AI数据中心爆发前夜：散热是3D打印未来十年的核心增量

您是否曾想过，当人工智能和数字化转型让数据中心需求暴涨400%时，传统制造方式将如何应对这一挑战？

大量的运算需求意味着极大的冷却需求，冷却效率提升等同于巨大的能源节约，作为3D打印从业者，我们能否打破常规思维，重新思考数据中心的建设和冷却方式？

随着全球数据中心需求的爆炸性增长，传统的制造和冷却方法已经难以满足现代数据中心对效率、可持续性和快速部署的要求。在这一背景下，增材制造技术正逐渐成为解决数据中心基础设施挑战的关键力量。

从3D打印数据中心建筑到先进的热管理组件，3D打印正在以前所未有的方式重塑这一行业。本文将用6000字简要探讨增材制造在数据中心领域的应用前景、技术创新以及市场机遇。市场前景：增材制造在数据中心领域的爆发式增长您是否意识到我们正站在一个行业交叉点的风口浪尖？当两个快速增长的技术领域相遇时，往往会产生难以想象的颠覆性机遇!这正是增材制造与数据中心产业交汇的现状！根据Additive Manufacturing Research（AM Research）最新发布的《AM for Data Centres: a 3D Printing Market Opportunity》研究报告，增材制造技术在数据中心基础设施中的渗透率预计将在2033年前显著提升。

该报告分析了全球数据中心不断扩张的需求，特别是拥有5000多台服务器的超大规模数据中心，以及3D打印如何在解决关键供应链和热管理挑战方面发挥作用。AM易道认为，数据中心市场可能成为增材制造行业未来十年最具吸引力的增长点之一。正如报告所指出的：即使按照相对保守的市场渗透率估计，到2033年可能需要2000台粉末床熔融（PBF）设备来生产冷板和其他数据中心部件，即使假设PBF将与其他相关增材工艺共享部分生产任务。作为参考，这已经超过了当今整个3D打印市场每年销售的设备总量。预测强调了即使是最保守的估计，也意味着3D打印行业在数据中心市场中蕴含着指数级的增长机会。尽管目前公开披露的3D打印公司在数据中心市场的渗透程度相对有限，但已经浮现的事实表明，这可能是这个行业至少在下一个十年中期之前最具吸引力的新业务来源之一。3D打印数据中心：从建筑到设备的革命传统建筑方式需要数月甚至数年才能完成的数据中心，现在只需几周就能拔地而起？当时间就是金钱，速度成为制胜关键，3D打印建筑技术是否将彻底改变我们构建数字基础设施的方式？欧洲首个3D打印数据中心：Wave House案例分析位于德国海德堡的"Wave House"是欧洲最大的3D打印建筑，同时也是世界上第一个完全采用3D打印技术建造的数据中心。

这一创新项目使用单台COBOD BOD2打印机完成，该打印机每小时可打印43平方英尺（约4平米）的面积，利用可回收的类水泥混合材料，仅用140小时就完成了墙体结构的打印工作。

相比传统建筑方法，3D打印技术大大缩短了建设周期，使数据中心能够更快速地响应不断增长的市场需求。
3D打印允许开发人员根据特定需求和环境条件定制数据中心的设计，创造出更具功能性和美观性的结构。

3D打印建筑使用更少的资源并产生更少的废物，提高了能源效率，为数据中心提供了更环保的解决方案。
随着数据中心越来越多地建在靠近用户的郊区和城市中，数据中心开发商开始关注如何使数据中心在视觉上更具吸引力。3D打印技术的灵活性和创新性恰好满足了这一需求，使数据中心能够在功能性和美观性之间取得平衡。增材制造与先进热管理系统您可曾想过，当一台服务器产生的热量足以煮开几吨沸水时，我们如何才能控制这股数字火焰？当传统散热技术已经喘不过气来，增材制造技术能否成为数据中心致命热危机的终极解药？

