每兩年一屆的電子熱管理領域全球頂級學術會議ITHERM 2025于5月27日-30日舉辦，會議前期還開展了ASME K-16/IEEE EPS冷板設計競賽。要求參賽者根據要求設計出盡可能強大的冷板，并由組委會指定的電化學3D打印技術開發商Fabric8Labs進行增材制造，由英特爾和普渡大學S-PACK實驗室進行性能測試。該比賽獲得了先進液體冷卻技術開發商Accelsius和汽車制造商豐田的資助。

本次競賽旨在激發學生的創新設計能力，推動增材制造技術在熱管理領域的應用。競賽要求學生團隊設計、分析和優化一個可3D打印的散熱器（冷板），用于冷卻采用強制對流水冷的恒定熱流功率電子模塊。

設計要求

散熱片與底板尺寸：散熱片尺寸為75.5 x 56.5 x 3mm，底板尺寸為100 x 80 x 1.6mm。最小特征尺寸為0.100mm（XYZ）；XY方向最大特征尺寸0.500mm；Z方向最大特征尺寸為3mm；最小特征懸伸角度20°。

邊界條件仿真：仿真流量范圍為1– 2L/min，功率負載為350W，冷卻液入口溫度為20℃；必須使用提供的模型進行仿真。

增材制造約束：冷板將使用純銅進行3D打印，預期有效熱導率約為380 W/m·K；表面粗糙度可假設為1.5μm，但可能因幾何形狀而異。Fabric8Labs將進行增材制造設計（DfAM）評審，確保設計的可制造性。

組委會將評估整體設計的最小化壓降、熱阻等以及設計美感。鼓勵創造性，并獎勵傳統制造方法無法實現的新型結構。所有提交的冷板將在英特爾進行實驗評估，實驗結果將與模擬結果進行比較。

十五進四

中國學生團隊占三席

3D打印技術參考注意到，組委會最終在世界各地的15個設計中，評選出四支優秀團隊，分別為：

1.中國諾丁漢大學，Congrui Ma、Junren Mao、Hongzhuo Zhu 和 Jikun Qi

2. 布里斯托大學Yue Heng Tan；謝菲爾德大學Adam Blackwood；諾丁漢大學Nimrit Kanwal；伯明翰大學Derin Catstaban；拉夫堡大學Isaac Waters

3.香港中文大學，王曉彤、高子軍

4. 滑鐵盧大學Joseph Nonso Orakwe和阿爾伯塔大學Alex Inoma

方案一：仿生學設計和結構優化

方案一：來自中國諾丁漢大學的團隊采用仿生學設計和結構優化，冷板中心區域有2296個導向微散熱片，兩側有導流墻引導冷卻液，并在邊緣區域形成高速區域。冷板創新采用了可定制的微鰭和帶孔隙的導流墻結構。微鰭設計靈感源自渦輪風扇葉片，通過密集排列的流線型葉片脈絡，顯著增大了散熱面積，提升了對流換熱效率。同時，導流墻的設計則巧妙地引導液體流動，在邊緣區域形成高速流動區，進一步增強了散熱效果。這種仿生設計巧妙融合了渦輪葉片的形狀與葉脈的分支模式，既增大了散熱表面積，又確保了冷卻液的均勻分布，并最小化了壓力損失。

在技術細節上，冷板的設計包含了多個關鍵特征：葉脈狀流體通道模仿葉脈的分支模式，確保冷卻液均勻流動并減少壓力降；通道寬度和間距經過精心優化，以實現最佳的冷卻液流動；微鰭以交錯模式排列，進一步最大化散熱面積并增強熱傳遞；導流墻的曲率和導向孔也經過精心設計，以有效引導冷卻液流動，提升整體散熱性能。

模擬結果顯示，在2L/min流量下，冷板底部的平均溫度為307K，在1 L/min流量下為301K。壓力分布顯示入口最大壓力為1820Pa（2L/min）和494Pa（1L/min），壓力降為720Pa，顯著低于基準冷板。

方案二：展示支柱晶格在熱管理中的前景

方案二的靈感源自日本傳統的籃子編織工藝中的Kagome圖案，并結合了建筑領域中的樹木仿生結構，旨在通過增材制造技術實現高效散熱性能。Kagome點陣結構以其獨特的幾何形態，能夠有效減少壓力損失、熱阻及重量，成為冷板設計的核心要素。

冷板由一對水平鏡像的錐形結構構成，中央設有垂直支柱，整體呈現錐形Kagome點陣模型。這種設計不僅增強了結構強度，還顯著提升了散熱效率。為確保設計滿足尺寸限制并實現最佳性能，團隊進行了多輪參數調整。通過增材制造技術，成功實現了復雜構建方向和小特征尺寸的精確控制。

與標準平面翅片模型相比，Kagome設計的性能指標（FoM）提升了11.38%，達到74.49%。這主要得益于翅片板質量的顯著減少（64.77%）以及壓力降的降低。

方案三：創新融合混合翅片

方案三創新性地融合了流量調節壁、矩形翅片和針狀翅片，通過流量調節壁精準分配冷卻液，有效冷卻角落區域的熱點；矩形翅片增強局部熱傳遞；而針狀翅片則顯著降低整體質量。此外，該設計還實現了較低的壓降，并優化了冷卻液在冷板內的流動路徑。

借助FLUENT對這款混合翅片冷板的熱傳遞和流體流動性能進行了全面評估。在入口溫度為20°C、流量為0.5加侖/分鐘（GPM）且加熱功率負載為350W的條件下，冷板表現出色，熱點溫度控制在314.5K，總壓降僅為2.12kPa，基于成本的性能指標（FOM）高達0.712。相較于傳統的直通道設計，這款混合翅片冷板在降低總質量和壓降方面表現出色，從而實現了更高的FOM值。

方案四：熱流體拓撲優化+智能共形點陣

方案四通過融合熱流體拓撲優化與智能共形點陣結構等前沿設計方法，并結合其他關鍵傳熱增強技術，成功設計出一款高效、輕量化的散熱器。設計過程中充分考慮了電化學增材制造（ECAM）的技術特性，確保了設計的可制造性與高性能。據3D打印技術參考了解，方案四在所有方案中取得最終冠軍。

該技術方案的核心是一個具有三維鰭片結構的裝置，具有精細的內部微通道結構（通道寬250μm），能在10毫米尺寸的平板中高效散熱。相比500μm微通道散熱器，熱阻降低7%、散熱效率更高。

初步對比模擬結果顯示，在0.5至1.0gpm的流量范圍內，該散熱器的質量基熱工水力性能指標（FOM）平均提升了16.2%。具體而言，其重量減輕了55%，壓力降預測值始終較低（降低21%-34%），且冷卻性能與具有強大冷卻能力的微通道散熱器相當。此外，散熱器的增材制造檢查與原型制作也驗證了其良好的可制造性，滿足了懸垂、特征尺寸等打印約束。

先進的熱管理解決方案已經成為提升產品性能的關鍵技術手段。尤其是借助3D打印技術，通過拓撲優化和網格化技術生成物理驅動的優化設計，進而獲得輕量化高效的冷卻結構。該流程適用于電子設備散熱、汽車散熱系統、航空航天熱交換器等高效熱管理和流體控制領域，是一種通過減輕重量和降低壓力損失來提高效率的優化方案。

基于銅的高效熱交換器3D打印正在發揮巨大優勢，尤其是具有極小細節特征的結構，高精度的3D打印工藝如電化學與綠激光3D打印正在脫穎而出。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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