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CN111564687A - 3d打印的曲面共形天线液冷冷板结构 - Google Patents

3d打印的曲面共形天线液冷冷板结构 Download PDF

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CN111564687A CN202010233507.7A CN202010233507A CN111564687A CN 111564687 A CN111564687 A CN 111564687A CN 202010233507 A CN202010233507 A CN 202010233507A CN 111564687 A CN111564687 A CN 111564687A
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雷涛
刘秀利
苑博
张克非
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Abstract

本发明公开的一种3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，旨在提供一种具备曲面共形散热效率高、一体成形质量高的液冷冷板。本发明通过下述技术方案实现：内流道的中心线位于冷板基体厚度方向的中分曲面上，进液口和出液口分别沿进液流道和出液流道连通，在进液流道和出液流道的终止端形成锥形结构的内流道；结合冷板的整体结构特点利用三维软件，将冷板流道截面结构设计为椭圆形主流道和若干圆形微流道；采用选区激光熔融3D打印粉床设备，设置激光功率200～400W，激光扫描速度为1～5m/s，利用高能激光束熔化预先铺在粉床上的薄层粉末，通过层层铺粉，逐层熔化堆积成形3D打印微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形。

Description

3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构
技术领域
本发明涉及液冷散热技术，尤其涉及一种应用3D打印技术的曲面共形天线液冷冷板结构。
背景技术
天线系统的设计制造上朝着结构功能一体化、共形化、轻量化、小形化等方向发展。特殊曲面位置的天线安装需求越来越多、天线阵元规格不断扩大，对天线冷板的尺寸、强度、散热能力提出了更高的制造要求。微小通道液冷散热技术是近年来电子设备热设计研究的热点,已逐渐用于高热流密度电子设备的散热。随着天线载体曲面外形的不断更新变换，有些共形天线是附着于复杂曲面之上的。针对新形高密度曲面共形天线的散热、承载，急需要新的技术来实现曲面共形天线液冷冷板结构的制造。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。由于传统的焊接、埋管等工艺存在焊料堵塞、密封缺陷、强度不足、尺寸大、无法实现立体微细流道精确成形等问题，真正实现工程应用仍存在诸多困难,主要原因是与之匹配的工艺技术尚不完善，从而难以满足共形天线的发展需求。3D打印技术可用于液冷板的制造,但同时需综合考虑产品技术要求、结构、成本、成形工艺要求等因素。对于实现复杂拓扑结构微小通道冷板的成形,但仍存在通道堵塞、表面凹坑和翘曲等问题。3D打印技术成形铝合金微通道液冷冷板流道的最小流道宽度可达0.5mm,小于该流道宽度时合金粉末将难以清除从而造成流道堵塞现象。3D打印成形金属零件在悬空结构无支撑成形上存在下沉坍塌风险，根据流道横截面结构设计规则，例如横截面结构为“□”形时，采用3D打印在特定方向上将难以成形，需要设置支撑结构，但是残留于流道内部的支撑结构将无法去除。
采用曲面共形设计，同时应用3D打印技术能够很好满足共形天线曲面冷板的内壁微细流道、不规则走向、曲面立体等多种制造需求。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，旨在提供一种具备曲面共形散热效率高、一体成形质量高，应用3D打印技术，能够得到较高精度的曲面共形天线液冷冷板结构。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，包括：分别位于冷板基体1的右下角和左上角的进液口41和出液口48，与天线安装位置之间保持共形曲面结构的冷板基体1和安装孔，以及与进液口41和出液口48连通的内流道4，其特征在于：内流道4的中心线位于冷板基体1厚度方向的中分曲面11上，进液口41和出液口48分别沿进液流道43和出液流道47连通，在进液流道43和出液流道47的终止端形成锥形结构的内流道4；根据流道横截面结构设计规则及增材制造结构设计要求，结合冷板的整体结构特点，利用三维软件将冷板流道截面结构设计为椭圆形的椭圆形主流道45和若干圆形微流道；采用选区激光熔融3D打印粉床设备，设置激光功率200～400W，激光扫描速度为1～5m/s，利用高能激光束熔化预先铺在粉床上的薄层粉末，通过层层铺粉，逐层熔化堆积成形3D打印微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形。