这场关乎数字世界运行效率的冷却革命，正在以我们难以想象的速度展开！电化学ECAM技术：数据中心冷却的革命性突破随着数据中心服务器性能不断提升，相应的功耗和热量产生也在急剧增加。传统的空气冷却（风冷）方法已经开始在高功率密度封装的冷却方面遇到瓶颈。因此，利用各种介电流体进行单相浸没冷却成为一种有前景的替代方案，可以通过增强服务器的热管理来降低运营和冷却成本。电化学增材制造（Electrochemical Additive Manufacturing，简称ECAM）技术在这一领域展现出独特的优势，主要代表企业为Fabric8Labs。

与大多数金属增材方法不同，ECAM不使用昂贵的金属粉末原料，而是利用由广泛可得且低成本的金属盐组成的水基原料。ECAM原料类似于PCB和半导体制造中使用的电镀化学品。ECAM工艺的关键创新在于打印头，一个由数百万个可单独寻址的像素组成的微电极阵列，其尺度为数十微米。

通过将这种微电极阵列与富含金属离子的原料结合使用，ECAM能够在原子级别进行构建，实现微米级的特征分辨率、复杂的内部特征、高纯度材料，并能快速扩展以支持大规模生产。BJT与传统铝合金的创新结合：散热器新工艺粘合剂喷射技术（Binder Jet Technology，简称BJT）也在数据中心散热领域展现出巨大潜力。类似Ricoh公司开发的创新扩散焊接技术，成功将BJT制造的高效散热结构与传统锻造铝合金外壳/基材结合，为散热器制造提供了全新思路。延伸阅读：BJT3D打印玩转扩散焊接：异种铝合金融合，散热器制造新方法？
这项技术的核心是一套专有的"液相烧结技术"，其创新之处在于精确控制BJT系统烧结过程中铝液相的累积量，从而实现高质量的扩散连接。与传统钎焊工艺相比，该技术无需使用助焊剂或额外钎焊材料，显著简化了制造流程。在实际应用中，这项创新工艺采用了以下组合方案：

• 先利用BJT技术制造复杂的翅片结构，充分发挥其在复杂几何形状制造方面的优势
  

• 采用传统工艺生产铝制外壳，确保整体尺寸精度
• 通过扩散粘合技术将两部分完美结合，实现性能与精度的统一

验证结果显示，该技术成功制造了一个三翅片(gyroid)结构的热交换器，实现了BJT制造的复杂形状与6061铝块的无变形连接。

截面检测显示，BJT烧结体与铝合金基材的连接界面几乎无空隙。

目前，该扩散粘合技术已在BJT烧结体与多种传统铝合金材料组合中得到验证，包括6061、1050和6063铝合金。

SLM/LPBF技术在数据中心散热解决方案中的应用选择性激光熔融（Selective Laser Melting，SLM）或激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion，LPBF）技术在数据中心散热领域正展现出独特优势，成为高性能散热器制造的重要技术路线。与ECAM和BJT不同，SLM/LPBF技术通过高能激光束直接将金属粉末层层熔融，能够生产出具有极为复杂内部结构的整体式散热组件。在材料选择方面，SLM/LPBF主要使用AlSi10Mg、AlSi7Mg和铜合金等高导热金属粉末。特别是针对高性能计算（HPC）设备，研究人员已经成功开发出能承受较高热流密度的SLM打印铜基微通道冷板。目前，主要挑战仍是小直径通道(~300μm)的内部粉末清理和表面粗糙度控制。创新解决方案包括超声波辅助粉末清除和设计时引入自清理通道等。随着这些工艺挑战被逐步克服，SLM/LPBF技术将在下一代数据中心散热解决方案中扮演更加重要的角色，特别是在对热性能要求极为苛刻的AI加速器散热应用中。

大家熟知的国内外的主要红光LPBF厂商，以及绿光LPBF厂商都在攻克这一领域。

未来可能也有蓝光激光LPBF厂商奔这个领域而去。

创新热管理结构：只有3D打印能造的TPMS周期结构自然界中最复杂优美的数学曲面，竟能成为解决数据中心散热难题的关键？当我们将大自然亿万年进化的几何智慧与尖端制造技术相结合，会碰撞出怎样的火花？这些看似抽象的三维周期性结构，正在以惊人的方式重新定义散热科学！大量研究团队利用3D打印技术为数据中心服务器设计了采用三周期最小曲面（Triply Periodic Minimal Surface，简称TPMS）格子结构的散热器。本段落以德州大学阿灵顿的研究文章为例：

