[发明专利]一种基于3D打印的多孔内凹强化传热结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及强化传热结构，尤其涉及一种基于3D打印的多孔内凹强化传热结构及其制备方法。

背景技术

随着现代工业飞速的发展，能源消耗越来越大，如何节约和有效利用资源逐渐地受到了人们越来越广泛的关注。

在能源的传递过程中，强化传热过程对于提高整个传热系统的效率和降低设备的投资与运行费用至关重要。目前，强化传热的主要方法在于改善传热表面结构。

多孔内凹结构现今已成为工业应用前景广泛地强化传热结构。多孔内凹结构有大量的微细孔隙、大比表面积、有利于形成汽泡核心和提高汽泡脱离频率，具有很好的研究和应用价值。

粉末烧结法和机械加工作为常见的传统多孔结构的制备方法，由于空间尺度的限制，难以制备出多孔内凹的结构。因此，现有的多孔内凹结构受加工方法的影响结构不够优化，影响传热效果。而3D打印技术利用逐层堆叠原理构造成型，不仅加工精度高，而且几乎可以制造出任何形状的结构，因此3D打印技术为具有较好传热效果的多孔内凹结构提供了可能。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于3D打印的多孔内凹强化传热结构及其制备方法，基于3D打印技术，制备的多孔内凹强化传热结构具有更好的传热效果。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于3D打印的多孔内凹强化传热结构，包括金属基体和多个多孔单元；多孔单元线性紧密排布在金属基体上；多孔单元的侧面为向多孔单元内凹陷的内凹结构，从而相邻多孔单元之间对应内凹结构的部位形成外凸的传热间隙。

作为一种优选，多孔单元为固定在金属基体上的倒置的类半球体、类椎体或类台体结构，多孔单元内均布多个孔。此处所说的类半球体、类椎体、类台体结构，指的是：由于多孔单元是逐层加工，当精度较小时，层间梯度大，因此形成的形状非规则的半球体、椎体、台体。

作为一种优选，多孔单元为固定在金属基体上的倒置的半球体、椎体或台体结构，多孔单元内均布多个孔。具体的说，椎体包括圆锥体、三棱锥、四棱锥等，台体包括圆台、棱台等。由于多孔单元是逐层加工，当精度较大时，层间梯度小，因此形成的形状肉眼看来是规则的半球体、椎体、台体。

作为一种优选，多孔单元由金属粉体堆叠形成；金属粉体为球状或不规则的枝状结构。优选的，粒径为20～80μm。

作为一种优选，金属基体为板状，厚度为1～3mm；多孔单元的高度为1～3mm。

作为一种优选，多孔单元的材质为金属，与金属基体的材质相同，为铜、铜合金、镍、镍合金、铝合金或不锈钢。

作为一种优选，每个多孔单元的形状和大小均相同。

作为一种优选，多孔单元的上端面为平面，所有多孔单元的上端面均位于同一平面上。

一种基于3D打印的多孔内凹强化传热结构的制备方法，包括如下步骤：(1)以金属基体表面为基准面，根据精度要求和金属粉体的大小，在基准面上铺上一层厚度为20～80μm的均匀的金属粉体；(2)3D打印机使用激光照射铺展好的金属粉体，在设计好的区域用激光熔融成型，形成第一层按阵列线性分布的多孔结构；(3)在步骤(2)形成第一层多孔结构的基础上，再均匀地铺上一层相同厚度的金属粉体，用激光照射熔融第二层的金属粉体，该层熔融成型的金属粉体面积较第一层面积大一些；以后每一层熔融面积都较下一层面积大一些，且每一层层厚相同；依此类推，层层堆叠成型，直至在金属基体表面形成所有的多孔单元。

作为一种优选，金属粉体在多孔单元中的排布方式以及熔融成型出的多孔的孔径、形状和排布方式由软件建模形成，再经过3D打印机可控地打印出需要的多孔结构；多孔单元的内凹结构以及多孔单元之间的传热间隙的形状和大小由软件建模控制，再经过3D打印机可控地打印出需要的内凹结构和传热间隙。

本发明的原理是：

该结构包括金属基体，金属基体上以类半球体或者类锥体等结构为多孔单元的阵列线性紧密排布结构。阵列中的多孔单元结构为上大下小，多孔单元的侧面为内凹的结构，多孔单元之间则形成了一定的外凸的传热间隙。本发明采用3D打印机，在金属基体上逐层熔融一定厚度的金属粉体，逐渐堆叠出类半球体或者类锥体等的阵列分布结构，该结构是现有机械加工方法所不能加工出的结构，为传统散热领域的多孔内凹结构所不曾考虑的具有很好散热效果的结构。

总的说来，本发明具有如下优点：

1.3D打印技术几乎可以制造出任何形状的结构，包括制备出传统制造方法加工不了的多孔内凹结构，而且具有制备过程简单，精度高且可控等优点。