【3D列印】鋁合金3D列印散熱器拓撲優化案例

飛機上的散熱器，不只是散熱零件

這款造型特殊的散熱器來自 CELLSIUS 與蘇黎世聯邦理工學生團隊，他們正為自行改裝的氫動力小型飛機設計動力系統。

對航空應用而言，散熱器並不只是附屬配件，而是同時影響重量、阻力、航程與整體氣動表現的重要零件。每增加一克重量，都可能影響飛行效率，因此團隊開始重新檢視傳統散熱器中常被忽略的結構。

傳統分水腔，可能讓大量散熱面積沒有真正發揮作用

傳統熱交換器除了翅片密度與流道尺寸之外，分水腔同樣會直接影響實際散熱效果。

如果入口附近的通道流量過大，而遠端流道幾乎沒有足夠流體通過，就會形成明顯的流場不均。此時，即使散熱器具有大量翅片，部分換熱面積仍無法有效工作，卻依然增加整體重量。

同時，不均勻流場也可能帶來額外壓降，使幫浦必須消耗更多能量推動冷卻液。

3D列印一體成形：分水腔與換熱本體直接整合

這款散熱器整體尺寸約兩個手掌大小，右側密集孔洞為空氣側流道。

從零件表面可看出，分水腔與熱交換本體沒有傳統焊接、螺接或裝配痕跡，而是直接透過金屬3D列印一次成形。

一體成形的優勢不只是減少零件數量，更重要的是設計者可以同時優化分水、流道、殼體與散熱結構，而不必受到傳統加工與組裝方式限制。

不是「畫出形狀」，而是讓演算法生成流場結構

CELLSIUS 的設計方式並不是先決定一個固定幾何造型，再進行微調。

團隊先將可使用的空間、進出口位置、流量與設計目標設定為限制條件，再由設計工具同時評估流場與熱交換表現，逐步生成最終幾何結構。

他們選擇 ToffeeX 的原因之一，就是能夠針對兩股流體之間的熱交換直接進行多物理場設計與優化。

把冷卻液逼向遠端，改善流量分配

冷卻液由左上方入口進入後，並沒有直接流向最靠近入口的前幾排流道，而是先被導向腔體底部，再沿著底部橫向流動，最後由下往上分配至十多條通道。

外觀看似生物觸手的分支結構，其實是伸入分水腔中的實體填充結構。

這些幾何特徵會壓縮近端空間，把流體推向原本較難取得流量的遠端區域，同時占據傳統分水腔中容易形成死水區的位置。

流量更均勻、阻力更低，整體重量也能下降

根據團隊說法，新設計能讓散熱器內部流速分布更加均勻，同時降低流動阻力與冷卻液需求量。

他們引用的研究結果指出，若將傳統分水腔替換為這類優化結構，整體散熱器重量可降低約 20%。

原因並不只是分水腔本身變輕。當流場更均勻時，相同散熱量可以用更短的熱交換本體完成；壓降降低，也可能進一步減少幫浦、管路及冷卻液需求。

金屬3D列印還必須同時考慮可製造性

這類複雜內流道設計雖然高度適合增材製造，但並不代表可以完全忽略製程限制。

金屬粉末床熔融列印內部流道時，必須確保未熔融粉末能在完成列印後順利排出，同時盡量避免內部產生無法移除的支撐。

殼體壁厚也必須盡可能降低，卻不能犧牲成形穩定性與結構強度。因此，蜂巢狀強化結構可以利用六角筋網提供支撐，使外殼維持較薄壁厚，同時承受內部壓力。

為什麼選擇 AlSi10Mg 鋁合金3D列印？

單獨看分水腔，它的主要任務只是引導與分配流體，本身並不需要高導熱性，因此理論上甚至可以使用尼龍等材料製作。

但真正要發揮金屬3D列印的優勢，就需要將分水腔與熱交換本體直接整合成單一零件，而熱交換區域本身必須具備良好的導熱性能。

因此，像 AlSi10Mg 這類適合金屬增材製造的鋁合金，就成為相當合理的材料選擇。