在过去的十年里，增材制造在工程界越来越受欢迎。特别是在电子设计和冷却领域，我们不再局限于过去的传统平面和针状散热器。随着3D打印技术的进步，我们现在可以在设计上有更多的创造性和进步性。

在这篇博客中，我们将讨论我们参加2021年ASME/IEEE散热器设计大赛的情况。我们还将展示一些只有通过增材制造才能实现的独特设计，并根据在Simcenter Flotherm XT中进行的CFD热模拟比较其性能。

比赛

每年，世界各地的大学生都会参加由ASME K-16和IEEE EPS组织举办的散热器设计竞赛。2021年的比赛要求学生们发挥创意，设计一个自然对流的散热器，同时利用增材制造技术。成功进入决赛的学生有机会与通用电气增材公司合作，将他们的铝制散热器3D打印出来，并有机会在美国举行的iTherm 2021虚拟会议上展示他们的设计。这对我们来说是一个令人兴奋的挑战，不可错过，所以我们很快就开始工作，创造我们自己的创新设计!

概念设计

最初的设计过程从我们每个实习生提出自己的散热器设计概念开始。这意味着在开始任何CFD分析之前，我们要用老式的笔和纸来头脑风暴我们的想法。完成一些手绘草图后，我们共同筛选出了6个设计，并进行了CFD建模。

6个入围设计都在CAD中建模，并使用Simcenter Flotherm XT作为自然对流方案进行模拟。所有设计的模型设置和边界条件都是相同的，即在散热器的底部应用相同的加热条件和相同的环境条件。这使我们能够使用基于Simcenter Flotherm XT结果的相对性能参数来定量比较这些设计。该性能参数同时考虑了传热效率和散热器的质量。

因此，不再赘述，以下是入围的6个设计方案:

设计 1

第一个设计的灵感来自于松果的结构，它可以在一个有限的空间内实现大的表面积。散热器的主要传热方式是传导和对流，这在很大程度上受表面积的影响，那么，这种几何形状有什么不好的？通过CFD分析，我们意识到，由于松果的密集包裹，在散热器的中心有热量积聚，这是空气流动不足的表现。此外，由于质量大，因此材料成本较高，这种特殊的设计具有最低的性能参数。

设计 2

一般来说，现有技术总是有改进的余地，以便有更高的散热效率。考虑到这一点，我们的第二个设计是以现有的、最常见的、针状散热器为起点。在这种情况下，我们的目的是以一种独特的方式安排针脚，这可以允许更多的表面积，因此，更好的传热效率。 这个设计的性能比第一个好，然而，由于其质量高，它仍然不具有所有设计中最好的散热性能。

设计 3 和 4

利用3D打印技术，我们能捕捉复杂的细节并创建薄而光滑的曲面，两位实习生从飞机风扇叶片中获得灵感，提出了设计3和4。这些设计的基本理念是利用风扇叶片的再循环和空气动力学特征来促进对流。从理论上讲，与自然对流相比，这些设计在强制对流应用中的效果会好很多。尽管如此，这些设计的性能参数与设计2相似。

设计5 和 6

\

到目前为止，所有之前讨论的设计，性能参数不那么突出的一个共同原因是每个散热器的质量相对较高。因此，设计5和设计6解决了这个问题，因为它们的灵感来自于晶格结构，有大量的空隙!

设计5是一个简单的重复的空心立方体结构，允许有足够的空隙让空气通过，也有足够的表面积让热量传递给周围的空气。由于这两个原因和极小的质量，相对性能参数比我们以前所有的概念设计好了近25%。设计6遵循类似的思路，同时展示了对增材制造的更多创造性使用，其形状的灵感来自于蜂巢中的六边形晶格结构。

因此，在Simcenter Flotherm XT中模拟了所有的6个概念设计，每个设计的性能如下所示。你可以清楚地看到，设计6明显胜出!

*根据散热器的质量和温差计算的性能参数，作为比较设计的初始参数.