这些结构属于一类特殊的最小曲面，具有三个方向的平移对称性，形成无限、非自相交且在三个主要方向上周期性的表面图案。论文中的图3（Figure 3）展示了建模的回转体散热器模型，该模型经过表面网格处理，为STL文件导出做准备。

研究人员比较了不同设计参数下的回转体（Gyroid）片状格子结构散热器的性能。

变量包括格子的孔隙率、壁厚和单元尺寸的不对称性。如表2所示，研究中考虑了多种设计变量组合，包括不同孔隙率（68%和85%）、不同壁厚（0.8mm和1.2mm）以及不同单元尺寸的回转体TPMS结构。

这些复杂的格子结构散热器通过ANSYS Fluent进行计算流体动力学分析。

图4展示了在ANSYS SpaceClaim中对模型进行预处理的过程，显示了固体和流体域的建模情况。

图5清晰地展示了TPMS格子散热器的设计参数，包括壁厚和单元尺寸，而图6则显示了具有不对称单元尺寸的回转体散热器，其流动方向和格子高度的单元尺寸被延长，以更接近传统翅片散热器的形态。

回转体片状TPMS结构的数学表达式为：

f(x,y,z) = cos(x)sin(y) + sin(x)cos(z) + cos(y)sin(z) = 0。

研究结果显示，六种不同设计的散热器在最大壳体温度方面表现各异。具体数据如下表所示（对应论文中的表3）：

格子类型	孔隙率	壁厚	最大壳体温度
回转体TPMS	68%	0.8 mm	81.4 °C
回转体TPMS	85%	0.8 mm	74.1 °C
回转体TPMS	68%	1.2 mm	74.0 °C
回转体TPMS	85%	1.2 mm	75.8 °C
不对称回转体TPMS	68%	0.8 mm	75.5 °C
不对称回转体TPMS	68%	1.2 mm	80.9 °C

图11和图12分别展示了性能最佳和最差散热器设计的温度分布图，直观展示了热量在散热器中的分布情况。

温度分析表明，0.8mm壁厚和68%孔隙率的散热器性能较差的原因可能是流体流动受限，影响了散热能力。

随着壁厚从0.8mm增加到1.2mm，这种孔隙率下的散热性能得到显著改善，可能是由于散热器结构中增加了额外的热质量。

研究中的速度剖面分析提供了更深入的见解。

图13和图14分别展示了性能最佳和最差散热器设计的中平面速度轮廓图，而图15和图16则显示了散热器出口的速度分布情况。

这些图表明，在性能较差的设计中，流体流动在散热器长度方向上受到限制。

流动限制过大会阻碍加热后的流体逃逸。

相比之下，在性能较好的设计中，速度明显开始在散热器长度方向上增加到更大的程度。

从散热器出口的速度剖面图可以看出，性能较好的散热器出口的速度幅度明显更大，这支持了流动限制导致散热性能下降的观点。

这项研究证明了3D打印在生产具有复杂几何形状的高性能散热组件方面的潜力，这些组件在传统制造方法下几乎不可能实现。

这项研究算是一个3D打印散热组件（不论是ECAM、LPBF还是BJT打印）研究的常规组成部分，是推动3D打印散热器的理解机理和优势扩大的典型研究框架。

数据中心冷却技术的演进与3D打印的机会传统的数据中心冷却方法通常涉及基于空气的冷却系统，如计算机房空调（CRAC）设备。这些系统使用冷空气供应和热空气排放的组合来维持数据中心环境中的所需温度。 