本发明相比现有技术具有以下有益效果：
曲面共形散热效率高。本发明采用与天线安装位置之间保持共形的冷板基体和安装孔，以及与进液口41和出液口48相连的内流道4，进液口41和出液口48分别位于冷板基体1的右下角和左上角；冷板基体1内流道4的中心线位于冷板基体1厚度方向的中分曲面11上，进液口41和出液口48沿冷板基体1曲面法向布置，分别与进液流道43和出液流道47相连，在进液流道43和出液流道47的终止端形成锥形结构内流道4；通过液冷冷板基体1结构采用曲面共形设计，冷板内流道4结构同样采用了曲面共形随形冷却的设计，实现结构功能一体化，曲面立体不规则走向的微细流道在结构承载的同时也起到了散热的作用，对于新形高密度天线的散热具有较高散热效率，能满足天线系统的轻量化和小形化的发展需求。
本发明根据流道横截面结构设计规则，结合冷板的整体结构特点，利用三维软件将冷板流道截面结构设计为椭圆形的椭圆形主流道45和若干圆形微流道；采用选区激光熔融3D打印粉床设备，激光功率200～400W，激光扫描速度约为1～5m/s，利用高能激光束熔化预先铺在粉床上的薄层粉末，通过层层铺粉，逐层熔化堆积成形3D打印微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形。结果表明:在相同的输入参数条件下，液冷板的性能均能满足要求，且3D打印液冷板的散热与流阻性能优于真空扩散焊焊接液冷板。在冷板制造上应用3D打印一体成形技术，利用激光热源层层熔覆合金粉体，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，提高制造质量和可靠性。采用3D打印技术成形微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形，其组织致密性超过铸造合金，不会出现液体泄漏问题，并且具有加工成形速度快、成本低等特点。通过X射线、水压密闭性两种检测方式对流道冷板进行分析，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；水压密闭性实验结果表明，冷板均未出现液体泄漏现象，水密性良好。避免了传统的焊接、埋管铸造等工艺在实现立体微细流道精确成形方面的缺陷。
附图说明
图1为本发明曲面共形天线液冷冷板结构主视图(内部隐藏线设置为可见)；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的后视图；
图4是图1的冷板内流道4局部示意图。
图中：1冷板基体，2沉头孔，3下沉区域，4内流道，11中分曲面，41进液口，42进口锥，43进液流道，44过渡流道，45椭圆形主流道，46圆形微流道，47出液流道，48出液口，49出口锥。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。
具体实施方式
参阅图1-图4。在以下描述的优选实施例中，一种3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，包括：分别位于冷板基体1的右下角和左上角的进液口41和出液口48，与天线安装位置之间保持共形曲面结构的冷板基体1和安装孔，以及与进液口41和出液口48连通的内流道4。内流道4的中心线位于冷板基体1厚度方向的中分曲面11上，进液口41和出液口48分别沿进液流道43和出液流道47连通，在进液流道43和出液流道47的终止端形成锥形结构的内流道4；根据流道横截面结构设计规则及增材制造结构设计要求，结合冷板的整体结构特点，利用三维软件将冷板流道截面结构设计为椭圆形的椭圆形主流道45和若干圆形微流道；采用选区激光熔融3D打印粉床设备，设置激光功率200～400W，激光扫描速度为1～5m/s，利用高能激光束熔化预先铺在粉床上的薄层粉末，通过层层铺粉，逐层熔化堆积成形3D打印微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形。
优选地，所述冷板基体1的周向上制有沿法向线阵布局的若干沉头孔2，可用于冷板基体1在安装位置上的固定，中分曲面11上设有安装曲面共形电路板的下沉区域3。
优选地，所述进液流道43和出液流道47与椭圆形主流道45之间有一段过渡流道，该过渡流道分别由进液流道43、出液流道47与椭圆形主流道45之间的两端截面扫略而成。
优选地，圆形微流道之间形成的并联结构，沿下沉区域散热需求分布，且圆形微流道的两端均与椭圆形主流道45相连。
下沉区域3是一个按曲顶角部均分曲率对称空间曲面生成的双曲冷弯V形四边形曲面区域。所述内流道4包括，沿下沉区域3冷弯四边形V形曲面区域单侧V形边界方向与边界对应平行的椭圆形主流道45，通过冷弯过渡口随形连通的若干多孔并联的圆形微流道46，圆形微流道46通过下沉区域3曲顶角部均分曲率对称空间曲面形成V形支路，经过小于90°弯曲圆形微流道46终止端形成的锐角过渡结构后，顺势向上连接椭圆形主流道45，连通过渡流道44，以实现内流道43D打印无支撑成形。椭圆形主流道45进口段通过圆锥过渡流道44连接缩颈进液流道43，缩颈进液流道43通过进液口41相连进口锥42。
