3D打印鋁散熱器（VC均熱板），激光功率得砍一半？

AM易道分享
同一臺金屬3D打印設備，用廠商推薦的AlSi10Mg參數去打一根毛細芯，打出來是塊實心鐵。
要讓那塊鐵變回真正能吸液體的多孔結構，英國伍爾弗漢普頓大學AMFM團隊做的第一件事，是把激光功率砍到推薦值的一半。

這是他們最近發表在《Applied Thermal Engineering》上的新文章里最反直覺的一步。

文章想回答的核心問題是，激光粉末床熔融（L-PBF）如何直接打出一個內置毛細芯的完整均熱板。

在講工藝之前，先說說潛在應用。

電子設備最怕熱，溫度每升10°C，元器件失效率翻一倍；

行業里約55%的電子設備故障，根子都在散熱沒做好。

AI算力、數據中心、電動車電池、雷達和功率電子，熱流密度一個比一個極端，熱點越來越集中、越來越不均勻。

傳統鰭片散熱器靠基材導熱加風冷，面對這種局部高熱流已經追不上。

相變均熱板是另一條路。

它靠工質在熱端蒸發、冷端凝結來搬熱，再靠內部毛細芯把冷凝液吸回熱端，全程被動循環，不耗電，溫差還小。

下圖是熱管與典型芯結構示意，蒸發／絕熱／冷凝工作循環、軸向溝槽芯、燒結粉末芯：

毛細芯是這個器件的心臟。

它的孔徑、連通性和分布方式，直接決定這塊板子能扛多大熱流。

問題在于，傳統芯只能開槽、燒結或者擴散焊三選一，工序多、幾何自由度低，復雜的內部結構很難塞進一個緊湊外殼。

3D打印優勢的地方就在這。

理論上，芯可以和腔體一次成型，直接長在內壁上，貼著任意曲面走，溝槽和燒結粉做不出來的形狀它能做。

對做國防、航天電子這一點尤其有分量。

這類設備空間緊、可靠性要求高，還經常要在各種姿態甚至失重環境下工作。

而失重下沒有重力幫液體回流，毛細芯幾乎是唯一的指望。

回到工藝本身，團隊用的是EOS M290，400W激光、100μm光斑，材料是L-PBF里最成熟的AlSi10Mg。

下面圖是設備參數以及AlSi10Mg粉末SEM形貌，近球形顆粒伴有衛星粉：

他們設計的是規則正交立方晶格，目標參數很苛刻。

0.5mm單元胞、130μm桿徑、140μm孔徑、約50%孔隙率。

既要夠毛細泵送，又要讓蒸氣跑得動，還得卡在機器物理上能做出來的極限附近。

下圖是正交晶格芯設計，包含單元胞、周期陣列、整管與內部芯橫截面：

130μm的桿徑，已經低于AlSi10Mg標準工藝窗口的有效分辨率，逼近這臺機器的光學極限。

結果是，整個芯結構的所有掃描矢量，全被軟件判成了邊緣參數，沒有一根桿用到核心填充。

下圖切片軟件顯示整個芯被品紅色邊緣參數主導

邊緣參數原本是為薄壁和拐角準備的，作用是局部降低能量、控制熔池、保住尺寸精度。

現在整個芯都落進了這個區間，這意味著廠商那套為近全致密優化的出廠參數徹底失效：

照搬上去，要么燒過頭，桿粘連、孔閉死；

要么燒不夠，桿直接斷掉。

所以這篇文章真正的命題，不是把它當成密度問題來調，而是把它當成邊緣參數來調。

這是一個被傳統L-PBF優化幾乎忽略掉的維度。

接下來是一場在極窄窗口里找平衡的實驗。

固定掃描速度和層厚，只動功率，從40W一路掃到160W。

樣本排布與切片核對以及管狀樣件的打印過程與成品如下圖：

結果是80W這個出廠基準點幾乎打成了實心；120W以上徹底致密，沒有可用的孔。

反而是40W，孔隙最連續、最可重復。

下圖看到的40W孔隙最佳，80W基準幾乎無孔，120W以上致密

然后引入掃描速度和層厚做二次微調。

規律逐漸清晰，在40W這種低功率區間，提高掃描速度能持續改善孔隙，因為單位長度上的能量更低、熔池更小；

層厚從30μm降到20μm，可熔的材料更少，對熔池控制更精細，孔隙保留得更多。

下圖看5mm立方晶格在不同層厚、功率、速度下的孔隙；孔隙率隨能量密度、掃描速度的變化曲線

