3D打印成型微通道冷板

尹恩懷　安占軍　李超

【摘 要】本文采用3D打印技術成型鋁合金微通道液冷冷板，流道寬度分為三種，其尺寸分別為：1mm、0.5mm、0.3mm，實驗通過X射線、水壓密閉性兩種檢測方式對三種流道冷板的質量進行分析，X射線實驗結果表明流道寬度為1mm和0.5mm的冷板流道未出現堵塞現象，流道寬度為0.3mm的冷板流道出現局部堵塞；水壓密閉性實驗結果表明流道寬度為1mm、0.5mm的冷板均未出現液體泄漏現象，水密性良好。3D打印技術成型鋁合金微通道液冷冷板流道的最小流道寬度為0.5mm，小于該流道寬度時會合金粉末無法清除將出現流道堵塞現象。

【關鍵詞】冷板；AlSi10Mg鋁合金；3D打印；通道堵塞；通道密封

0 引言

隨著雷達等電子設備逐漸向小型化、集成化發展，各種元器件的集成度越來越高，封裝密度越來越大，導致電子設備的熱流密度急劇上升。傳統的風冷技術已無法滿足高熱流密度器件的散熱需求，需采用更為高效的液冷冷卻技術，而液冷冷卻技術的關鍵部件為液冷冷板，其質量的高低直接影響到整部雷達工作的可靠性[1-3]。微通道液冷系統能夠大幅度提升設備冷卻能力，滿足電子設備日益增長的冷卻需求，其通常采用先機械加工流道結構，再通過焊接的方式將流道密封，焊接方式通常有真空釬焊、真空擴散焊、攪拌摩擦焊等，對于真空釬焊成形冷板需要在焊縫處添加釬料，釬料熔化流動容易產生流道堵塞和焊縫液體泄漏等問題；對于真空擴散焊盡管不需要添加焊料，但焊縫處容易出現缺陷導致冷板液體泄漏；而對于攪拌摩擦焊成形冷板，僅能焊接微通道周圍，無法焊接微通道肋板，通常較少采用攪拌摩擦焊焊接微通道冷板。3D打印技術，即激光快速成形技術（LRF），是基于增材制造的概念[4]，利用激光熱源層層熔覆合金粉體從而實現復雜結構致密金屬零件的快速、無模具的一體近終成形。采用3D打印技術成型微通道冷板，可實現從三維模型到實物的一體成型，其組織致密性超過鑄造合金，不會出現液體泄漏問題，并且具有加工成型速度快成本低等特點，但采用3D打印技術成型鋁合金微通道冷板還未見研究與報道。因此，本文重點研究3D打印技術成型鋁合金微通道冷板的成型技術。

1 試驗方法

1.1 試驗設備

3D打印設備采用德國EOS M290激光選區粉末燒結3D打印機，激光燒結功率200W，激光掃描速度約為5m/s，粉體層高為0.06mm。

1.2 試驗材料

3D打印合金采用高純度粉體原材料 AlSi10Mg（來源德國EOS，粒徑約250目），并降低各種雜質含量，添加微量元素以細化組織，化學成分為Si：9.0～11，Mg：0.2～0.45，Ti： max..0.15，Fe：max..0.55，Cu：≤0.05（雜質），Mn：≤0.45（雜質），Zn：≤0.1（雜質），Ni：≤0.05（雜質），Sn：≤0.05（雜質），Pb：≤0.05（雜質），Al：余量。

1.3 質量檢測

冷板流道內部質量采用德國依科視朗國際有限公司（YXLON）的Y.Cougar SMT型X射線檢測儀；水壓密閉性測試采用上海金威工具公司的手動試壓泵，測試參數要求：0.8 MPa，保壓30min。

1.4 流程設計

3D打印成型步驟為：三維結構設計（UG、Pro-E、3D max等三維軟件）—三維圖形轉化為STL格式—切片處理—3D打印成型—粉體清理—外形加工（去除支撐）。

2 冷板結構設計

本文采用UG7.0軟件進行微通道冷板三維結構設計，參見圖1（a）所示，內部詳細結構參見圖1（b），冷板的流道寬度設計3種規格，分別為：1mm、0.5mm、0.3mm，三種規格的流道筋板寬度均為1mm。將三維圖轉化為STL格式。根據流道橫截面結構設計規則， 3D打印成型金屬零件無法直接成型懸空結構，例如橫截面結構為“□”型時，3D打印將無法成型，需要支撐結構才能將該結構打印成型，但是殘留于流道內部的支撐結構將無法去除，所以通常情況下將冷板流道截面結構設計為“◇”和“○”型，可以保證直接打印成型。結合冷板的整體結構特點，本文仍采用橫截面結構為“□”型設計，但成型時將冷板主平面與打印平臺夾角設置為45°，打印過程中流道截面相對于垂直方向即為“◇”型，可順利打印冷板。

