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看GE如何通過3D打印實現散熱裝置與電路卡共形的複雜幾何形狀
查看:167  發稿日期:2018/12/24 9:46:49

航空電子設備的能力由係統的計算處理能力決定,通常,航空電子係統存在尺寸和重量限製,在發生諸如過熱的熱問題之前,通常情況下,處理器降低計算效率(高達80%),以避免在高環境溫度環境中過熱。如果可以更有效地從係統中除去熱量,則可以保持高效率的計算能力,從而提升航空電子設備的效率,所以說如何提升對電子設備的冷卻能力變得越來越關鍵。




散熱結構一體化實現

目前市場上存在許多傳統的冷卻方法,例如風扇和散熱器,主要用於從電子電路移除熱量並維持電子器件的操作溫度範圍。隨著電子設備不斷改進技術,尺寸不斷縮小同時還增加計算能力和功能,這使得熱管理係統成為關鍵操作元件,而尺寸和重量方麵的限製,又對冷卻能力提出的新的挑戰。


根據3D科學穀的市場研究,GE正在通過3D打印技術開發一種新的熱管理係統,這套熱管理係統包括至少一個底盤框架,該底盤框架的構造成使的熱管理係統的熱擴散阻力最小化。底盤框架包括:至少一個底盤主體,至少一個熱循環係統嵌入底盤體內,底盤主體通過3D打印-增材製造技術形成。3D打印還被用來製造帶點陣結構的夾層結構,這些點陣結構提供了更大的表麵積用於熱傳輸。


總體來說,GE開發的熱管理係統中的殼體,芯結構通過3D打印-增材製造工藝整體完成。通過3D打印-增材製造技術來製造整個結構,使得散熱裝置實現與電路卡共形的複雜幾何形狀。而且芯結構可以實現沿厚度方向定向的不均勻芯。


圖片:3D打印的點陣結構

通過應用3D打印技術,降低了熱傳導路徑的熱阻,同時保持或降低了係統的重量。根據3D科學穀的了解,GE所開發的熱管理係統的技術特點包括重量輕、熱阻低、形狀不受限製,結構一體化等優點。在商業方麵的突出優勢包括可實現定製化設計、更低的製造價格、更多的功能以及相同體積的更多熱元件

3D科學穀Review


根據此前的3D科學穀的市場研究,不僅僅是GE在開發新的熱管理係統,另外一家企業Unison Industries也正在開發一種新型的散熱器,Unison Industries開發的散熱器包括第一流體入口的第一歧管和限定第二流體入口的第二歧管。


根據3D科學穀的市場研究,Unison Industries所開發的這款熱交換器是設置在飛機的航空電子設備底盤中。不過其設計原理理論上可以在任何需要或利用熱交換器或對流熱傳遞的環境中具有普遍適用性,例如在飛機的渦輪發動機內。此外,還可以拓展到非飛機的應用領域,以及其他移動應用和非移動工業,商業和住宅應用。

其設計的核心理念是通過複雜的幾何形狀提供了多達50%或更多的散熱效率。此外,雙曲線,分叉和相互纏繞的幾何形狀提供更大的傳熱係數,不僅改善了熱交換器的效率,同時使壓力損失最小化並改善了傳熱係數。


無疑,3D打印是實現複雜形狀製造的絕佳技術。熱交換器可以通過增材製造來製造,例如直接金屬激光熔融技術或直接金屬激光燒結技術。通過增材製造可以快速準確地製造設計中的阻擋結構。此外,可以將阻塞結構圖案化為與特定熱交換器組件所需的一樣大或小。

在飛機的熱交換器的製造方麵,可以說市場上已經存在不少案例。根據3D科學穀的市場觀察,這其中包括2015年3D Systems公司與America Makes、霍尼韋爾公司、賓州創新材料加工中心的合作,他們與美國空軍研究實驗室(AFRL)簽訂了一項價值130萬美元的新合同,3D Systems公司的選擇性激光熔融技術將用於先進的飛機熱交換器製造。當時3D Systems稱這將徹底改變噴氣發動機的製造,同時還將進一步將3D打印技術帶入換熱器市場,這是一個數十億美元的市場機會。3D Systems公司不僅為美國空軍提供創新的、高性能熱交換器,而且將提供部分強度、耐壓性和性能等方麵的重要數據。

而不僅僅是飛機上用的熱交換器,在電腦、移動電子設備領域,根據3D科學穀的市場研究,包括微軟,IBM等企業都在發力通過3D打印開發新一代的熱管理係統。

3D科學穀在《3D打印產業化機遇與挑戰白皮書》中提到熱交換器將是下一個產業化領域。而究竟3D打印將在熱交換器的產業化方麵達到怎樣的影響力和覆蓋麵,這不僅僅取決於3D打印設備,材料的價格,還取決於工藝質量是否能夠達到一致可控,以及標準與認證的完善,而最重要的是如何從設計端獲得以產品功能實現為導向的正向設計突破。

參考資料:

US10136557B2 Thermal management systems and methods for heat generating electronics

US10107555B1heat_exchanger_assembly_unison_industries

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