冷凝作为一种基础的热力学相变过程，在制冷与空调、水收集、海水淡化、电子设备热管理以及发电等领域均发挥着关键作用。围绕如何提升冷凝传热效率，学界长期以来形成了两条主要技术路线：膜状冷凝（filmwise condensation）与滴状冷凝（dropwise condensation）。在膜状冷凝中，冷凝表面会持续覆盖一层厚度从微米到毫米量级的液膜，该液膜引入了额外的寄生热阻，显著削弱了传热性能。相比之下，滴状冷凝以离散液滴的形式进行，液滴生长至毛细长度尺度后在重力作用下脱离表面，暴露出新的冷凝面积，因而具有更高的传热系数。然而，在工业实践中，大量应用场景依赖低表面张力流体（如介电流体和各类制冷剂），这类流体的强润湿特性使得冷凝几乎不可避免地以膜状模式进行，传热性能受到显著制约。

针对这一瓶颈，来自北卡罗来纳州立大学（NCSU）与Advanced Cooling Technologies, Inc.（ACT）的研究人员提出了一种基于3D打印收敛式吸液芯结构（converging wick structures）的流冷凝器设计。其核心思路在于：将冷凝界面从光滑壁面转移至金属多孔吸液芯内部，利用金属芯体的高有效导热率降低冷凝液膜的热阻，同时通过沿流向逐渐收敛的流道拓扑增强尾部区域的对流效应。

该团队采用选区激光熔融3D打印技术，分别采用高导热铜合金GRCop-42和高耐蚀不锈钢17-4 PH材料，制备了两组几何结构完全一致但材料热导率差异显著的芯流冷凝器样件，并对其热工水力性能进行了系统的实验表征。

 收敛式吸液芯冷凝器的结构设计

图1展示了该研究所采用的芯流冷凝器的结构设计与3D打印实物。

冷凝器整体由三部分功能区域构成：（a）工质侧的收敛式金属吸液芯流道、（b）冷却水侧的波纹微通道，以及（c）将两者隔开的薄壁传热区。

图1 （a）芯流冷凝器的整体结构示意图，标注了主要尺寸参数；（b）工质侧收敛式吸液芯结构；（c）水侧波纹微通道设计；（d）SLM 3D打印的GRCop-42与17-4 PH冷凝器实物照片。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

收敛式吸液芯的设计遵循了特定的传热强化逻辑。在冷凝器入口段，蒸汽干度较高，蒸汽流速快，此时流道截面较大以保证足够的流通面积；随着蒸汽沿流向逐渐冷凝，干度下降，流道截面同步收缩，从而在低干度区域维持较高的蒸汽流速和对流强度，避免尾部因蒸汽停滞而导致的传热恶化。水侧波纹微通道的作用则是在冷却液侧同步强化单相对流换热，降低整体热阻。

两款冷凝器的主要材料参数如下：

研究人员选取这两种热导率相差近25倍的材料，目的并非简单比较谁更好，而是在同一结构平台上建立材料热物性对冷凝性能影响的定量基准，为后续材料选型提供实验依据。

 实验方法

图2为实验测试系统的示意图。

实验回路主要包括介电流体循环子系统和冷却水循环子系统。介电流体经预热后进入冷凝器测试段，在芯流冷凝器内发生冷凝；冷却水则以相反方向流经水侧波纹通道，带走冷凝潜热。通过调节介电流体的质量流率和过冷度，研究人员得以在不同工况下采集冷凝器的热通量、传热系数、出口蒸汽干度和压降四项核心指标。

图2 冷凝传热性能测试系统示意图。系统包含介电流体回路（供汽/冷凝循环）和冷却水回路（温控循环），通过数据采集系统同步记录温度、压力和流量信号。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

