传统铜热交换器制造面临的困境

半导体技术与通信技术的高速发展，万物互联趋势带来了算力的飞快提升和无时无刻的高速数据连接。而其大集成、高功率的电子元器件在运行时会产生大量的热量，如果热量不能及时散出，就会导致电子元器件产生热损伤现象，带来严重危害和巨大的经济损失。如何减少甚至避免电子元器件因热量积聚而导致的热损伤现象，高效的散热技术是关键。

▲常见铜热交换器（来源网络）

铜因具有优异的导热性能且易加工，常被制作成消费电子、家电、汽车等行业的热交换器，在热管理领域如发电系统、运输、石油和天然气加工、海水淡化等都具有广泛的应用前景。传统上生产热交换器的方法是制造单独的翅片、管或板，并将它们粘合或焊接在一起。这是一种手动技术，如果任何这些钎焊接头之间出现故障，都可能导致热交换器出现故障。而随着当今世界上数以百万计的热交换器投入使用，就全球可持续性和降低能耗而言，热交换器的性能和效率变得比以往任何时候都更加重要。越来越复杂的热交换技术让传统工艺显得有点力不从心，采用新技术实现高表面积以促进有效热流，同时又能小巧轻便的热交器显得尤为重要。

▲传统工艺制造的散热器（来源网络）

纯铜３D打印热交换器的优势和限制

3D打印为新颖的热交换器设计开辟了新途径，可以针对流动性和传导性进行优化，满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势。特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

铜的3D打印特别适合铜热交换组件的制造。但由于铜的导热性和反射率非常高，这使得铜金属特别是纯铜难以通过常规3D打印有效成型，铜在室温下对近红外光的吸收率仅为5%，也意味着加工窗口十分的窄，很难找到完美的参数，加工效率也非常慢，制件无论是力学性能还是导电率都受到很大的限制。如最典型的金属增材工艺选择性激光熔化（SLM）和电子束熔化(EBM)技术就可以打印纯铜材料。然而SLM工艺在激光熔化铜的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。EBM由于使用的是电子束为热源，不会受到SLM激光高反射因素的影响，因此稍具优势，但因铜具有高导电率，EBM打印过程会很短；又因铜的高导热率，会导致打印的模型尺寸精度和力学性能各方面的可控性较差，因此打印的铜组件表面质量不佳。

▲由参数优化（左）和拓扑优化（右）生成的散热器设计(图片由 Fritz Lange 提供)

PEP为纯铜热交换器制造提供更优方案

而铜对绿色激光的吸收率很高，接近 40%，足足是近红外激光的8倍，有效克服了激光打印纯铜的问题。另外粘结剂喷射（BJ）工艺的铜3D打印工艺也实现了商业化。但因其采用粉末床铺粉方式，内部复杂流道或中空结构的清粉工作也是个很大的挑战。由升华三维推出的粉末挤出打印（PEP）技术巧妙地避开了纯铜打印过程中的高导热、高反射问题。PEP工艺采用颗粒熔融挤出成型方式，通过先打印生坯，然后再经过成熟的粉末冶金脱脂和烧结工艺，得到结构优良的高性能纯铜组件。有望为下一代热管理组件制造带来更优异的解决方案。

▲升华三维制备的纯铜散热器和电感应器组件

PEP技术是由升华三维推出的“3D打印+粉末冶金”相结合的金属／陶瓷间接3D打印工艺，具有低温成型，高温成性的特性。PEP在打印纯铜时不需要高能激光束。升华三维针对纯铜3D打印开发了纯铜颗粒料UPGM-CU，其保持原料高纯净度的同时还具有更易实现致密化的特性，能满足不同纯铜零件的打印需求，采用铜颗粒材料打印，可有效控制材料成本且更环保。通过自主研发的3D打印设备，可以加工纯铜及其合金材料以制造致密的部件，在纯铜3D打印上一举填补国内空白。目前已经广泛应用于热交换器、散热器和电感应器的产品开发中。

▲升华三维纯铜打印产品性能数据

3D打印将成为促进热管理技术升级利器

3D打印在热管理的应用开发目前最热门的领域主要与电动汽车、高端计算、航空航天和国防相关，行业的关注点集中在具有较高价值量的热交换器、航空航天热管理部件、高端芯片散热部件如微型冷板、拓扑优化通道液冷换热器等。3D打印为热管理提供了全新，不可替代的解决方案，是解决高热通量计算冷却问题的一把利器。但目前成熟应用市场还主要以传统制造方式为主，不过随着制造工艺的高要求，3D打印在热管理领域的应用将是未来发展趋势。

升华三维目前已建成了完整的金属/陶瓷间接3D打印前后处理工艺，涵盖了材料开发、打印材料、密炼造粒机、3D打印机、脱脂烧结炉等全工艺链设备，可提供高性能的间接3D打印整体解决方案。同时也欢迎增材制造界与散热界朋友广泛交流，促进技术融通，为增材制造在散热领域的应用提供宝贵意见。