最終勝出的組合，建議收藏：

40W、700mm／s、20μm層厚，能量密度2.86 J／mm3，孔隙率約45%。

CT掃描完，整個體積內，桿連續、孔貫通，沒有殘留的未熔粉末。

粉能徹底清干凈，對后續抽真空和充注至關重要。

下圖是最優晶格三維重建與XY、ZY截面

還有一個很務實的取舍。

他們又比了0.5mm和0.6mm兩種單元胞。

0.6mm明顯更好做，孔更大更均勻，約175μm，工藝窗口更寬，對參數波動更不敏感。

但孔越大，毛細壓力越小，繞不過去。

最后他們選了更難做的0.5mm，孔約140μm，正好壓在毛細性能的目標值上。

下圖可以看到0.5mm與0.6mm單元胞孔隙對比以及孔隙率隨能量密度、掃描速度的變化

把這套參數從立方塊搬到真實均熱板，是另一道關。

曲面、薄壁、幾何約束，都會改變局部的熱累積，弄不好局部又燒過頭。

可以看到下圖均熱板截面內置芯的光學顯微與xCT結果。

壁芯界面致密、孔道貫通、無殘留粉。

驗證通過后，他們按VITA 48.2傳導冷卻標準做了一個3U VPX散熱單元。

這不是隨便挑的形態，VPX是軍用和工業加固電子里的主流機箱標準。

芯被連續地長在腔體所有內壁上，還專門設計了排粉孔。

一共打了三個，無失敗、無明顯變形，說明這套工藝較為成熟。

下圖是3UVPX散熱器設計：

下圖是均熱板整機模型、打印過程與成品：

功能驗證用的是丙酮，不是最優工質，但低沸點、低粘度、對鋁相容性好，適合做短期驗證。

用了這樣的均熱板熱測試臺架：

溫差隨流量與功率的變化曲線如下：

在6.0到6.5ml流量下，器件穩定工作到65W熱輸入，跨腔體溫差超過70°C，溫差隨功率近似線性上升。

這條直線說明它一直運行在毛細控制區間內，整個測試范圍里沒有干涸，也沒有蒸氣阻塞。

不過70°C這個溫差是偏保守的，不是和商用均熱板的直接對標，作者自己也說了。

不過這篇文章的整體定位，是先證明能不能造出來、能不能工作，還不談商用性能。

那這件事從應用看，如果只是給桌面服務器散熱，它未必能比過一只成熟的燒結銅均熱板，價格也不占優。

但放進一個3U VPX加固機箱，或者一個空間軌道上工作的電子盒里，事情可能就不一樣了。

前者空間緊、姿態多變、對裝配點和泄漏點容忍度極低；

還是那句話，后者根本沒有重力幫液體回流，毛細芯是唯一的回液機制。

在這兩類場景里，能一次成型、能貼著任意曲面長、能在任意姿態下工作的芯，是有人愿意付溢價去用的。

至于這套工藝還沒回答的部分，主要是毛細極限、滲透率、最大熱輸運能力都還沒定量；

丙酮在鋁里長期是否產生不凝氣體、密封能不能扛住反復熱循環，得看研究團隊后續工作；

AM易道認為，這篇文章里真正值得記的是切片軟件無意中點出來的事實。

當桿徑逼近機器的分辨率極限，我們優化的對象，已經不是材料密度，而是邊緣參數本身。

散熱這條路再往下走，從3D打印視角看，當殼和芯能一次成型，散熱器的形狀本身，不再受裝配和分型面的約束。

下一代均熱板長什么樣，將不再由熱設計師一個人說了算。

來源：J. Robinson, M. Taylor-Smith, A. Arjunan 等，《Optimisation of energy input in laser powder bed fusion of porous wick structures for functional vapour chambers》，Applied Thermal Engineering，2026，DOI：10.1016／j.applthermaleng.2026.131623。圖片均取自該論文。

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