随着每机架热负荷的迅速增加和数据中心电力消耗的上升，空气冷却方法开始面临效率瓶颈。全球数据中心电力消耗已成为一个严峻问题，2021年达到220-320太瓦时，约占全球电力需求的1.3%。自2008年以来，每机架热负荷迅速增加，对冷却系统提出了更高要求。数据中心的液体冷却应用可以根据冷却剂与电子元件的交互方式分为两大类：直接和间接液体冷却。在直接冷却中，冷却剂直接接触电子设备；

而在间接液体冷却中，则使用中间热交换器（如冷板）将热量从处理器传递到冷却剂。

间接液体冷却包括冷板、热管和蒸汽室等技术；而直接液体冷却则包括浸没冷却、池沸腾、浸没式射流冲击和喷雾冷却等方法。这些冷却技术在热传输方面各有限制，其冷却能力可通过传热系数来表示。3D打印技术，特别是用于金属材料的增材制造，被认为是制造具有增强性能的热传输设备的有前途的技术。最近的研究展示了各种各样利用3D打印的独特特性优化已知热传递增强技术的有趣案例。这些技术包括针翅、涡流发生器、粗糙表面、偏置条形翅片和多孔介质。本文就不展开分类讲解了。看图就好：

增材制造在数据中心市场的战略定位当一个新兴市场尚未被主流关注时，往往正是布局的最佳时机！您是否曾想过，为何硅谷巨头和顶尖投资机构正悄然将目光投向数据中心的增材制造技术？这个被低估的交叉领域，会是下一个创造百亿美元市值企业的沃土吗？尽管关于3D打印公司迄今为止在数据中心市场的渗透程度的公开信息相对较少，但已经显现的事实表明，如前文所述，数据中心市场可能成为3D打印行业至少在下一个十年中期之前最具吸引力的新业务来源之一。AM易道认为，数据中心市场最令人兴奋的一点可能恰恰是它相比当前商业环境中一些更受关注的垂直领域，仍然相对不引人注目。正如报告中探讨的类比，现在进入数据中心市场可能相当于几年前进入航空航天市场。AM易道发现的冷却技术海外创新企业有：本段落主要介绍海外企业，如有国内企业有类似先进设计案例便于展示，请私信公众号投稿。

• Alfa Laval：作为全球领先的热交换、分离和流体处理专家，该公司已开始探索3D打印在高效热交换器制造中的应用。

  

• Asetek：液体冷却解决方案专家，正在研究3D打印如何改进其液体冷却系统设计。

  

• Conflux Technology：专注于使用3D打印制造高性能热交换器，其设计专为数据中心等高密度计算环境优化。

  

数据中心基础设施巨头：

• Schneider Electric：全球领先的能源管理和自动化解决方案提供商，正在探索3D打印在数据中心电力和冷却系统中的应用。

• Vertiv：关键数字基础设施技术提供商，正研究3D打印如何提高其产品的性能和可靠性。

技术和云计算领导者：

• OpenAI、Google、Meta和Amazon：作为AI和云计算服务的主要提供商，这些公司对高效散热解决方案有着巨大需求，可能成为增材冷却技术的早期采用者。

• GE Vernova：通用电气旗下专注于电力和能源业务的公司，正在探索增材技术在能源效率提升方面的潜力。

这些公司的参与表明，增材制造在数据中心领域的应用已经开始从概念阶段转向实际部署，覆盖了从组件制造到系统集成的各个环节。AM易道最后聊两句当数据成为新石油，冷却技术成为数据中心的生命线，增材制造能否成为这场数字基础设施革命的关键推动力？延伸阅读：收编加拿大+墨西哥+格陵兰的美三维帝国？3D打印行业的另类视角
面对预计到2035年全球数据中心行业可能增长400%的惊人预测，我们是否已经准备好迎接这一挑战与机遇？增材制造技术在数据中心领域的应用正处于起步但快速发展的阶段。随着数据中心需求的持续爆发性增长，3D打印技术的市场渗透率预计将显著提升。AM易道认为，增材制造企业应认真考虑将数据中心市场作为其长期业务战略的核心组成部分。在这个数字经济与实体制造交汇的新兴领域，先行者将有机会定义行业标准，创造持久的竞争优势。