实验的工况参数覆盖范围如下：

• 介电流体质量流率：0.1 ~ 1.1 g/s
• 过冷度（subcooling）：固定于 ~5.5°C

 实验结果

冷凝热通量

图3展示了两组冷凝器在不同质量流率下的冷凝热通量。

GRCop-42铜合金在整个测试范围内均显著优于17-4PH不锈钢，在0.6 g/s工况下达到峰值热通量 24 kW/m²（2.4 W/cm²）。17-4PH的热通量随流率增加呈现先升后降的趋势，峰值约为GRCop-42的四分之一。

这一差异的直接原因在于：GRCop-42的高热导率有效降低了芯体内部的温度梯度，维持了较大的冷凝驱动力（壁面与饱和蒸汽之间的温差）；而17-4 PH芯体内部的温度梯度较大，冷凝界面温度升高，可用温差被压缩，传热速率受限。

图3 3D打印GRCop-42与17-4 PH芯流冷凝器的冷凝热通量随质量流率的变化曲线。GRCop-42在0.6 g/s处达到峰值24 kW/m²。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

传热系数

图4为传热系数（HTC）随质量流率的变化关系。

GRCop-42在1.1 g/s下达到最高传热系数 4.2 kW/m²·K，相较17-4 PH同期数值高出约250%。在低至中流量区间（0.1~0.6 g/s），传热系数的差距尤为显著，GRCop-42的优势接近300%。这表明在热流密度敏感的紧凑型电子散热场景中，高导热金属材料的选择具有关键意义。

图4 两组冷凝器的冷凝传热系数随质量流率的变化。GRCop-42的峰值HTC达到4.2 kW/m²·K。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

出口蒸汽干度与冷凝完全性

图5展示了一个往往被热通量数据所掩盖的关键指标——出口蒸汽干度（exit vapor quality）。

GRCop-42在全部测试流率下出口干度均接近零，意味着进入冷凝器的蒸汽被完全冷凝。而17-4 PH的表现则截然不同：当质量流率从0.1 g/s提升至0.7 g/s时，出口干度从0单调攀升至约0.7，表明在较高负荷下仅有约30%的工质完成了相变。

这一结果揭示了材料热导率对冷凝完全性的决定性影响——17-4 PH的低导热导致芯体尾部温度偏高，无法维持有效的冷凝温差，冷凝过程在尚未完成时便已停滞。

图5 两组冷凝器的出口蒸汽干度随质量流率的变化。GRCop-42在所有工况下均实现近乎完全冷凝，17-4 PH在0.7 g/s时出口干度达0.7。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

压降特性

图6给出了两组冷凝器的两相冷凝压降数据。

GRCop-42的高传热性能伴随着显著更高的流动阻力：在0.6 g/s工况下，压降达到17 kPa，约为17-4PH（约8 kPa）的两倍。在1.1 g/s的高流率下，GRCop-42的压降进一步增至约32 kPa，17-4PH则约为15 kPa。

这一结果反映了热性能与液压性能之间的固有权衡——收敛式吸液芯结构在强化传热的同时增加了流动阻力，而高导热金属芯可能因更活跃的相变过程导致更大的汽液两相动量交换损失。

图6 两组冷凝器的两相冷凝压降随质量流率的变化曲线。GRCop-42的压降约为17-4 PH的两倍。

来源：Ghosh et al., ITherm 2025.

表：主要实验参数汇总

 研究工作的意义

这项研究的价值在于，它并非停留在3D打印可以做出复杂冷凝器的概念层面，而是在统一的结构平台上，用一组严谨的对比实验量化了材料热导率对冷凝器核心性能指标的影响。

此前，业界对于金属芯冷凝器到底能做到什么程度缺乏定量的材料对标基准，而GRCop-42与17-4 PH之间350 W/m·K与15 W/m·K的两条性能曲线，为后续的工程设计提供了明确的参照。

从增材制造的角度看，该工作进一步展示了SLM 金属3D打印工艺在热管理器件领域的应用潜力。收敛式吸液芯与波纹微通道的一体化结构，传统减材制造难以实现，3D打印则可以在一次成型中完成，使流道拓扑优化真正从传热机理出发而非受限于工艺约束。

