随着现代设备功率密度不断增加，传统冷却方案难以在性能、可制造性及成本效益之间取得平衡。增材制造、生成式设计、先进材料相集成的解决方案是驱动高效散热器创新并探索三者平衡的路径之一。
本期 将分享一个增材制造铝合金散热冷板的案例，展示了这一相集成的解决方案如何为先进电子设备提供性能卓越的热管理方案。
3D打印冷板，材料：CP1铝合金
背景
随着现代设备功率密度不断增加，要求冷却解决方案能够在有限空间内保持高效率；最大限度地减少压降以降低泵送功耗；支持多种冷却方式（液体或空气冷却，自然或强制对流）；实现快速迭代和规模化生产，以加速产品上市。
然而，传统材料（如铸造铝合金AlSi10Mg）和设计流程面临性能和制造速度的限制。弗劳恩霍夫IWU研究所（Fraunhofer IWU） 旨在通过生成式设计与LPBF增材制造技术、导热性能优异的铝合金材料Aheadd® CP1所集成的解决方案来验证是否能缩短开发时间、降低成本并交付性能更优的冷板。
实施过程
生成式设计
IWU研究所利用生成式设计软件ToffeeX，针对两种不同的冷却机制优化冷板设计：
- 液冷部分：优化水道形状，在适应三个高功率热源的同时，降低压降并最大化传热。
- 自然对流部分：生成仿生鳍片状结构以增强被动散热。
CP1与AlSi10Mg的性能对比
研究人员评估了CP1与AlSi10Mg两种铝合金粉末材料的热导率、密度、机械性能、增材制造性能及后处理效率。
优化设计流程
研究人员利用ToffeeX软件针对以下目标对增材制造散热器进行设计优化：
- 降低冷却系统自身泵送功耗；
- 充分利用材料特性——允许针对新技术进行定制化优化；
- 在单一部件中平衡多种传热方式；
- 通过在设计阶段直接嵌入LPBF工艺的制造约束来优化可制造性；
- 加速设计迭代——从概念到可制造文件的设计周期由数周缩短为仅数小时。
成果
IWU研究所结合ToffeeX的生成式设计与CP1合金，在关键性能领域获得了突破。
1、更快的设计迭代与工程流程
- 设计迭代速度提升3倍——从使用CAD时的每天1次迭代提升至每天3次迭代。
- 自动化的物理驱动设计消除了CAD建模中的手动试错。
- 在设计过程中集成了LPBF增材制造约束。
冷板的CFD仿真结果
2、制造效率提升
- 从设计到生产的周期缩短至2个月以内，而行业标准通常为6个月以上。
- 打印速度快30%——CP1的优化参数将LPBF工艺的打印时间从20小时减少到14小时。
- 热处理周期缩短70%——CP1仅需4小时，而AlSi10Mg需要13小时。
- 打印变形更小——ToffeeX的流体拓扑优化减少了应力集中。
3、卓越的热性能
- 散热能力提升6%，降低了CPU/GPU的工作温度，提高了可靠性。
- 更均匀的温度分布，最大限度地减少了高功率应用中的热点。
- 更低的压降，优化的内部流道，提升了冷却效率。
热成像对比图：CP1（左）与AlSi10Mg（右）材质的冷板。
图像显示，与AlSi10Mg冷板相比，CP1冷板的温度分布更为均匀，热点现象显著减少。其高6%的散热能力有效降低了CPU/GPU的工作温度，从而提升了设备可靠性、减少了局部过热，并通过优化的内部流道设计实现了更高的冷却效率。
4、成本降低与可扩展性
- 由于构建时间和能耗减少，打印成本降低25%。
- 所需支撑结构更少，减少了材料浪费和后处理时间。
- 提高了可制造性，确保了从生成式设计到生产的无缝过渡。
为何使用ToffeeX进行冷板设计？
- 材料兼容性：ToffeeX兼容CP1等新型合金，确保精确的仿真和几何形状生成。
- 制造集成：早期即纳入LBPF（或其他制造）约束，减少后期优化调整，加速生产进程。
- 物理驱动设计：工程师依赖真实物理场而非猜测，更快获得有效设计。
- 简化复杂几何创建：ToffeeX输出近乎最终形态，仅需基础CAD修整，无需手动迭代多个设计。
- 多方法冷却解决方案：允许在单一优化框架内包含不同的传热方法和流体，同时最小化泵送功率。
- 灵活的目标设定：可适应多个入口/出口、可变流量及不同冷却机制。
- 多目标优化灵活性：用户可微调流量、压降、温度梯度等多种参数以满足特定设计目标。
- 简化的流程：工程师将设计和仿真合并到一个环境中，节省时间，加速从概念到最终产品的进程。
结论
此项研究凸显了生成式设计、先进材料与增材制造相结合如何重塑高功率密度应用场景的热管理解决方案，不仅为先进电子系统提供了更优的冷却性能、成本效益和更快的上市速度，还为未来电子设备热管理技术创新提供了参考。
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