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GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状

2018-12-18

航空电子设备的能力由系统的计算处理能力决定,通常,航空电子系统存在尺寸和重量限制,在发生诸如过热的热问题之前,通常情况下,处理器降低计算效率(高达80%),以避免在高环境温度环境中过热。如果可以更有效地从系统中除去热量,则可以保持高效率的计算能力,从而提高航空电子设备的效率,所以说如何提高对电子设备的冷却能力变得越来越关键。

GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状

散热结构一体化实现

目前市场上存在许多传统的冷却方法,例如风扇和散热器,主要用于从电子电路去除热量并维持电子器件的操作温度范围。随着电子设备不断改进技术,尺寸不断缩小同时还增加计算能力和功能,这使得热管理系统成为关键操作元件,而尺寸和重量方面的限制,又对冷却能力提出的新的挑战。

GE正在通过3D打印技术开发一种新的热管理系统,这套热管理系统包括至少一个底盘框架,该底盘框架的构造成使的热管理系统的热扩散阻力最小化。底盘框架包括:至少一个底盘主体,至少一个热循环系统嵌入底盘体内,底盘主体通过3D打印-3D打印技术形成。3D打印还被用来制造带点阵结构的夹层结构,这些点阵结构提供了更大的表面积用于热传输。

GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状

总体来说,GE开发的热管理系统中的壳体,芯结构通过3D打印工艺整体完成。通过3D打印技术来制造整个结构,使得散热装置实现与电路卡共形的复杂几何形状。并且芯结构可以实现沿厚度方向定向的不均匀芯。

GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状

图片:3D打印的点阵结构

通过应用3D打印技术,降低了热传导路径的热阻,同时保持或降低了系统的重量。GE所开发的热管理系统的技术特点包括重量轻、热阻低、形状不受限制,结构一体化等优点。在商业方面的突出优势包括可实现订制化设计、更低的制造价格、更多的功能以及相同体积的更多热元件。

GE通过3D打印实现散热装置与电路卡共形的复杂几何形状Review

不仅仅是GE在开发新的热管理系统,另外一家企业Unison Industries也正在开发一种新型的散热器,Unison Industries开发的散热器包括第一流体入口的第一歧管和限定第二流体入口的第二歧管。

Unison Industries所开发的这款热交换器是设置在飞机的航空电子设备底盘中。不过其设计原理理论上可以在任何需要或利用热交换器或对流热传递的环境中具有普遍适用性,例如在飞机的涡轮引擎内。除此之外,还可以拓展到非飞机的应用领域,以及其他移动应用和非移动工业,商业和住宅应用。

其设计的关键理念是通过复杂的几何形状提供了多达50%或更多的散热效率。除此之外,双曲线,分叉和相互缠绕的几何形状提供更大的传热系数,不仅改善了热交换器的效率,同时使压力损失最小化并改善了传热系数。

无疑,3D打印是实现复杂形状制造的绝佳技术。热交换器可以通过3D打印来制造,例如直接金属激光熔融技术或直接金属激光烧结技术。通过3D打印可以快速准确地制造设计中的阻挡结构。除此之外,可以将阻塞结构图案化为与特定热交换器组件所需的一样大或小。

在飞机的热交换器的制造方面,可以说市场上已经存在不少案例。这其中包括2015年3D Systems企业与America Makes、霍尼韦尔企业、宾州创新材料加工中心的合作,他们与美国空军研究实验室(AFRL)签订了一项价值130万美金的新合同,3D Systems企业的选择性激光熔融技术将用于先进的飞机热交换器制造。当时3D Systems称这将彻底改变喷气引擎的制造,同时还将进一步将3D打印技术带入换热器市场,这是一个数十亿美金的市场机会。3D Systems企业不仅为美国空军提供创新的、高性能热交换器,并且将提供部分强度、耐压性和性能等方面的重要数据。

而不仅仅是飞机上用的热交换器,在电脑、移动电子设备领域,根据市场研究,包括MicroSoft,IBM等企业都在发力通过3D打印开发新一代的热管理系统。

热交换器将是下一个产业化领域。而究竟3D打印将在热交换器的产业化方面达到怎样的影响力和覆盖面,这不仅仅取决于3D打印设备,材料的价格,还取决于工艺质量是否能够达到一致可控,以及标准与认证的完善,而最重要的是如何从设计端得到以产品功能实现为导向的正向设计突破。


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