从材料选型的角度看，研究结果揭示的性能-压降权衡关系也具有指导意义。GRCop-42适用于追求极致传热密度的场景（如高功率电子模块液冷、紧凑型两相散热系统）；17-4 PH则可在对耐腐蚀性要求严苛、热负荷中等的工况下（如海洋环境、户外通信设备）作为一种务实的替代方案。研究团队也指出，对于中等/适度热性能的应用需求，17-4 PH的耐腐蚀优势可能使其成为更具寿命经济性的选择。

该工作的扩展版本已发表于International Journal of Heat and Mass Transfer（Volume 243, 2026, 126428），研究团队正在进一步探索梯度化吸液芯结构的设计空间。对于从事3D打印冷板、散热器以及两相流热管理器件开发的从业者而言，这条技术路线值得持续关注。

论文引用

Durga Prasad Ghosh, Behzad Ahmadi, Vivek Mano Mohan, Mohammad Reza Shaeri, Sajjad Bigham,Thermohydraulic Characterization of 3D-Printed Metallic Wick Flow Condensers, 2025 24th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Dallas, TX, USA, 27-30 May 2025. DOI: 10.1109/ITherm55376.2025.11235706.

扩展版期刊论文

Ghosh et al.,Tailored flow condensation of low surface tension fluids via additively manufactured gradient wick structures, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 243, 2026, 126428. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126428

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在2025-2026年度ASME K-16电子设备传热委员会/IEEE ITherm学生冷板设计竞赛中，宁波诺丁汉大学MicroAero团队凭借一份兼具理论深度与制造可行性的3D打印冷板设计，从全球多所高校中脱颖而出。

竞赛要求参赛团队在给定的功率分布和流量条件下，设计一款液体冷板，在满足增材制造约束的前提下，最小化热阻与压降。MicroAero团队提交的设计方案，呈现了一套完整的分层多尺度热工-水力学设计方法论。最终设计，与基线值相比压降降低54.8%，品质因数（FoM）达到0.038。

本期3D科学谷将分享竞赛主办方披露的技术文件，供专业读者快速了解其设计脉络。

 1. 设计描述

为解决高热通量耗散与水力学压降之间的严峻权衡问题，本冷板架构采用了一种结合宏观热引导与微观水力学重构的系统性衍生策略。该设计融合了流体动力学边界层控制的理论原理与电化学增材制造（ECAM）的精度。利用纯铜卓越的导热系数（k ≈ 380 W/(m·K)），构建了复杂的三维流体网络，体现了“材料服从功能”的设计理念。

图1：冷板概览：(a) 俯视图，展示整体分支通道布局；(b) 侧视图，突出分层结构与流动路径。

1.1. 宏观架构：物理驱动的拓扑优化

其主要形态源于结合了热-流体物理的数学优化。在 36×29×2 mm 的设计域内，采用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法实施了基于密度的拓扑优化。目标函数在给定功率分布下最小化体积平均温度，从而生成物理驱动的分支式热输运路径。

目标热分布映射。 如图1(a)所示，该算法优先最小化整体热柔度，以生成类似生物脉络的分支式热输运路径，并根据竞赛特定的功率分布进行了精细化调整。

骨架结构。 这些分支骨架结构作为热输运主干，将热量从高热通量中心区域（H区）快速传导至外围，同时界定主要的流体通道，如图1(b)所示。然而，仿真结果表明，原始拓扑中连续的固体壁面导致热边界层增厚，并在收缩区域附近形成流动停滞区，这需要在微观细化阶段加以解决。

1.2. 微观细化：边界层重启与混合化

为克服原始拓扑的性能限制，在骨架结构中融入了微观特征增强措施，实现了传热与压降的平衡优化，如图2所示。这些措施包括流线型通道、集成式域切片、变密度针肋阵列以及倒三角形开孔。

