AM易道分享
同一臺金屬3D打印設(shè)備，用廠商推薦的AlSi10Mg參數(shù)去打一根毛細(xì)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(jié)構(gòu)，英國伍爾弗漢普頓大學(xué)AMFM團(tuán)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(fā)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(nèi)置毛細(xì)芯的完整均熱板。

在講工藝之前，先說說潛在應(yīng)用。

電子設(shè)備最怕熱，溫度每升10°C，元器件失效率翻一倍；

行業(yè)里約55%的電子設(shè)備故障，根子都在散熱沒做好。

AI算力、數(shù)據(jù)中心、電動車電池、雷達(dá)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(tǒng)鰭片散熱器靠基材導(dǎo)熱加風(fēng)冷，面對這種局部高熱流已經(jīng)追不上。

相變均熱板是另一條路。

它靠工質(zhì)在熱端蒸發(fā)、冷端凝結(jié)來搬熱，再靠內(nèi)部毛細(xì)芯把冷凝液吸回?zé)岫耍瘫粍友h(huán)，不耗電，溫差還小。

下圖是熱管與典型芯結(jié)構(gòu)示意，蒸發(fā)／絕熱／冷凝工作循環(huán)、軸向溝槽芯、燒結(jié)粉末芯：

毛細(xì)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(tǒng)芯只能開槽、燒結(jié)或者擴散焊三選一，工序多、幾何自由度低，復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難塞進(jìn)一個緊湊外殼。

3D打印優(yōu)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(nèi)壁上，貼著任意曲面走，溝槽和燒結(jié)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(shè)備空間緊、可靠性要求高，還經(jīng)常要在各種姿態(tài)甚至失重環(huán)境下工作。

而失重下沒有重力幫液體回流，毛細(xì)芯幾乎是唯一的指望。

回到工藝本身，團(tuán)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(shè)備參數(shù)以及AlSi10Mg粉末SEM形貌，近球形顆粒伴有衛(wèi)星粉：

他們設(shè)計的是規(guī)則正交立方晶格，目標(biāo)參數(shù)很苛刻。

0.5mm單元胞、130μm桿徑、140μm孔徑、約50%孔隙率。

既要夠毛細(xì)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(shè)計，包含單元胞、周期陣列、整管與內(nèi)部芯橫截面：

130μm的桿徑，已經(jīng)低于AlSi10Mg標(biāo)準(zhǔn)工藝窗口的有效分辨率，逼近這臺機器的光學(xué)極限。

結(jié)果是，整個芯結(jié)構(gòu)的所有掃描矢量，全被軟件判成了邊緣參數(shù)，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(shù)主導(dǎo)

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

現(xiàn)在整個芯都落進(jìn)了這個區(qū)間，這意味著廠商那套為近全致密優(yōu)化的出廠參數(shù)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(dāng)成密度問題來調(diào)，而是把它當(dāng)成邊緣參數(shù)來調(diào)。

這是一個被傳統(tǒng)L-PBF優(yōu)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(jié)果是80W這個出廠基準(zhǔn)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(xù)、最可重復(fù)。

下圖看到的40W孔隙最佳，80W基準(zhǔn)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(diào)。

規(guī)律逐漸清晰，在40W這種低功率區(qū)間，提高掃描速度能持續(xù)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(xì)，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(nèi)，桿連續(xù)、孔貫通，沒有殘留的未熔粉末。

粉能徹底清干凈，對后續(xù)抽真空和充注至關(guān)重要。

下圖是最優(yōu)晶格三維重建與XY、ZY截面

還有一個很務(wù)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(shù)波動更不敏感。

但孔越大，毛細(xì)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(xì)性能的目標(biāo)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(shù)從立方塊搬到真實均熱板，是另一道關(guān)。

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(nèi)置芯的光學(xué)顯微與xCT結(jié)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(dǎo)冷卻標(biāo)準(zhǔn)做了一個3U VPX散熱單元。

這不是隨便挑的形態(tài)，VPX是軍用和工業(yè)加固電子里的主流機箱標(biāo)準(zhǔn)。

芯被連續(xù)地長在腔體所有內(nèi)壁上，還專門設(shè)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(shè)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(yōu)工質(zhì)，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(wěn)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(xì)控制區(qū)間內(nèi)，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(biāo)，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(yīng)用看，如果只是給桌面服務(wù)器散熱，它未必能比過一只成熟的燒結(jié)銅均熱板，價格也不占優(yōu)。

但放進(jìn)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(tài)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(xì)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(tài)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(xì)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(chǎn)生不凝氣體、密封能不能扛住反復(fù)熱循環(huán)，得看研究團(tuán)隊后續(xù)工作；

AM易道認(rèn)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(dāng)桿徑逼近機器的分辨率極限，我們優(yōu)化的對象，已經(jīng)不是材料密度，而是邊緣參數(shù)本身。

散熱這條路再往下走，從3D打印視角看，當(dāng)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(shè)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。

本文是AM易道對論文的解讀和轉(zhuǎn)述，帶有大量主觀判斷、內(nèi)容取舍和添加行業(yè)視角，原項目信息密度大、專業(yè)細(xì)節(jié)多，如果您是相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)讀者，強烈建議直接閱讀原論文，本文的內(nèi)容可能與原作者的嚴(yán)謹(jǐn)表述存在部分差異。