3D打印成型微通道冷板

尹恩怀　安占军　李超

【摘 要】本文采用3D打印技术成型铝合金微通道液冷冷板，流道宽度分为三种，其尺寸分别为：1mm、0.5mm、0.3mm，实验通过X射线、水压密闭性两种检测方式对三种流道冷板的质量进行分析，X射线实验结果表明流道宽度为1mm和0.5mm的冷板流道未出现堵塞现象，流道宽度为0.3mm的冷板流道出现局部堵塞；水压密闭性实验结果表明流道宽度为1mm、0.5mm的冷板均未出现液体泄漏现象，水密性良好。3D打印技术成型铝合金微通道液冷冷板流道的最小流道宽度为0.5mm，小于该流道宽度时会合金粉末无法清除将出现流道堵塞现象。

【关键词】冷板；AlSi10Mg铝合金；3D打印；通道堵塞；通道密封

0 引言

随着雷达等电子设备逐渐向小型化、集成化发展，各种元器件的集成度越来越高，封装密度越来越大，导致电子设备的热流密度急剧上升。传统的风冷技术已无法满足高热流密度器件的散热需求，需采用更为高效的液冷冷却技术，而液冷冷却技术的关键部件为液冷冷板，其质量的高低直接影响到整部雷达工作的可靠性[1-3]。微通道液冷系统能够大幅度提升设备冷却能力，满足电子设备日益增长的冷却需求，其通常采用先机械加工流道结构，再通过焊接的方式将流道密封，焊接方式通常有真空钎焊、真空扩散焊、搅拌摩擦焊等，对于真空钎焊成形冷板需要在焊缝处添加钎料，钎料熔化流动容易产生流道堵塞和焊缝液体泄漏等问题；对于真空扩散焊尽管不需要添加焊料，但焊缝处容易出现缺陷导致冷板液体泄漏；而对于搅拌摩擦焊成形冷板，仅能焊接微通道周围，无法焊接微通道肋板，通常较少采用搅拌摩擦焊焊接微通道冷板。3D打印技术，即激光快速成形技术（LRF），是基于增材制造的概念[4]，利用激光热源层层熔覆合金粉体从而实现复杂结构致密金属零件的快速、无模具的一体近终成形。采用3D打印技术成型微通道冷板，可实现从三维模型到实物的一体成型，其组织致密性超过铸造合金，不会出现液体泄漏问题，并且具有加工成型速度快成本低等特点，但采用3D打印技术成型铝合金微通道冷板还未见研究与报道。因此，本文重点研究3D打印技术成型铝合金微通道冷板的成型技术。

1 试验方法

1.1 试验设备

3D打印设备采用德国EOS M290激光选区粉末烧结3D打印机，激光烧结功率200W，激光扫描速度约为5m/s，粉体层高为0.06mm。

1.2 试验材料

3D打印合金采用高纯度粉体原材料 AlSi10Mg（来源德国EOS，粒径约250目），并降低各种杂质含量，添加微量元素以细化组织，化学成分为Si：9.0～11，Mg：0.2～0.45，Ti： max..0.15，Fe：max..0.55，Cu：≤0.05（杂质），Mn：≤0.45（杂质），Zn：≤0.1（杂质），Ni：≤0.05（杂质），Sn：≤0.05（杂质），Pb：≤0.05（杂质），Al：余量。

1.3 质量检测

冷板流道内部质量采用德国依科视朗国际有限公司（YXLON）的Y.Cougar SMT型X射线检测仪；水压密闭性测试采用上海金威工具公司的手动试压泵，测试参数要求：0.8 MPa，保压30min。

1.4 流程设计

3D打印成型步骤为：三维结构设计（UG、Pro-E、3D max等三维软件）—三维图形转化为STL格式—切片处理—3D打印成型—粉体清理—外形加工（去除支撑）。

2 冷板结构设计

本文采用UG7.0软件进行微通道冷板三维结构设计，参见图1（a）所示，内部详细结构参见图1（b），冷板的流道宽度设计3种规格，分别为：1mm、0.5mm、0.3mm，三种规格的流道筋板宽度均为1mm。将三维图转化为STL格式。根据流道横截面结构设计规则， 3D打印成型金属零件无法直接成型悬空结构，例如横截面结构为“□”型时，3D打印将无法成型，需要支撑结构才能将该结构打印成型，但是残留于流道内部的支撑结构将无法去除，所以通常情况下将冷板流道截面结构设计为“◇”和“○”型，可以保证直接打印成型。结合冷板的整体结构特点，本文仍采用横截面结构为“□”型设计，但成型时将冷板主平面与打印平台夹角设置为45°，打印过程中流道截面相对于垂直方向即为“◇”型，可顺利打印冷板。