最终设计

在我们想出的所有3D打印散热器的创意概念中，我们决定使用设计6作为我们的竞赛项目，因为它具有更好的性能。

这个特定设计利用了截断的八面体形状，以重复的模式形成一个晶格结构。它给我们提供了一个很好的平衡，既能让热流通过晶格连接处的固体导热材料，同时又能保持大量的内部空隙，以实现良好的气流，并将材料/质量保持在最低水平。它看起来也非常酷，用传统的制造方法不容易制造!

由于增材制造的性质，铝材以水平方式打印，因此必须确保设计中没有锐角边或无支撑的悬空水平连接超过2mm。与GE增材公司讨论后，我们了解了关于电子束熔化的优势和局限，这方面得到了进一步的支持。因此，我们在所有的边缘（有很多的边缘！）添加了平滑的倒角，以帮助确保我们的设计能够成功地进行3D打印。

原先的概念设计没有倒角，超过了2毫米的水平连接限制

最终设计增加倒角，以消除水平悬空连接

避免这种潜在断裂问题的另一个诀窍，是在打印过程中将整个模型旋转到一个特定的角度。这种方法常用于增材制造，允许用户以特定角度打印某些悬空的连接部分，同时不超过2毫米的水平连接限制。我们决定采取最安全的方法，在我们的模型中加入倒角，因为可靠的制造方法在工程中总是至关重要的，俗话说 "不能制造的设计是不好的"。

散热器设计的CFD分析

使用强大的CFD分析工具Simcenter Flotherm XT，我们能够看到我们的最终设计在自然对流条件下的表现，这是比赛的要求。

这个流体动画展示了晶格散热器的散热性能，它允许空气在散热器的内部结构中流动和环绕。从这个动画中还可以看到热空气从散热器顶部上升的 "烟囱效应"。这使得冷空气从晶格的底部和侧面边缘进入，为冷却提供了稳定的新鲜气流循环--这对自然对流方案至关重要。

通过切面图更仔细地观察气流，我们可以看到，在晶格散热器的上部、中部和侧面都有大量的气流。然而，在散热器的底部中央部分有一些缓慢的空气流动，在上面的图片中以深蓝色表示。这是一个未来改进的潜在区域，可以添加额外的材料来改善传导，因为在这个底部中央部分没有太多的气流或对流发生。我们选择不这样做，因为更多的材料=更大的成本。因此，这又是一个散热性能与成本之间的精细平衡!

这张看起来非常丰富多彩的图片向我们展示了固体晶格结构的传导能力。我们可以看到最热的底座部分为65°C，显示为红色，晶格散热器最低温度62°C，显示为深蓝色的顶部外缘。这表明从上到下的温差为3°C，意味着大量的热流能够从底座一直传递到顶部的晶格连接，而不会因为连接处直径过细而产生大的热阻。这对检查我们的设计至关重要，因为连接部分的直径只有1毫米，由于增材制造的3D打印能力，这比传统的散热器薄得多。

结果

我们非常高兴最终的散热器设计，在ASME/IEEE 2021散热器设计竞赛中顺利进入前五名。进入决赛意味着我们的设计被选中使用GE 增材公司最先进的电子束打印设备进行铝制3D打印:

此外，进入前五名意味着我们有机会在今年在美国举行的ITherm 2021会议上展示我们的散热器设计。这是一个非常好的结果，对于一群仍在培训中的实习生来说，这是一个非常好的经历!

结论

增材制造所带来的创造性可能性是巨大的。我们展示了只有通过3D打印技术才能实现的6种独特的散热器设计，同时还解释了我们最终提交的作品在ASME/IEEE 2021散热器设计竞赛中进入前五名的设计过程。

你是否见过任何其他只有通过使用3D打印才能实现的独特工程设计？如果有的话，我们很想听听，您可以分享它们。

上海坤道信息技术有限公司

Shanghai SimuCAD Information Technology Ltd.

电话: +86 21 62157100

邮箱: marketing@simu-cad.com

官方网站: www.simu-cad.com