图2：微观细化特征：(a) 针肋设计；(b) 三角形性能设计；(c) 集成式切片设计。

用于降低流动阻力的流线型通道。 所有内部通道均采用流线型设计，以消除尖锐拐角和滞流空腔，减少流动分离并确保稳定的速度场。

用于边界层重启和降低压降的集成式域切片。 如图2(c)所示，连续的拓扑壁（销钉3）被周期性地分割成不连续的导流叶片，以触发边界层重启机制。这迫使热边界层在每个前缘重新发展，维持较高的局部对流传热系数，同时通过受集成切片架构启发的缩短流动路径来降低压降。

用于均匀热流和促进湍流的变密度针肋阵列。 利用ECAM的高分辨率，在低速通道内布置了非均匀的微型针肋（销钉1），如图2(a)所示。这些针肋作为湍流促进器，通过尾流涡流增强流体混合，并增加固-流界面面积，实现均匀的热流分布。

用于改善流动分布和形成三维旁路网络的倒三角形开孔。 沿主要热脊在销钉2处引入了倒三角形开孔，以平衡整体压力场，如图2(b)所示。这种几何构型自然地将流线引导至相邻通道，最小化收缩和扩张损失，并形成一个三维旁路网络，缓解压力积聚。

 2. 设计分析

本冷板架构的设计目标包括两个方面：增强传热性能和降低压降。如图3所示，冷板设计侧重于拓扑优化，以探索最佳的材料和通道配置。同时，采用针肋来增强传热性能，并采用流线型通道、集成式切片和三角形开孔来降低压降，从而提升冷板的整体性能。

图3：冷板设计优化框架

2.1. 传热性能优化

2.1.1. 用于改善传热的拓扑优化

拓扑优化是一种通过数学算法自动确定最佳材料分布的设计方法。为了获得最佳的流道配置，在冷板的二维可设计区域内实施了基于密度的拓扑优化。与流体接触的微通道层被定义为设计域。为了最小化设计域内固体结构的体积平均温度，其数学表达式为：

其中T是温度，Ω表示设计域。主要约束是将固体材料体积分数维持在 ≤ 0.6。伪密度 γ（范围从0（固体）到1（流体））被用作设计变量。使用固体各向同性材料惩罚（SIMP）方法对材料属性进行插值，达西惩罚因子为0.05。采用移动渐近线法（MMA）进行迭代求解，并辅以亥姆霍兹滤波器以消除棋盘格图案并确保清晰的通道边界。拓扑优化的结果如图4所示。

图4：拓扑优化结果：(a) 根据热分布生成的通道配置，蓝色区域代表流体域，其他区域表示固体壁面；(b) 由优化几何形状导出的相应流线路径；(c) 受这两项观察启发，展示了集成式设计理念，其中初始通道被选择性切片和重构。

2.1.2. 用于均匀热流的针肋设计

对冷板的研究表明，添加针状结构增加了传热面积，增强了流体的湍流程度，从而提高了传热的均匀性，但也增加了流动阻力。对各种针肋几何形状和尺寸进行了比较研究，以评估其热工-水力学性能。相应的结果总结于附录B中的表B1和图B1，结果表明选择针(f)用于最终设计，如图2(a)所示，因为其几何形状和空间布置在增强传热与水力学损失之间提供了最有利的平衡。同时，为了获得均匀的热流，采用了变密度的针肋布置，在热关键区域集中更高的针密度，同时在压力敏感流动路径中保持水力学透明性。

在最终设计中，MicroAero团队使用了两个形状完全相同但其中一个带有三角形孔的针。这些针放置在拓扑模型的间隙和较宽的通道中。三个具有变密度布置的区域：低热和无热源区域、高热区域以及高热区域的入口侧。它们依次采用中密度、高密度和低密度布置。关于针间距的具体数据，请参阅附录B。

