[發明專利]基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設計及增材制造方法

有效

• 申請號: 202011077365.6
• 申請日: 2020-10-10
• 公開（公告）號: CN112191849B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 劉飛;王鑫;李海青;謝海瓊
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F3/11;B33Y10/00;B33Y50/02
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 陳棟梁

1.一種基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設計及增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、首先根據發熱體溫度分布建立空間矩陣，映射為多孔結構的相對密度，得到具有連續梯度變化的多孔散熱結構；

步驟2、然后設計典型散熱器，采用的方法包括Boltzmann擬合函數算法、結構設計方法；

步驟3、最后，設計高強高導熱銅合金的增材制造成型工藝，采用選區激光熔化工藝，一體化成形該裝置；

所述步驟2、然后設計典型散熱器，采用的方法包括Boltzmann擬合函數算法、結構設計方法，具體包括：

B1、溫度分布擬合函數采用Boltzmann函數，公式如下：

由Boltzmann擬合函數和以上條件，ρ^*為多孔結構的相對密度，r為圓柱多孔結構的半徑，A₁、A₂、x₀、dx均為Boltzmann函數的擬合參數，得到各參數為：A₁＝0.523；A₂＝0.057；x₀＝11.131；dx＝1.445；

B2、通過編程語言建立梯度函數，對多孔結構進行設計，針對多孔結構的建模過程，這里提出一種新方法：通過從直角坐標到圓坐標的轉換，實現圓柱形構件的多孔結構填充，為避免圓柱形多孔結構過渡畸變，參數應滿足：

其中，a為多孔結構的單元尺寸，θ為弧度值；

B3、通過以上方法，可建立具有徑向梯度變化的Gyroid多孔結構圓柱模型，該模型的中心可放置發熱體，熱量經高相對密度的多孔結構可快速傳輸至外結構，實現熱量的高效擴散。

2.根據權利要求1所述的基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設計及增材制造方法，其特征在于，所述步驟1具體包括以下步驟：

A1、首先采集發熱體的溫度分布，并建立溫度分布的空間矩陣；

A2、選取一種TPMS多孔結構，利用梯度算法控制該多孔結構的相對密度；

A3、將空間矩陣與相對密度值進行映射，即能實現多孔結構的梯度建立，將溫度分布的空間矩陣映射為相對密度，建立溫度分布的梯度函數。

3.根據權利要求2所述的基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設計及增材制造方法，其特征在于，當TPMS多孔結構為Gyroid螺旋二十四面體時，利用梯度算法控制該多孔結構的相對密度；其多孔結構的表達式為/

C_G是用于控制相對密度ρ^*的參數，C_P與ρ^*的函數關系是：

C_G＝1.37ρ^*3-1.46ρ^*2-2.7ρ^*+1.51 (2)。

4.根據權利要求1所述的基于溫度分布的梯度多孔散熱裝置設計及增材制造方法，其特征在于，所述步驟3設計高強高導熱銅合金的增材制造成型工藝，采用選區激光熔化工藝，一體化成形該裝置，具體包括：

C1、設計完成后的模型通過STL文件進行輸出，在magics軟件中對模型進行包括網格細化、面片修復、布爾操作在內的處理；而后輸出3D打印的文件，并作切片處理；

C2、切片文件或打印文件輸入到選區激光熔化成型設備中進行3D打印；

C3、選用銅合金粉末，粉末的平均粒徑為0.02-0.04mm，成型工藝為：激光功率330-390W，掃描速度600-660mm/s，或激光功率160-190W，掃描速度160-190mm/s；掃描線間距0.08-0.12mm，層厚0.02-0.04mm，層間掃描線偏轉角度67°；成型倉由高純氬氣保護，氧含量≤0.1％；基板預熱溫度70-100℃；

C3、成型完成后，對制件進行后處理，包括熱處理、線切割、噴砂處理、切削加工，熱處理工藝為：在真空環境或高純氬氣包括環境中，加熱至500-700℃，保溫3-4小時，隨爐冷卻。