基于TPMS结构的3D打印铜质双通道散热器及其制备方法与流程
基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器及其制备方法
技术领域
1.本发明属于3d打印领域，具体涉及基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器及其制备方法。
背景技术：
2.近年来，研究人员尝试使用三周期极小曲面(tpms)设计制造多孔结构，tpms是一种平均曲率为零的周期性光滑隐式曲面，与其他类型的多孔结构相比，tpms多孔结构具有两大明显优势：(1)整体tpms多孔结构可以利用数学表达式精确描述，孔隙率、比表面积等基本性能可以利用函数表达式参数直接控制；(2)tpms表面非常光滑，没有点阵多孔结构的尖锐转折或连接点，整体结构互相贯通。但是，目前针对tpms多孔结构在设计、制造、应用关键环节依然存在很多难题亟待解决。
3.增材制造技术是制造错综复杂的tpms多孔结构的理想方法，目前已有各类工艺制造tpms多孔结构，包括选择性激光熔化(slm)、选择性激光烧结(sls)、光固化(sla)、数字光处理(dlp)、熔融沉积成型(fdm)等。通过选择合适的材料与加工工艺，可以制造出各类高精度的tpms多孔结构，例如tpms多孔结构能量缓冲装置、tpms组织工程支架、医疗植入物、tpms多孔结构吸波装置等。传统的散热器多孔结构大部分以人字形板片、凸点型板片、板翅型板片和拓扑板片为主，比表面积小，散热效率低，通常为兼顾一定的力学性能，还需要牺牲一定的孔隙率，现有的3d打印散热器尚未见采用比表面积大的tpms多孔结构，也未见采用纯铜材料制作。
技术实现要素：
4.本发明的主要目的是提供一种基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器，以纯铜作为散热器材料，采用tpms多孔结构设计，充分利用其不交叉双流道和比表面积大的优势，散热效果好。
5.本发明的另一目的是提供上述基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，采用绿激光打印机制备，克服纯铜打印存在的困难。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供的一种基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器，以纯铜作为3d打印材料，包含tpms多孔结构。
8.作为优选，所述tpms多孔结构选自primitive、gyroid和fischer koch结构中的一种。
9.作为更优选，所述tpms多孔结构为fischer koch结构。
10.本发明还提供上述基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤1、tpms点阵材料的单胞结构满足如下表所示的公式，基于所述公式调节tpms单胞结构的相对密度；
[0012][0013][0014]
步骤2、在k3dsurf软件内输入如步骤1所示的公式，得到tpms点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件；
[0015]
步骤3、步骤2所述obj格式的cad文件转为stl格式的cad文件，在ug软件实现布尔操作，得到三维tpms多孔结构，转出为stl格式；
[0016]
步骤4、对步骤1表中所示的公式添加不同常数，得到不同偏离程度的tpms1点阵材料单胞结构曲面和tpms2点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件并转为stl格式的cad文件，与块状结合在ug软件实现布尔操作，得到夹在上述两曲面之间的实体，转出为stl格式，作为tpms结构的3d打印双通道散热器模型；
[0017]
步骤5、以纯铜作为3d打印材料，基于上述tpms结构的3d打印双通道散热器模型用绿激光打印机进行3d打印，即得。
[0018]
作为优选，步骤4中，所述tpms1点阵材料单胞结构曲面的计算公式为：2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)+2；
[0019]
所述tpms2点阵材料单胞结构曲面的计算公式为：2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)-2。
[0020]
作为优选，步骤5中，所述绿激光打印机3d打印的工艺参数如下表所示：
[0021][0022]
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0023]
