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(shù)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(zhì)量進行分析，X射線實驗結(jié)果表明流道寬度為1mm和0.5mm的冷板流道未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，流道寬度為0.3mm的冷板流道出現(xiàn)局部堵塞；水壓密閉性實驗結(jié)果表明流道寬度為1mm、0.5mm的冷板均未出現(xiàn)液體泄漏現(xiàn)象，水密性良好。3D打印技術(shù)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(xiàn)流道堵塞現(xiàn)象。

【關(guān)鍵詞】冷板；AlSi10Mg鋁合金；3D打??；通道堵塞；通道密封

0 引言

隨著雷達(dá)等電子設(shè)備逐漸向小型化、集成化發(fā)展，各種元器件的集成度越來越高，封裝密度越來越大，導(dǎo)致電子設(shè)備的熱流密度急劇上升。傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)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(shù)，而液冷冷卻技術(shù)的關(guān)鍵部件為液冷冷板，其質(zhì)量的高低直接影響到整部雷達(dá)工作的可靠性[1-3]。微通道液冷系統(tǒng)能夠大幅度提升設(shè)備冷卻能力，滿足電子設(shè)備日益增長的冷卻需求，其通常采用先機械加工流道結(jié)構(gòu)，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(chǎn)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(xiàn)缺陷導(dǎo)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(shù)，即激光快速成形技術(shù)（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(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(shù)成型微通道冷板，可實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)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(shù)成型鋁合金微通道冷板的成型技術(shù)。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

3D打印設(shè)備采用德國EOS M290激光選區(qū)粉末燒結(jié)3D打印機，激光燒結(jié)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(zhì)含量，添加微量元素以細(xì)化組織，化學(xué)成分為Si：9.0～11，Mg：0.2～0.45，Ti： max..0.15，F(xiàn)e：max..0.55，Cu：≤0.05（雜質(zhì)），Mn：≤0.45（雜質(zhì)），Zn：≤0.1（雜質(zhì)），Ni：≤0.05（雜質(zhì)），Sn：≤0.05（雜質(zhì)），Pb：≤0.05（雜質(zhì)），Al：余量。

1.3 質(zhì)量檢測

冷板流道內(nèi)部質(zhì)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(shù)要求：0.8 MPa，保壓30min。

1.4 流程設(shè)計

3D打印成型步驟為：三維結(jié)構(gòu)設(shè)計（UG、Pro-E、3D max等三維軟件）—三維圖形轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用UG7.0軟件進行微通道冷板三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，參見圖1（a）所示，內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)參見圖1（b），冷板的流道寬度設(shè)計3種規(guī)格，分別為：1mm、0.5mm、0.3mm，三種規(guī)格的流道筋板寬度均為1mm。將三維圖轉(zhuǎn)化為STL格式。根據(jù)流道橫截面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)則， 3D打印成型金屬零件無法直接成型懸空結(jié)構(gòu)，例如橫截面結(jié)構(gòu)為“□”型時，3D打印將無法成型，需要支撐結(jié)構(gòu)才能將該結(jié)構(gòu)打印成型，但是殘留于流道內(nèi)部的支撐結(jié)構(gòu)將無法去除，所以通常情況下將冷板流道截面結(jié)構(gòu)設(shè)計為“◇”和“○”型，可以保證直接打印成型。結(jié)合冷板的整體結(jié)構(gòu)特點，本文仍采用橫截面結(jié)構(gòu)為“□”型設(shè)計，但成型時將冷板主平面與打印平臺夾角設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換成STL文件格式，應(yīng)用專業(yè)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(jié)后可得到微通道冷板?？刂拼蛴?shù)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(jié)合的方式將流道內(nèi)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(jīng)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(nèi)部流道情況進行分析，在分析時，材質(zhì)及厚度相同的區(qū)域的影像襯度應(yīng)保持一致，因此本文中的冷板在流道深度與兩側(cè)緩沖區(qū)深度相同情況下，其影像襯度理論上也應(yīng)相同，參見圖3所示。實驗結(jié)果表明流道寬度為1mm、0.5mm的冷板流道未出現(xiàn)明顯的堵塞現(xiàn)象（其襯度無明顯差異，因此判斷該規(guī)格冷板無堵塞現(xiàn)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(nèi)部出現(xiàn)較多襯度較深的塊狀區(qū)域，據(jù)此判斷該區(qū)域即為堵塞部位，并且流道影像襯度與流道兩側(cè)流體緩沖區(qū)的襯度明顯不同，其影像襯度明顯低于兩側(cè)緩沖區(qū)，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(nèi)沒有出現(xiàn)堵塞及焊料堆積現(xiàn)象，需進一步進行水壓測試，驗證其水密性，測試參數(shù)要求：0.8 MPa，保壓30min。水壓密閉性實驗結(jié)果表明流道寬度為1mm、0.5mm、0.3mm的冷板，在規(guī)定的壓力和保壓時間下，冷板無漏水現(xiàn)象，說明三種規(guī)格冷板的密閉性完好。

為了驗證X射線對0.3mm流道冷板內(nèi)部堵塞的判定結(jié)果，同樣對其進行水密性測試，盡管無滲水、漏水現(xiàn)象，其水流的從進水口到出水口的流暢性出現(xiàn)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(jié)果的分析結(jié)論，03mm流道內(nèi)部出現(xiàn)堵塞。3D打印技術(shù)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(xiàn)流道堵塞現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）采用3D打印技術(shù)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(jié)果表明1mm、0.5mm的冷板均未出現(xiàn)液體泄漏現(xiàn)象，且水密性良好，但0.3mm冷板出現(xiàn)流道堵塞；

3）3D打印技術(shù)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(xiàn)流道堵塞現(xiàn)象。

【參考文獻(xiàn)】

[1]宋君.相控陣?yán)走_(dá)冷板的加工技術(shù)研究[J].電子機械工程，2002，18（3）：59-62.

[2]張兆光.固態(tài)有源相控陣?yán)走_(dá)冷卻技術(shù)探討[J].現(xiàn)代雷達(dá)，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(shù)交流會論文集[J].394-395.

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

[責(zé)任編輯：楊玉潔]