3 试验结果与讨论

3.1 微通道冷板3D打印成型

将微通道冷板三维结构模型转换成STL文件格式，应用专业软件将进行切片处理后即可进行3D打印成型，在在切片过程中需要注意的是将冷板主平面与打印平台平面成45°夹角，这样可以保证冷板流道截面为“◇”型。通过层层铺粉，每层粉末均进行激光烧结后可得到微通道冷板。控制打印参数为：激光器功率200W，打印层高0.06mm，扫描线速度2～3m/s，激光光斑为直径约为0.1 mm。打印成型后的冷板如图2（a）所示，打印成型后将微通道冷板中的残留粉末通过高压气枪吹出，必要时可采用震动与高压气体结合的方式将流道内部粉体清除干净。由于3D打印冷板的表面粗糙度仅为Ra7.0左右，对于有表面粗糙度要求的需进一步进行机械加工，经过机械加工后得到冷板样件，参见图2（b）所示。

3.2 微通道冷板测试

1）X射线检测

采用X射线对冷板内部流道情况进行分析，在分析时，材质及厚度相同的区域的影像衬度应保持一致，因此本文中的冷板在流道深度与两侧缓冲区深度相同情况下，其影像衬度理论上也应相同，参见图3所示。实验结果表明流道宽度为1mm、0.5mm的冷板流道未出现明显的堵塞现象（其衬度无明显差异，因此判断该规格冷板无堵塞现象），但对于流道宽度为0.3mm的冷板，见图3（c）所示，可以看到在流道内部出现较多衬度较深的块状区域，据此判断该区域即为堵塞部位，并且流道影像衬度与流道两侧流体缓冲区的衬度明显不同，其影像衬度明显低于两侧缓冲区，一定程度上也说明有残余粉体堵塞流道，参见表1所示。

2）水压密闭性检测

对1mm、0.5mm流道内没有出现堵塞及焊料堆积现象，需进一步进行水压测试，验证其水密性，测试参数要求：0.8 MPa，保压30min。水压密闭性实验结果表明流道宽度为1mm、0.5mm、0.3mm的冷板，在规定的压力和保压时间下，冷板无漏水现象，说明三种规格冷板的密闭性完好。

为了验证X射线对0.3mm流道冷板内部堵塞的判定结果，同样对其进行水密性测试，尽管无渗水、漏水现象，其水流的从进水口到出水口的流畅性出现问题，在进水口压力0.4 MPa条件下，在出水口仅有滴水流出，进一步验证了本文作者对X射线结果的分析结论，03mm流道内部出现堵塞。3D打印技术成型铝合金微通道液冷冷板流道的最小流道宽度为0.5mm，小于该流道宽度时会合金粉末无法清除将出现流道堵塞现象。

4 结论

1）采用3D打印技术成型了三种流道宽度的微通道冷板，其流道宽度分别为：1mm、0.5mm、0.3mm；

2）对三种流道宽度的微通道冷板进行了X射线、水压密闭性实验，结果表明1mm、0.5mm的冷板均未出现液体泄漏现象，且水密性良好，但0.3mm冷板出现流道堵塞；

3）3D打印技术成型铝合金微通道液冷冷板流道的最小流道宽度为0.5mm，小于该流道宽度时会合金粉末无法清除将出现流道堵塞现象。

【参考文献】

[1]宋君.相控阵雷达冷板的加工技术研究[J].电子机械工程，2002，18（3）：59-62.

[2]张兆光.固态有源相控阵雷达冷却技术探讨[J].现代雷达，1996，18（1）：88-95.

[3]安占军.冷板加工工艺研究[C]//第十七届全国钎焊及特种连接技术交流会论文集[J].394-395.

[4]王运赣，王宣.三维打印技术[M].武汉：华中师范大学出版社，2013.

[责任编辑：杨玉洁]