2.2. 压降优化

当传热效率提高时，压降通常会增大，而更大的压降会导致更高的系统能耗，最终恶化整体传热性能。压降是指流体流经通道时所经历的压力降低，由摩擦、加速和局部损失等因素引起。通道尺寸、流动平滑度和流体流速都会导致压力损失的增加。

2.2.1. 用于降低流动阻力的拓扑引导流线型通道设计

基于原始的拓扑优化结果，参考二维速度场对最终流道进行了流线型优化。先前的研究报道，适当的流线型通道可以在保持均匀流动分布的同时，将压降低15.9%–25.1%，因为去除尖锐拐角和死区有效地抑制了流动分离和回流。如图4(c)所示，拓扑衍生的通道结构为流线型重新设计奠定了基础，所有内部通道都进行了流线型处理，以消除尖锐拐角和滞流空腔。

2.2.2. 用于降低压降的针肋-拓扑集成式切片

受微通道冷板的启发，我们的设计采用了并联单元架构。微通道冷板近来成为热门话题，因为它们有助于改善沿流动路径的流体分布并降低局部压降。在主通道中，沿流动方向采用了平行切片设计，以进一步增加传热表面，如图2(c)所示。在保留优化拓扑结构主通道的同时，切片结构将液体分配到多个平行的微通道单元中，有效缩短了流动路径，从而降低了压降。

2.2.3. 用于改善流动分布的三角形开孔

已有研究表明，开孔能有效降低压降，因为它们为流动提供了额外的旁路路径并减轻了压降。为了进一步平衡全局压力场，在主脊的侧壁引入了倒三角形开孔，如图2(b)所示，并给出了详细的尺寸和配置。三角形形状自然地引导流体从高功率区域自由流向低功率区域，使得该设计不仅有效，而且适合制造。

 3. 预测品质因数

基于指定流量（1.2 lpm）下的有效热阻和压降，使用品质因数（FoM）量化冷板的性能，计算公式如下：

其中最大热阻和压降定义为：

FoM的最终值和模型数据如表1所示。

表1

通过拓扑优化，该设计建立了高导热的热路径，从而最小化了全局热阻，而针肋的集成则通过增加界面面积和诱导湍流，有效强化了对流传热。同时，流线型通道和三维三角形开孔的实施确保了这些热性能的提升是以最小的水力学代价实现的，保持了平衡的热工-水力学特性，并在芯片表面实现了均匀的流动分布。冷板结构随品质因数（FoM）的演化过程如图5所示。随着FoM从-0.8342增加到最优值0.0375，流道变得更加精细化，以平衡热阻和压降。

图5：迭代设计过程与FoM的提升

图6进一步展示了这一最优设计的详细热工和水力学性能，从中可以观察到，在高功率和低功率加热区域，固体域和流体域之间的温差极小，表明散热均匀性良好。此外，压力分布显示最大压力出现在入口附近，同时整体压降较低，证明了降低流动阻力的优化是有效的。

图6：最优冷板设计的详细热工与水力学性能：(a) 固体基板中的温度分布（梯度）；(b) 冷却液中的温度分布（梯度）；(c) 内部压力分布。

 4. 增材制造

与传统的金属增材制造（如粉末床熔融）不同，ECAM能够实现33.33 μm的最小特征尺寸。这一高分辨率最大化了冷却液与板的接触面积，并增强了三维设计自由度，从而能够在牺牲热通量的情况下最小化压降。ECAM实现的关键创新总结如下。

特征尺寸： 组委会规定了x-y平面内的最小特征尺寸为33.33 μm。然而，为了适应几何建模软件的限制并提供更稳健的设计余量，本研究采用了保守的100 μm最小特征尺寸，并且该设计也符合沿z轴0.03 mm 的最小限值。此外，为了提高制造可靠性并确保与增材制造约束的兼容性，系统地移除了低于既定100 μm 的销钉等x-y尺寸特征。

