农场主新思路：美国陆军实验室的FDM金属3D打印散热器研究

昨天我们讲了TVF有大量金属丝材可以适用更高端的应用。

TVF：一个美国老汉梦想实现平价金属3D打印的地下室创业故事

今天我们来看一个FDM金属3D打印散热器的研究，研究方之一是美国陆军：

东北大学机械与工业工程系联合美国陆军研究实验室（DEVCOM Army Research Laboratory）在最新一期《Additive Manufacturing》（IF=10.998）上发表重磅研究成果，揭示了通过结晶度调控和退火优化。

将FDM打印金属及复合材料的导热性能进行了全方位测试及提升。

电子散热的困境与突破

在当今科技飞速发展的时代，电子设备的能量密度正以前所未有的速度攀升。

无论是高性能计算中心的处理器，还是便携式电子设备的电池，散热问题已然成为制约性能提升的最大瓶颈。

通过软件可以设计出各种拓扑优化的复杂散热结构，如何将这些设计实现，几乎只有靠3D打印。

在众多增材制造技术中，熔融沉积成型（FDM）因其成本低廉、操作简便而备受青睐。

然而，传统FDM打印件的导热性能往往不尽如人意，特别是在层间界面处，往往会形成严重的热阻，导致整体导热性能大打折扣。

这个问题就像是在热量传递的高速公路上设置了无数"关卡"，严重影响了散热效率。

材料选择：两种截然不同的导热策略

研究团队选择了两种极具代表性的商用导热复合材料作为研究对象：来自The Virtual Foundry的Cu-PLA和TCPoly的Graphite-PA6。

这两种材料虽然都采用了约50%的填充比例，但在填料形貌和基体材料的选择上却走了完全不同的道路。

通过扫描电镜观察（图2），Cu-PLA中的铜粉呈现出粒径在75±50微米的球形颗粒，分布均匀，这种各向同性的结构设计旨在提供稳定的三维导热网络。

而Graphite-PA6则采用了75±25微米的石墨团聚体，每个团聚体由多个片状晶体组成，这种各向异性的结构设计在定向排列后可以形成高效的热传导通道。

揭秘FDM打印的微观世界：从缺陷到完美的蜕变

当我们将目光投向FDM打印件的微观世界，通过高倍显微镜，能看到影响导热性能的"罪魁祸首"—层间界面缺陷。

研究团队通过精心设计的实验，为我们呈现了一幅生动的演进图谱（如图1所示）。

我们看到了从杂乱无章到井然有序的惊人转变：最初的未优化状态布满层间缺陷，而经过精心优化后的样品则展现出显著改善的界面质量。

令人兴奋的突破出现在退火处理阶段。

当温度提升到玻璃化转变温度以上时，微小的"裂痕"开始自发愈合。

特别是对于Graphite-PA6材料，这种转变带来了超过200%的性能提升！

然而，科技创新往往是一把双刃剑。当退火温度超过熔点时，虽然界面得到了完美融合，但样品的几何精度却难以保持。

FDM的精细调控：z-offset与打印方向的重要性

研究团队首先深入研究了打印参数对材料性能的影响。

在图5中，我们可以清晰地看到z-offset参数与打印件密度之间存在着显著的线性关系。

特别值得注意的是，当计算密度达到100%时，Cu-PLA样品仍然存在少量孔隙，而将z-offset调至负值使密度达到121%时，才能获得致密的内部结构。

这个结论AM易道再来解释下：

当我们按照常规设置打印时（也就是计算密度达到100%的情况），打印出来的Cu-PLA材料看似应该是完全填满的，但在显微镜下却依然能看到一些小气泡或空隙，就像一块看似结实的奶酪里仍然存在小孔一样。

有趣的是，当研究团队刻意将打印头往下压（将z-offset调至负值），使材料被挤压得更紧密时，计算密度达到了121%。这就像是把奶酪又压实了一些，终于获得了完全致密的内部结构，没有任何小孔或空隙。

