[发明专利]一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法

说明书

本发明属于多孔结构增材制造领域，并具体公开了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法，包括如下步骤：S1根据多孔结构特性，确定其初始参数；根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，获得各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到多孔结构三维模型；S2根据多孔结构三维模型，采用金属粉末通过增材制造得到多孔结构；对多孔结构进行原位热处理、分离、表面喷砂，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件。本发明克服了传统多孔结构热力学性能单一难以变化的缺点，制造出的轻量化金属梯度多孔结构具有良好的散热性、优异的力学性能、较强的可设计性。

技术领域

本发明属于多孔结构增材制造领域，更具体地，涉及一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法。

背景技术

金属多孔结构材料由于具有质量轻、比强度高、抗冲击能力强、能量吸收率高等优异的综合性能，在航空航天、交通运输、汽车船舶等领域有很大应用前景。除了有较好的机械承载性能，具有高导热系数的金属多孔结构本身也是优良的热交换器，通透性的开孔设计和较大孔隙率可增加其散热面积，有利于孔穴内部强制对流换热。因此金属多孔结构可实现承载-散热的有机结合，应用于飞机器、高功率电子器件、航空精密仪器零件等的散热冷却。

目前研究的金属多孔结构多为均匀点阵结构，传统的点阵结构大多由直杆组成，由于在杆间结点位置存在急转容易产生应力集中从而导致失效。另外，在增材制造过程中，传统点阵结构中的直杆由于缺乏支撑很容易坍塌而使成形失败。同时，随着各轻量化设计领域对提高产品综合散热性能以及特定化场景应用的要求逐步提升，具有单一的机械性能且易失效的周期性均匀点阵多孔结构已逐渐无法满足复杂场景中的高性能散热构件的需求。

Swartz Diamond梯度多孔结构是一种三周期极小曲面(TPMS)结构，其各点平均曲率为零，孔与孔之间相互贯通，由于具有光滑的表面和均匀的曲率半径等特征，在承载时该结构应力分布均匀，具有更突出的机械承载性能。同时，这种特殊的曲面结构各层之间可以相互支撑，在增材制造过程中无需添加支撑就可以完整打印出该结构，具有良好的打印性。与传统均匀点阵多孔结构相比，这种特殊的梯度曲面结构具有更大的比表面积，更能增强其散热效率和强制对流热交换能力，可实现优良的换热性能和在特定区域承受不同机械应力的性能相结合。通过计算机辅助设计，该多孔结构参数可调控，比表面积及体积分数等可随空间位置发生变化，更适用于特定力学场景和复杂环境中散热-承载性能需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件及其增材制造方法，其目的在于，采用Swartz Diamond极小曲面结构，克服了传统均匀多孔结构力学性能单一难以变化的缺点，制造出的轻量化金属梯度多孔结构具有良好的散热性、优异的力学性能、较强的可设计性等优点，可作为一种散热元件应用于飞行器、汽车等复杂力学场景的热交换系统中，具有较强的工业化应用前景。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种金属极小曲面梯度多孔散热元件的增材制造方法，包括如下步骤：

S1根据待成形多孔结构的特性，确定其初始参数；根据初始参数得到多孔结构空间内部各点的体积分数和孔隙大小，进而获得各点处空间函数，根据空间函数进行数学建模，进而结合Swartz Diamond极小曲面隐函数，拟合得到极小曲面连续梯度多孔结构三维模型；

S2根据极小曲面连续梯度多孔结构三维模型，采用金属粉末通过增材制造得到多孔结构；对多孔结构依次进行原位热处理、分离、表面喷砂，得到金属极小曲面梯度多孔散热元件。

作为进一步优选的，所述初始参数包括空间边界、尺寸、体积分数和比表面积。