通过V形支路顺势连接V形支路的椭圆形主流道45的出口端通过锥形过渡流道44，沿出液流道47连通出液口48相连出口锥49。
流入进液口41的冷却液在压力作用下，沿着椭圆形主流道45流入冷板基体1内部微流道，通过下沉区域3流经多孔并联分布的圆形微流道46后，再次汇入椭圆形主流道45，然后通过弯曲过渡段连接过渡流道44，最后经终止端对接的出口锥49从出液口48流出，并带走热量。
3D打印合金采用粒径250目～300目的高纯度粉体原材料AlSi10Mg，并降低各种杂质含量，添加微量元素以细化组织，添加微量元素化学成分为Si：9.0～11，Mg：0.2～0.45，Ti：max..0.15，Fe：max..0.55，各种杂质含量Cu杂质≤0.05，Mn杂质≤0.45，Zn杂质≤0.1，Ni杂质≤0.05，Sn杂质≤0.05，Pb杂质≤0.05，Al：余量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，包括：分别位于冷板基体(1)的右下角和左上角的进液口(41)和出液口(48)，与天线安装位置之间保持共形曲面结构的冷板基体(1)和安装孔，以及与进液口(41)和出液口(48)连通的内流道(4)，其特征在于：内流道(4)的中心线位于冷板基体(1)厚度方向的中分曲面(11)上，进液口(41)和出液口(48)分别沿进液流道(43)和出液流道(47)连通，在进液流道(43)和出液流道(47)的终止端形成锥形结构的内流道(4)；根据流道横截面结构设计规则及增材制造结构设计要求，结合冷板的整体结构特点，利用三维软件将冷板流道截面结构设计为椭圆形的椭圆形主流道(45)和若干圆形微流道；采用选区激光熔融3D打印粉床设备，设置激光功率200～400W，激光扫描速度为1～5m/s，利用高能激光束熔化预先铺在粉床上的薄层粉末，通过层层铺粉，逐层熔化堆积成形3D打印微通道冷板，实现从三维模形到实物的一体成形。
2.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：所述冷板基体(1)的周向上制有沿法向线阵布局的若干沉头孔(2)，中分曲面(11)上设有安装曲面共形电路板的下沉区域(3)。
3.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：所述进液流道(43)和出液流道(47)与椭圆形主流道(45)之间有一段过渡流道，该过渡流道分别由进液流道(43)、出液流道(47)与椭圆形主流道(45)之间的两端截面扫略而成。
4.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：圆形微流道之间形成的并联结构，沿下沉区域散热需求分布，且圆形微流道的两端均与椭圆形主流道(45)相连。
5.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：下沉区域(3)是一个按曲顶角部均分曲率对称空间曲面生成的双曲冷弯V形四边形曲面区域。
6.如权利要求6所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：所述内流道(4)包括，沿下沉区域(3)冷弯四边形V形曲面区域单侧V形边界方向与边界对应平行的椭圆形主流道(45)，通过冷弯过渡口随形连通的若干多孔并联的圆形微流道(46)，圆形微流道(46)通过下沉区域(3)曲顶角部均分曲率对称空间曲面形成V形支路，经过小于90°弯曲圆形微流道(46)终止端形成的锐角过渡结构后，顺势向上连接椭圆形主流道(45)，连通过渡流道(44)，以实现内流道(4)3D打印无支撑成形。
7.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：椭圆形主流道(45)进口段通过圆锥过渡流道(44)连接缩颈进液流道(43)，缩颈进液流道(43)通过进液口(41)相连进口锥(42)。
8.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：流入进液口(41)的冷却液在压力作用下，沿着椭圆形主流道(45)流入冷板基体(1)内部微流道，通过下沉区域(3)流经多孔并联分布的圆形微流道(46)后，再次汇入椭圆形主流道(45)，然后通过弯曲过渡段连接过渡流道(44)，最后经终止端对接的出口锥(49)从出液口(48)流出，并带走热量。
9.如权利要求1所述3D打印的曲面共形天线液冷冷板结构，其特征在于：3D打印合金采用粒径250目～300目的高纯度粉体原材料AlSi10Mg，并降低各种杂质含量，添加微量元素以细化组织，添加微量元素化学成分为Si：9.0～11，Mg：0.2～0.45，Ti：max..0.15，Fe：max..0.55，各种杂质含量Cu杂质≤0.05，Mn杂质≤0.45，Zn杂质≤0.1，Ni杂质≤0.05，Sn杂质≤0.05，Pb杂质≤0.05，Al：余量。
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