比较3D打印的散热器设计的优化方法

有时，在设备开发的某个时刻，您可以达到Catch-22。例如，Fraunhofer添加剂制造技术研究所（IAPT）开发了一种具有优化拓扑的散热器设计，但复杂的几何形状使制造很难制造。他们在一种添加剂制造中找到了一种解决方案，但是该方法具有其自身的限制。为了找到最佳的散热器设计，他们需要一种解决这些问题的方法……

设计和制造拓扑优化的散热器

为小型电子设备（如LED和计算机芯片）设计一个散热器，涉及设计要求的微妙平衡：它们需要尽可能小且轻巧，但还提供了非常强大的冷却性能。当传统设计太重时，我们可以使用拓扑优化来减少质量，同时牺牲尽可能少的冷却能力。

一个3D打印的，拓扑优化的散热器原型。

拓扑优化的设计既创新又不直觉。In this case, unintuitive is a positive, as it is a “way of finding function driven (‘organic’) designs that do not occur in a conventional design process,” says Fritz Lange, researcher at the Fraunhofer Research Institution for Additive Manufacturing Technologies (IAPT) in Hamburg, Germany. When it comes to heat sinks, topology optimization is useful for improving thermal performance and decreasing pressure drops.

但是，这种有希望的方法引入了另一个问题……在一项拓扑优化研究中，只有一个目标：找到最佳的设计。根本不考虑生产的可行性。因此，拓扑优化的设计通常具有复杂的几何形状，而传统制造方法太难了。

现在的问题变成了：当几何形状非常复杂时，如何制造散热器设计？

输入称为选择性激光熔化（SLM）的增材制造过程。该过程非常适合生产拓扑优化的散热器设计，因为激光的精度使得可以创建复杂的，详细的几何形状。但是，出现了另一个问题：所有类型的3D打印都对功能大小有一定的限制。SLM涉及一些限制，以确保最终产品合理。例如，设计的某些部分可能太窄而无法打印。这是因为激光束直径不能大于结构本身的直径。在散热器的情况下，最小壁厚受激光束的半径限制。

将设计和制造方法与comsolMultiphysics®进行比较

考虑到这些限制，Fraunhofer IAPT的研究人员以及汉堡技术大学的激光和系统技术研究所的研究人员着手为激光二极管找到最佳的活跃散热器设计。

首先，为了确保结构的最佳性能，他们需要制定一个程序来处理违反激光器壁厚限制的薄且无法打印的结构。简单的选择是简单地避免打印小功能（在下面的原理图中“表面”）。但是，这可能会降低冷却性能并有效破坏设计。另一个称为强制边缘的选项增加了小特征的大小（下面的原理图中的“ TOF表面”）。设置了SLM机器，使激光露出薄结构，形成增厚的分支，增加结构的重量，但仅会导致性能损失较小。

不同散热器设计的激光路径。虚线的黑线说明了强迫边缘。图片由弗里茨·兰格（Fritz Lange）提供。

为了找到一种散热器设计，性能最小，团队比较了使用不同的优化和制造方法开发的散热器设计。

散热器设计的数值模拟

团队比较了两种模拟方法：

1. 参数优化
2. 拓扑优化

正如您在下图中看到的那样，参数优化会导致许多均匀尺寸和间隔的鳍片，而拓扑优化的设计具有类似珊瑚的鳍结构，随着它们向外移动时宽度下降。

由参数（左）和拓扑（右）优化产生的散热器设计。图片由弗里茨·兰格（Fritz Lange）提供。

ComsolMultiphysics®软件支持对任意目标函数的敏感性的有效和自动计算。这对于基于梯度的优化以及所有拓扑优化至关重要。过去很难控制拓扑优化中的最小特征大小，但是Comsol Multiphysics版本5.4支持Helmholtz过滤。它具有滤波器半径，可用于明确控制最小特征大小（请参阅此信息以前的博客文章有关详细信息）。

参数优化研究涉及的变量要比拓扑优化研究少得多 - 在这种情况下，与拓扑研究所需的每个有限元相比，六个变量。这使参数研究更快，并且更容易找到全球最小值。兰格说：“进入3D并包括流体流优化时，这变得越来越有趣。”

实验比较

为了验证优化模拟并比较不同的散热器设计，研究人员转向实验。他们比较了三种不同的设计：

1. 拓扑优化的散热器，有和没有强制性边缘
2. 参数优化的散热器
3. 常规散热器

实验表明，常规设计提供了最低的热电阻，但重量最大，这与小型且轻巧的设计的设计规格相对。参数最佳表现出良好的结果，并且可能是设计简单几何形状的散热器的理想选择。

仿真结果显示了不同散热器设计的温度分布。图片由弗里茨·兰格（Fritz Lange）提供。

拓扑优化设计的结果是双重的。没有强迫边缘的设计具有最佳的与重量相关的热电阻。与没有强制边缘的设计相比，具有强制边缘的版本具有较低的热电阻，但是加权热电阻较高。

团队发现优化模块，一个附加comsol多物理学，可用于执行参数和拓扑优化研究。兰格说：“我们能够提高组件的性能约为四倍。”

通过模拟应用程序简化优化和设计任务

Fraunhofer IAPT正在寻找一种使AM散热器的优化和设计更高效的方法，构建了一个模拟应用程序，该应用程序可以自动化和自定义所涉及的任务。

散热器优化应用。视频提供的Fraunhofer Iapt，通过YouTube™视频社区。

使用comsol多物理中的应用程序构建器创建的仿真应用程序分为四个部分：

1. 几何学
2. 边界
3. 优化
4. 结果

这几何学部分用于定义使用散热器模板的选项定义设计空间。还可以打开文件以导入已经存在的设计。

边界是应用程序用户可以定义设备的冷热区域的地方。这热源域选项用于定义热源，而散热器域用于定义散热器。

这优化该部分是应用程序用户计算散热器的最佳结构的地方，并且结果是他们可以看到和导出结果的地方。该应用程序包括将结果保存为STL文件的选项，这意味着它们已经处于添加剂制造所需的格式！

正在进行的研究

Fraunhofer团队通过向他们的研究中添加流体流量优化，以寻找最佳的最佳散热器设计，从而继续在论文中描述的研究。最初不考虑流体流量，因为该项目的目的是实现结果之间的最佳可比性。

兰格说，他已经将流体流动到参数优化研究中，并且拓扑优化正在进行中，这要复杂一些。

下一步

阅读2018年Comsol会议的相关论文：“”乐动滚球app下载考虑性激光熔化的限制，主动散热器的数值优化“