LPBF工藝3D打印AlSi10Mg的微觀結(jié)構(gòu)
鋁合金在3D打印過程中的快速熔化和凝固過程，會形成特殊的微觀結(jié)構(gòu)，如晶界處分布著納米尺度的硅網(wǎng)絡(luò)，熱應(yīng)力導(dǎo)致位錯密度很高，硅在鋁基體中形成過飽和固溶體等。這些微觀結(jié)構(gòu)缺陷會散熱聲子和電子，導(dǎo)致打印態(tài)的AlSi10Mg導(dǎo)熱系數(shù)只有90W/m·K。
為了使 AlSi10Mg在熱管理領(lǐng)域發(fā)揮作用，就需要對其進(jìn)行熱處理。根據(jù)希禾增材的數(shù)據(jù)，零件在在300°C下退火2小時，就會改變其微觀結(jié)構(gòu)：硅網(wǎng)絡(luò)發(fā)生粗化，固溶體分解，位錯密度降低。這相當(dāng)于為電子的傳輸掃清了障礙。
3D打印AlSi10Mg經(jīng)熱處理后的微觀結(jié)構(gòu)
結(jié)果就是，熱處理后的AlSi10Mg導(dǎo)熱系數(shù)提升至185W/m·K，但是其抗拉強(qiáng)度會損失大約10-15%。不過，這對于冷板和換熱器此類部件來說，這個代價是值得的。
因此，選擇哪種材料制作散熱器，取決于使用條件。在更關(guān)注產(chǎn)品重量而且熱量適中的環(huán)境下，AlSi10Mg是更好的選擇；而對于那些局部熱量超過鋁合金物理極限的應(yīng)用，純銅則是更好的選擇。
對于AlSi10Mg的LPBF工藝3D打印來說，其對綠激光的吸收率仍然要高于紅外激光。這使綠激光在加工效率、表面質(zhì)量和細(xì)節(jié)精度上有顯著優(yōu)勢，這種優(yōu)勢最終也會體現(xiàn)在超薄散熱片和復(fù)雜微流道的制造能力上。
筆者注意到，希禾增材展示的一個鋁合金散熱器，體現(xiàn)了3D打印在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢。
這款散熱器包含隨形冷卻流道、微結(jié)構(gòu)鰭片和晶格結(jié)構(gòu)，最小壁厚僅0.3mm，采用3D打印一體成型，36小時即打印完成。而傳統(tǒng)加工技術(shù)通常需要2個月，涉及多種工藝組合和環(huán)節(jié)，產(chǎn)品還存在漏液風(fēng)險?？梢钥闯觯?D打印的優(yōu)勢非常明顯。
注：本文由3D打印技術(shù)參考創(chuàng)作，未經(jīng)授權(quán)，謝絕轉(zhuǎn)載。
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