金属微滴打印成型低孔隙率多枝状散热结构的方法与流程

本发明涉及一种类枝状散热器制备方法，特别涉及一种金属微滴打印成型低孔隙率多枝状散热结构的方法。

背景技术：

随着航空航天、高新武器装备及电子信息等领域对产品集成度、可靠性的要求越来越高，特别是对于一些高密度、大功率系统，工作中产生的热量急剧增加，对系统的散热效率提出了巨大的挑战，但是目前大多数系统的散热结构普遍面临散热效率不高的问题；根据现代传热拓扑优化理论显示，多枝状铝异形结构可极大降低散热热阻，此类结构热阻可低于传统翅片结构的5％，为成倍提升散热效率提供了新途径，但受限于现有加工工艺，目前难以制造符合要求的少孔隙高导热的多枝状复杂异形结构，急需制造此类高效散热结构的新方法以满足系统长期可靠工作的需要。

现有散热器传统加工工艺，如铣削加工、电火花加工、金属丝编织等，受刀具形状、切削力、放电电极形状以及模具形状等条件限制，很难成形出复杂三维异形结构。

文献“mohitemmb,gaikwadmv,mohitemmb,etal.developmentofedmtoolforfabricationofmicrochannelheatsinkandoptimizationofsingleresponseparameterofedmbytaguchimethod[j].internationaljournal,2016,2:63-70”中采用电火花加工(edm)的方式制造出了6061铝合金微通道散热器。首先设计加工了用于散热器的天然叶形放电电极，并研究了电火花加工的工艺参数对材料去除率及表面粗糙度的影响，最终得出了最佳工艺参数集。但是在此方法中所制造出的微通道散热器仍属于平面结构，此方法极大地受到专用放电电极形状的限制，难以成型出复杂三维异形结构。

文献“topologyoptimization,additivelayermanufacturing,andexperimentaltestingofanair-cooledheatsink,”j.mech.des.,vol.137,november2015,pp.1–9.”提出了一种采用alm(additivelayermanufacturing)增材制造技术制造类枝状风冷散热器的方法，该技术通过预先准备alsi12粉末，在制造平台上层层铺粉，同时依据经优化设计后散热器的cad切片模型，利用高能热源激光层层熔化烧结，最终实现散热器的制造。由于此技术最终得到的结构存在粉体间烧结孔隙，粉末颗粒的粘附使表面粗糙度较差，将降低散热器的热交换效率；同时需要预制的粉末原材料，其最终质量及技术发展易受到制粉工艺的限制。

技术实现要素：

为了克服现有类枝状散热器制备方法实用性差的不足，本发明提供一种金属微滴打印成型低孔隙率多枝状散热结构的方法。该方法基于射流断裂理论产生金属液滴，依据异形散热结构的路径规划，通过控制液滴的喷射与运动基板的运动，实现逐点、逐层打印形状、尺度可控的复杂三维多枝状异形散热结构；协同控制液滴的凝固行为优化金属微滴内部质量，有效地减少散热结构内部孔隙，提高散热结构的热交换速率，实现高效散热结构低能耗、低成本的快速制造。本发明不受异形结构需要专用制造工具的限制，有效解决了背景技术方法无法制造复杂三维多枝状异形散热结构的技术问题。通过多颗金属液滴打印成型多枝状散热结构，通过控制金属微滴的凝固行为，改善金属液滴的内部质量，减少了散热结构的内部孔隙，有利于提升散热结构的导热性能。无需激光大功率能量源，不受材料种类及形式限制，实现了多枝状异形散热结构的快速成型。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种金属微滴打印成型低孔隙率多枝状散热结构的方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、打开氩气瓶1对手套箱3进行清洗及循环，通入氩气清洗时调整氩气压力表2示数在0.05-0.2mpa之间，开启循环时调整氩气压力表2示数在0.4-0.6mpa之间，清洗循环至氧含量检测仪4显示的氧浓度在0-20ppm之间，水含量检测仪7显示的水含量在0-10ppm之间。设定手套箱3压力为0-300pa，保证手套箱3内操作的舒适度。

步骤二、采用物理及化学方法相结合的方式去除铝合金材料表面的氧化皮及杂质，采用超声清洗机清洗坩埚6、喷嘴11及激振杆5，然后将处理后的铝合金材料装在坩埚6内，最后将坩埚6与激振杆5组装后放入加热炉8。

步骤三、设置温控器10，将加热炉8加热到铝合金材料的液相线以上100～150℃，并保温15～30min，使坩埚6内的铝合金材料完全融化，将基板14进行预热，保证层与层之间不出现冷隔。

步骤四、采用c#程序，结合opengl渲染所要成型的枝状散热结构模型，进行打印路径规划并计算每个液滴的坐标位置，按次序生成模型的打印运动程序，将程序下载到pmac卡12中。