(1)本发明选用tpms作为散热器的多孔结构，该结构各个点的平均曲率为零，具有连续不交叉的双孔通道和远高于传统散热器多孔结构的比表面积，可以让散热器的冷热液不接触流动，并且有效改善冷热液的接触面积，从而提高散热效率。
[0024]
(2)本发明的3d打印铜质双通道散热器tpms结构中，可以采用fischerkoch多孔结构，比表面积较大，且孔道直径较均匀，有利于改善散热器的散热效率。
[0025]
(3)本发明采用绿激光3d打印纯铜材料制备基于tpms结构的散热器，采用绿激光可以有效改善铜粉的能量吸收，克服纯铜在3d打印时激光能量吸收率低和打印困难的问题。
[0026]
(4)本发明采用绿激光3d打印具有快速冷却、较大温度梯度以及热循环的特点，制备的纯铜散热器具有较小晶粒和较大屈服强度，有利于提供自支撑，并且可以在保证一起强度的同时增大孔隙率，进一步提升散热效率。
附图说明
[0027]
图1为实施例中设计的tpms结构和散热器结构示意图。
[0028]
图2为实施例中基于tpms结构的3d打印双通道散热器模型结构示意图。
[0029]
图3为实施例中primitive、gyroid和fischer koch结构的扫描电镜表征图。
[0030]
图4为实施例中绿激光打印制备纯铜tpms结构的铜晶粒和位错亚结构。
[0031]
图5为实施例中红外激光和绿激光对纯铜粉末的能量吸收率。
[0032]
图6为实施例中绿激光打印纯铜的孔隙表征。
[0033]
图7为实施例中绿激光打印primitive和gyroid结构的力学性能测试。
[0034]
图8为传统散热器结构示意图。
[0035]
图9为tpms结构散热器和传统散热器的比表面积比较。
[0036]
图10为实施例中基于gyroid结构的双通道散热器模型结构示意图。
[0037]
图11为实施例中基于fischer koch结构的双通道散热器模型结构示意图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
实施例1
[0040]
本实施例提供基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，以纯铜作为3d打印材料，步骤如下：
[0041]
步骤1、tpms点阵材料的单胞结构满足如表1所示的公式，基于这些公式调节tpms单胞结构的相对密度。
[0042]
表1：tpms点阵材料的单胞结构公式
[0043]
[0044][0045]
步骤2、在k3dsurf软件内输入如步骤1所示的公式，得到tpms点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件；
[0046]
步骤3、步骤2所述obj格式的cad文件转为stl格式的cad文件，在ug软件实现布尔操作，得到三维tpms多孔结构，转出为stl格式；
[0047]
步骤4、对步骤1表中所示的公式添加不同常数，得到不同偏离程度的tpms1点阵材料单胞结构曲面和tpms2点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件并转为stl格式的cad文件，与块状结合在ug软件实现布尔操作，得到夹在上述两曲面之间的实体，转出为stl格式，作为tpms结构的3d打印双通道散热器模型；
[0048]
步骤5、以纯铜作为3d打印材料，基于上述tpms结构的3d打印双通道散热器模型用绿激光打印机进行3d打印，工艺参数如表2所示。
[0049]
表2：绿激光打印的工艺参数
[0050][0051]
如图1所示，tpms结构可以提供互相交织但互不连通的两个通道，满足散热器中冷液和热液的独立流动而不混合。
[0052]
双通道散热器有冷热试剂通过固体材质进行换热，对双通道结构要求非常高，tpms的双通道设计如图2所示。通过对表1公式添加不同常数，如：
[0053]
tpms1：
[0054]2×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)+2；
[0055]
tpms2：
[0056]2×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)-2)；
[0057]
得到不同偏离程度的tpms1和tpms2后与块状实现布尔操作，得到夹在tpms1和tpms2之间的实体，作为tpms结构的3d打印双通道散热器模型。
[0058]
如图3所示，sem表征表明绿激光可以很好地加工tpms结构，没有明显的宏观缺陷。
[0059]
如图4所示，绿激光打印的纯铜呈现等轴晶，晶粒在6
–
8微米左右，明显小于铸态退火铜的晶粒(图4a)，其内部有很多位错等亚结构(图4b)，有利于改善力学性能。
[0060]
如图5所示，和传统的红外激光打印相比，绿激光打印方式可以高效地提高纯铜粉末的能量吸收率，从21.45％到63.78％。