这个发现非常重要，因为在导热材料中，任何微小的空隙都会影响热量的传递，就像是在高速公路上突然出现了小坑洼，会影响车辆的通行。

通过这种"过度填充"的方式，研究团队成功制造出了更加致密的材料，为提升导热性能奠定了基础。

而在打印方向的研究中（图3），团队发现强轴和弱轴方向的导热性能差异显著。

样品制备过程很细节，研究团队设计了一套"双向测试法"。对于弱轴测试，团队直接打印出一系列厚度各异的圆盘，就像制作一摞薄饼；

而强轴测试则采用了"先高后切"的策略—先打印一根笔直的圆柱体，再像切面包一样将其分成不同厚度的圆片。

从结果来看，Cu-PLA在强轴方向的导热系数为0.89 W/m·K，比弱轴方向高31%。

而Graphite-PA6的差异更为显著，强轴方向达到了2.51 W/m·K，是弱轴方向的3.48倍。

突破性发现：热处理解锁导热性能提升

对FDM打印件进行热处理，是必备过程。

研究团队通过系统的实验设计，探索了100℃、135℃和170℃三个温度点，处理时间从0延伸至14小时。

通过图6中的扫描电镜观察，我们可以清晰地看到界面缺陷（图中红圈标注）随着退火时间的延长逐渐愈合的过程。

最令人振奋的是，在135℃退火6小时的工艺条件下，两种材料都展现出最佳性能提升。

Cu-PLA的弱轴导热系数从0.66 W/m·K提升至0.85 W/m·K，提升幅度达29%。

同样，Graphite-PA6的导热性能也实现了14%的显著提升。

这就像是为热量传递修复了一条条断裂桥梁，让热量可以更加顺畅地流动。

值得注意的是，研究团队还制备了热轧样品作为对照，这些没有打印界面的样品展现出更高的导热性能。

Cu-PLA热轧样品比退火后的打印件高出42%，而Graphite-PA6则高出27%。

结晶度的精妙调控：解开导热提升的密码

研究团队有一个有趣的发现：高分子基体的结晶度与导热性能之间存在着密切关联。

结晶区域就像是为声子（热量的载体）搭建了一条条"高速公路"，而非晶区域则更像是"乡间小路"。

通过差示扫描量热法（DSC）测试发现，Cu-PLA在快速冷却（-20℃/min）时几乎不形成结晶（Xc = 0%），而慢速冷却（-1℃/min）可以获得27.3%的结晶度。

同样，Graphite-PA6在这两种冷却条件下的结晶度分别为47.7%和54.6%。这种显著的差异直接影响了材料的导热性能。

特别是对于Graphite-PA6来说，当将结晶度提升至约60%时，其强轴方向的导热系数竟然达到了惊人的6.36 W/m·K。

这一数值已经可以与常见的导热硅脂相媲美，展现出FDM打印复合材料在高性能散热应用中的巨大潜力。

实战检验：散热器性能测试

理论研究的价值最终要通过实际应用来检验。

研究团队设计了一款独特的五翅片散热器（如图8所示），并对不同材料、不同打印方向的散热器进行了全面的性能测试。

测试装置包括一个精心设计的风洞系统，可以准确测量散热器在被动和主动散热条件下的温升情况。

研究团队开发的风冷测试平台（如图4所示）：5W帕尔贴加热源就像一颗稳定跳动的"心脏"，源源不断地提供热量；

精密的温度传感器犹如敏锐的"神经元"，时刻监测着系统的温度变化；

可调节的风扇系统则模拟着现实世界中千变万化的散热环境。

测试结果令人振奋：

• 铝制散热器：被动散热ΔT = +48K，主动散热ΔT = +28K
• Cu-PLA散热器：被动散热ΔT ≈ +59K，主动散热ΔT = +42~44K
• 优化后的强轴Graphite-PA6散热器：被动散热ΔT ≈ +50K，主动散热ΔT ≈ +31K

最令人惊喜的是，经过热处理优化的强轴Graphite-PA6散热器，其温升仅比铝制散热器高出约3℃，而重量却减轻了44%。

这一突破性成果证明，通过材料设计和工艺优化，FDM打印的复合材料散热器在某些应用场景（比如此实验环境下的风冷）不输金属散热器。

AM易道最后聊两句

纵观整个研究，我们看到了FDM金属及复合打印在材料科学和工艺创新层面取得的突破性进展。

然而，这仅仅是一个开始。

美国陆军实验室的这项突破性研究，传递了一个振奋人心的信号：平价的FDM技术同样可以在高端工业应用中大放异彩。

当导热性能提升2.5倍，当打印件的重量可以减轻44%，当性能可以直逼其他金属打印技术，我们不得不重新思考产业格局。

不论FDM技术的天花板，其经济性和易用性为中小企业和个人用户带来了新的创新机遇。

当平价3D打印技术像本研究一样开始敲击工业应用的大门，我们没有理由继续把自己局限在玩具模型的天地里。

致每一位仍在默默推动3D打印技术进步的创新者：无论你是科研人员、农场主、创客，还是怀揣工业级应用梦想的爱好者，AM易道都愿意成为同路人和见证者。

希望本文的研究能够带来启发。更多研究细节请参考文末的DOI信息。

如果读者对本文提到的FDM或散热研究有更多见解或者应用设想，欢迎在5天后的IAME大会与我们交流讨论。

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Reference: 1.https://doi.org/10.1016/j.addma.2024.104265

2. https://thevirtualfoundry.com/