3 試驗結果與討論

3.1 微通道冷板3D打印成型

將微通道冷板三維結構模型轉換成STL文件格式，應用專業軟件將進行切片處理后即可進行3D打印成型，在在切片過程中需要注意的是將冷板主平面與打印平臺平面成45°夾角，這樣可以保證冷板流道截面為“◇”型。通過層層鋪粉，每層粉末均進行激光燒結后可得到微通道冷板。控制打印參數為：激光器功率200W，打印層高0.06mm，掃描線速度2～3m/s，激光光斑為直徑約為0.1 mm。打印成型后的冷板如圖2（a）所示，打印成型后將微通道冷板中的殘留粉末通過高壓氣槍吹出，必要時可采用震動與高壓氣體結合的方式將流道內部粉體清除干凈。由于3D打印冷板的表面粗糙度僅為Ra7.0左右，對于有表面粗糙度要求的需進一步進行機械加工，經過機械加工后得到冷板樣件，參見圖2（b）所示。

3.2 微通道冷板測試

1）X射線檢測

采用X射線對冷板內部流道情況進行分析，在分析時，材質及厚度相同的區域的影像襯度應保持一致，因此本文中的冷板在流道深度與兩側緩沖區深度相同情況下，其影像襯度理論上也應相同，參見圖3所示。實驗結果表明流道寬度為1mm、0.5mm的冷板流道未出現明顯的堵塞現象（其襯度無明顯差異，因此判斷該規格冷板無堵塞現象），但對于流道寬度為0.3mm的冷板，見圖3（c）所示，可以看到在流道內部出現較多襯度較深的塊狀區域，據此判斷該區域即為堵塞部位，并且流道影像襯度與流道兩側流體緩沖區的襯度明顯不同，其影像襯度明顯低于兩側緩沖區，一定程度上也說明有殘余粉體堵塞流道，參見表1所示。

2）水壓密閉性檢測

對1mm、0.5mm流道內沒有出現堵塞及焊料堆積現象，需進一步進行水壓測試，驗證其水密性，測試參數要求：0.8 MPa，保壓30min。水壓密閉性實驗結果表明流道寬度為1mm、0.5mm、0.3mm的冷板，在規定的壓力和保壓時間下，冷板無漏水現象，說明三種規格冷板的密閉性完好。

為了驗證X射線對0.3mm流道冷板內部堵塞的判定結果，同樣對其進行水密性測試，盡管無滲水、漏水現象，其水流的從進水口到出水口的流暢性出現問題，在進水口壓力0.4 MPa條件下，在出水口僅有滴水流出，進一步驗證了本文作者對X射線結果的分析結論，03mm流道內部出現堵塞。3D打印技術成型鋁合金微通道液冷冷板流道的最小流道寬度為0.5mm，小于該流道寬度時會合金粉末無法清除將出現流道堵塞現象。

4 結論

1）采用3D打印技術成型了三種流道寬度的微通道冷板，其流道寬度分別為：1mm、0.5mm、0.3mm；

2）對三種流道寬度的微通道冷板進行了X射線、水壓密閉性實驗，結果表明1mm、0.5mm的冷板均未出現液體泄漏現象，且水密性良好，但0.3mm冷板出現流道堵塞；

3）3D打印技術成型鋁合金微通道液冷冷板流道的最小流道寬度為0.5mm，小于該流道寬度時會合金粉末無法清除將出現流道堵塞現象。

【參考文獻】

[1]宋君.相控陣雷達冷板的加工技術研究[J].電子機械工程，2002，18（3）：59-62.

[2]張兆光.固態有源相控陣雷達冷卻技術探討[J].現代雷達，1996，18（1）：88-95.

[3]安占軍.冷板加工工藝研究[C]//第十七屆全國釬焊及特種連接技術交流會論文集[J].394-395.

[4]王運贛，王宣.三維打印技術[M].武漢：華中師范大學出版社，2013.

[責任編輯：楊玉潔]