步骤五、开启函数发生器9产生脉冲信号作用于激振杆5，形成应力波传递到喷嘴11处，产生均匀的铝合金微滴用于打印成型。

步骤六、启动五轴运动平台15，调整基板14距离喷嘴11的高度为10-15mm，运行步骤五中的程序，五轴运动平台15按照程序的路径规划配合运动，使得铝合金微滴准确地堆积在基板的指定位置，如此反复，完成多枝状散热结构的成型。

本发明的有益效果是：该方法基于射流断裂理论产生金属液滴，依据异形散热结构的路径规划，通过控制液滴的喷射与运动基板的运动，实现逐点、逐层打印形状、尺度可控的复杂三维多枝状异形散热结构；协同控制液滴的凝固行为优化金属微滴内部质量，有效地减少散热结构内部孔隙，提高散热结构的热交换速率，实现高效散热结构低能耗、低成本的快速制造。本发明不受异形结构需要专用制造工具的限制，有效解决了背景技术方法无法制造复杂三维多枝状异形散热结构的技术问题。通过多颗金属液滴打印成型多枝状散热结构，通过控制金属微滴的凝固行为，改善金属液滴的内部质量，减少了散热结构的内部孔隙，有利于提升散热结构的导热性能。无需激光大功率能量源，不受材料种类及形式限制，实现了多枝状异形散热结构的快速成型。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明方法用装置的示意图。

图2是本发明方法制备的四分枝铝合金枝状散热结构单元的结构示意图。

图3是本发明方法制备的铝合金枝状晶格阵列散热器的结构示意图。

图中，1-氩气瓶；2-氩气压力表；3-手套箱；4-氧含量检测仪；5-激振杆；6-坩埚；7-水含量检测仪；8-加热炉；9-函数发生器；10-温控器；11-喷嘴；12-pmac卡；13-枝状结构样件；14-基板；15-五轴运动平台；16-枝状结构的主干；17-枝状结构的分枝；18-枝状晶格阵列散热器；19-金属铝液滴单元。

具体实施方式

以下实施例参照图1-3。

实施例1：具有四枝的铝合金枝状散热结构单元成型。

成型一个具有四个分枝的铝合金枝状散热结构单元，该零件的整体高度为15mm，宽度为10mm。

步骤一、提前1小时打开氩气瓶1，使氩气压力表2的示数为0.2mpa，利用氩气清洗手套箱3，至氧含量检测仪4的示数在20ppm以下，水含量检测仪7的示数在10ppm以下；

步骤二、在手套箱外采用0.1mol/l的naoh溶液浸泡铝合金原料30min，然后在硝酸中清洗10秒以除去铝合金表面的氧化皮；

步骤三、将步骤二中处理后的四装入坩埚6，再依次将激振杆5、喷嘴11与坩埚6组装后放入手套箱3中的加热炉8；

步骤四、通过温控器10设置基板14温度为450℃，保证层与层之间不出现冷隔，加热炉8温度为750℃，加热到设置温度后，保温15min；

步骤五、依据先打印枝状结构的主干16，再依次打印枝状结构的分枝17的路径规划，直接编写pmac卡12的运动程序，启动五轴运动平台15，调整基板14距离喷嘴11的高度为15mm，并使喷嘴正对基板的中心；

步骤六、打开函数发生器9同时运行打印程序，待程序停止可得到内部致密的枝状结构样件13。

实施例2：铝合金枝状晶格阵列散热器成型。

成型一个枝状晶格阵列散热器，该零件的整体高度为，由多个具有四个分枝的枝状结构单元组成，其结构相对于实施例1结构复杂程度提高，且需要实现枝状结构单元间的左右衔接与上下堆叠。本实施例在应用时与实施例1的工艺过程基本相同，不同之处在于成型时间加长，因此对环境的要求更高，且模型路径规划及打印程序生成的方式不同。

步骤一、提前2小时打开氩气瓶1，使氩气压力表2的示数为0.2mpa，利用氩气清洗手套箱3，使氧含量检测仪4的示数在10ppm以下，水含量检测仪7的示数在5ppm以下；

步骤二、在手套箱外采用0.1mol/l的naoh溶液浸泡铝合金原料30min，然后在硝酸中清洗10秒以除去铝合金表面的氧化皮；

步骤三、将步骤二中处理后的四装入坩埚6，再依次将激振杆5、喷嘴11与坩埚6组装后放入手套箱3中的加热炉8；

步骤四、通过温控器10设置基板14温度为450℃，保证层与层之间不出现冷隔，加热炉8温度为750℃，加热到设置温度后，保温15min；

步骤五、采用c#程序，定义所要成型铝合金枝状晶格阵列散热器18的结构特征，结合opengl渲染模拟出液滴排布的结果，依据从上至下、从左至右的路径规划，计算每个液滴的位置坐标以生成最终的运动程序，将程序下载到pmac卡12中。启动五轴运动平台15，调整基板14距离喷嘴11的高度为10mm，并使喷嘴正对基板的中心；

步骤六、打开函数发生器9同时运行打印程序，五轴运动平台15的运动配合金属液滴的产生，打印出金属铝液滴单元19，待程序停止可得到内部致密的枝状晶格阵列散热器18。