[0061]
如图6所示，表明绿激光打印的纯铜内部缺陷较少，致密度高。
[0062]
如图7所示，表明primitive和gyroid两种tpms结构在单胞3mm，相对密度在≈38％(≈3.4g/cm3)情况下，屈服强度达到15
–
20mpa，其比强度相较于传统工艺加工要高(屈服强度在≈35mpa，密度在8.9g/cm3)。
[0063]
综合图1
–
7可知：1)tpms结构适合冷热液交换的散热器设计；2)利用绿激光打印可以很好地加工缺陷少、致密且强度高的tpms结构铜材质散热器。
[0064]
如图8和9所示，与基于拓扑优化等传统技术路线设计的散热器结构相比，tpms结构具有较高的比表面积(比表面积并非无量纲量，和单胞大小有关，数据采取的单胞为3mm)。
[0065]
如图10和11所示，基于gyroid和fischer koch结构的双通道散热器，设计的关键点在于：1)在冷液入口处将热液通道巧妙封闭，在热液入口处将冷液通道巧妙封闭；2)单胞
之间缝合。
[0066]
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术人员显然可以容易的对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中，而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的原理，不脱离本发明的范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器，其特征在于，其包含tpms多孔结构，以纯铜作为3d打印材料绿激光3d打印得到。2.根据权利要求1所述的基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器，其特征在于，所述tpms多孔结构为fischer koch结构。3.权利要求1或2所述基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、tpms点阵材料的单胞结构满足如下表所示的公式，基于所述公式调节tpms单胞结构的相对密度；
步骤2、在k3dsurf软件内输入如步骤1所示的公式，得到tpms点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件；步骤3、步骤2所述obj格式的cad文件转为stl格式的cad文件，在ug软件实现布尔操作，得到三维tpms多孔结构，转出为stl格式；步骤4、对步骤1表中所示的公式添加不同常数，得到不同偏离程度的tpms1点阵材料单胞结构曲面和tpms2点阵材料单胞结构曲面，导出obj格式的cad文件并转为stl格式的cad文件，与块状结合在ug软件实现布尔操作，得到夹在上述两曲面之间的实体，转出为stl格式，作为tpms结构的3d打印双通道散热器模型；步骤5、以纯铜作为3d打印材料，基于上述tpms结构的3d打印双通道散热器模型用绿激光打印机进行3d打印，即得。4.根据权利要求3所述基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，其特征在于，步骤4中，所述tpms1点阵材料单胞结构曲面的计算公式为：2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)+2；所述tpms2点阵材料单胞结构曲面的计算公式为：2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πy)+2
×
cos(0.25πy)
×
cos(0.25πz)+2
×
cos(0.25πx)
×
cos(0.25πz)-cos(0.5πx)-cos(0.5πy)-cos(0.5πz)-2。5.根据权利要求3所述基于tpms结构的3d打印铜质双通道散热器的制备方法，其特征在于，步骤5中，所述绿激光3d打印的工艺参数如下表所示。
技术总结
本发明公开了基于TPMS结构的3D打印铜质双通道散热器及其制备方法，其包含TPMS多孔结构，基于TPMS点阵材料的单胞结构公式调节TPMS单胞结构的相对密度，在K3DSurf软件内输入上述公式，得到TPMS点阵材料的单胞结构曲面，导出obj格式的CAD文件并转为stl格式的CAD文件，在UG软件实现布尔操作，得到不同偏离程度的三维TPMS多孔结构，转出为stl格式，以纯铜作为3D打印材料绿激光3D打印得到。本发明以TPMS作为散热器的多孔结构，各个点的平均曲率为零，具有连续不交叉的双孔通道和远高于传统散热器多孔结构的比表面积，冷热液不接触流动，且有效改善冷热液的接触面积，提高散热效率。提高散热效率。提高散热效率。
