3D打印散热器设计的仿真与优化

有时，在设备开发的某个阶段，你会遇到进退两难的境地。例如，弗劳恩霍夫增材制造技术研究所（IAPT）设计了一种具有最优化拓扑结构的散热器，但复杂的几何结构使其难以制造。他们从一种增材制造工艺中找到了解决方案，但这种方法有其自身的限制。为了找出最佳散热器设计，他们需要一种方法来协调这些问题……

设计和制造最优化拓扑的散热器

为 LED 和计算机芯片等小型电子设备设计散热器需要在设计要求之间实现微妙的平衡：它们需要尽可能小巧轻便，同时还要提供极其强大的散热性能。传统设计的散热器太重，我们可以使用拓扑优化来减少质量，同时尽可能少地牺牲冷却功率。

3D打印、拓扑优化的散热器原型。

拓扑优化设计非常新颖，没有直观性。在这种情况下，不直观成为一种积极因素，因为它是一种“寻找传统设计过程中不会出现的功能驱动（‘有机’）设计的方式，”德国汉堡弗劳恩霍夫增材制造技术研究所（IAPT）的研究员 Fritz Lange 说。就散热器而言，拓扑优化有助于改善热性能和降低压降。

然而，这种有前途的方法引入了另一个问题……在拓扑优化研究中，只有一个目标：找出最佳设计。生产的可行性根本没有考虑在内。因此，拓扑优化设计通常具有复杂的几何结构，难以用传统的制造方法生产。

现在的问题是：当几何结构的设计非常复杂时，如何制造散热器？

一种称为选择性激光熔化（SLM）的增材制造工艺浮出水面。这种工艺非常适合生产拓扑优化设计的散热器，这是因为，激光的精度使得制造复杂、详细的几何结构成为可能。然而，这又出现了另一个问题：所有类型的3D打印对特征尺寸都有一些限制。SLM 也有一些限制，以确保最终产品是合理的。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。就散热器而言，最小壁厚受激光束半径的限制。

使用 COMSOL Multiphysics® 比较设计和制造方法

考虑到这些限制，弗劳恩霍夫 IAPT 的研究人员与德国汉堡工业大学激光与系统技术研究所的研究人员一起，着手为一种激光二极管找出最佳的有源散热器设计。

首先，为了确保结构的最佳性能，他们需要开发一种程序来处理违反激光器壁厚限制的薄的、无法打印的结构。简单的方法是直接避免打印小特征（下图中的“TO 表面”）。然而，这可能会降低冷却性能，实际上还会破坏设计。另一种方法称为强制磨边，它会增加小特征的尺寸（下图中的“TOF 表面”）。SLM 机器被设置为激光将薄结构暴露出来，形成增厚的分支，增加结构的重量，但性能损失较小。

不同散热器设计的激光路径。黑色虚线表示强制磨边。图片由 Fritz Lange 提供。

为了找出性能损失最小的散热器设计，该团队比较了采用不同优化和制造方法开发的散热器设计。

散热器设计的数值仿真

该团队比较了两种仿真方法：

1. 参数优化
2. 拓扑优化

如下图所示，在左侧，参数优化会产生许多大小均匀且间隔开的鳍片，而拓扑优化设计具有珊瑚状鳍片结构，其宽度随着向外移动而减小。

由参数优化（左）和拓扑优化（右）生成的散热器设计。图片由 Fritz Lange 提供。

COMSOL Multiphysics® 软件支持任意目标函数灵敏度的高效自动计算，这对于基于梯度的优化以及所有拓扑优化都至关重要。过去在拓扑优化中很难控制最小特征尺寸，但 COMSOL Multiphysics 5.4 版支持亥姆霍兹滤波，其中包含一个过滤半径，可用于明确控制最小特征尺寸（详见上一篇博客文章）。

参数优化研究涉及的变量比拓扑优化研究少得多——本例中与拓扑研究所需的每个有限元的变量相比接近1:6。这使得参数研究更快，也更容易找出全局最小值。Lange 说：“当进入3D并包含流体流动优化时，这变得越来越有趣”。

实验比较

为了验证优化仿真并比较不同的散热器设计，研究人员开始进行实验。他们比较了三种不同的设计：

1. 带强制磨边和不带强制磨边的拓扑优化散热器
2. 参数优化散热器
3. 传统的散热器

实验表明，传统的设计热阻最低，但重量最大——这与小而轻的设计规格相悖。参数优化略优于它，是设计简单几何结构散热器的理想选择。

显示不同散热器设计的温度分布的仿真结果。图片由 Fritz Lange 提供。

拓扑优化设计的结果是双重的。不带强制磨边的设计具有最佳的重量相关热阻。与不带强制磨边的设计相比，带强制磨边的版本热阻更低，但是加权热阻更高。

该团队发现优化模块（COMSOL Multiphysics的一个附加模块）可用于执行参数优化和拓扑优化研究。“我们能够将组件的性能提高约四倍，”Lange 说。

进行中的研究

弗劳恩霍夫团队正在继续进行其论文中描述的研究，进一步加入流体流动优化，以便找出最佳散热器设计。他们最初没有考虑流体流动，因为该项目的目的是实现结果之间的最佳可比性。

Lange 表示，他已经将流体流动应用到参数优化研究中，并且正在进行拓扑优化，这个有点复杂。

后续操作

阅读 COMSOL 用户年会 2018 洛桑站的相关论文：“Numerical Optimization of Active Heat Sinks Considering Restrictions of Selective Laser Melting”