悬垂特征： 从增材制造的学术角度来看，三角形通道的设计代表了制造可行性的成功协同优化。在几何约束方面，该设计的侧壁与底面夹角为 75°，显著超过了20°的最小悬垂角限值，确保了在化学气相沉积过程中的自支撑特性，并有效避免了因缺乏辅助支撑而导致的结构倒塌或基底轮廓变形。

选择性分布的针和翅片： ECAM 工艺的使用使得能够根据局部冷却液流动需求，选择性地布置三维针状和翅片结构。这种结合了 2.5D 和 3D 几何形状的非均匀特征分布，代表了增材制造所独特实现的设计自由度。这种灵活性使得压降与换热表面积之间的权衡得以有效平衡。

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2026年6月，在COMPUTEX 2026展会中，以制造主板闻名的厂商技嘉（GIGABYTE），向外界呈现了一款在散热设计层面突破传统边界的40周年纪念旗舰——X870E AORUS INFINITY NEXT。这款产品最值得留意的技术特征在于，它首次将金属3D打印散热结构作为关键设计要素，引入消费级主板领域。

在下一代PC硬件功耗大幅度攀升的技术背景下，传统散热技术已逼近物理极限。技嘉将金属3D打印技术作为高端PC主板的散热解决方案，无论对消费级主板应用端，还是对于增材制造产业链而言，都是一个不应被忽视的信号。

© GIGABYTE 技嘉

 PC散热的临界点

我们首先通过一组数据，快速感受一下消费级PC硬件所面临的散热压力。

AMD在2026年4月发布的Ryzen 9 9950X3D2双X3D缓存台式处理器，其官方TDP（热设计功耗）为200W。但据媒体报道，该处理器的封装功耗（PPT）高达250W，在多核心高负载测试中温度可达95–96°C。面对这样的散热压力，传统风冷已经不堪重负。

英特尔方面的情况更为激进。据多方报道，Intel下一代桌面旗舰平台Nova Lake-S的双计算芯片版旗舰型号，极限满载功耗超过700W，相比现款旗舰酷睿Ultra 9 285K极限解锁状态下约370–400W的功耗几乎翻倍。来自TweakTown的报道进一步指出，52核型号在完全解锁状态下需要700–800W的功耗，仅最高端的900系列主板才能支持其全部性能释放，其中关键是主板必须具备先进的电压调节模块（VRM）设计和更强的VRM散热能力。

显卡领域同样面临功耗激增。英伟达GeForce RTX 5090公版TDP为575W，但在高负载游戏或AI推理场景下，实际功耗可触及600W，瞬时峰值甚至接近900W。

AI芯片领域的局部热流密度同样正逼近物理极限。据北美智权报的分析，当前先进制程芯片的局部热流密度正逼近1 kW/cm²级别。如果将太阳表面每平方厘米的辐射功率约合6kW作为参照，也就是说，芯片某些区域的发热强度已接近太阳表面辐射功率的六分之一。传统气冷方案已无法将结温维持在安全范围，成为制约HPC系统稳定性的最大瓶颈。

 技嘉的回应：3D打印散热架构

功耗越高，热流密度越大，而热流密度越大，对热管理方案的要求就越高。与火箭发动机、AI数据中心等应用领域类似，当传统散热方案逼近极限时，金属3D打印技术凭借实现复杂结构设计与结构功能一体化的优势，成为业界探索颠覆性散热方案的重要载体。技嘉此次在旗舰主板中亮出的金属3D打印技术，正是这一路径的体现。

据技嘉官方消息，技嘉这次发布的X870E AORUS INFINITY NEXT是其产品序列中的旗舰型号，专为最新AMD Ryzen 9950X3D2处理器打造，搭载64相供电设计，整合低轨卫星与数据中心级Quad OptiMOS技术，最高可提供5,120安培总电流。该主板采用火箭推进器等级散热材料，其创新的AI Gyroid M.2散热结构仅能通过3D金属打印实现，最高可提升44%的散热表面积。搭配3D打印均热板与蜂巢式金属背板，形成了从供电区域、固态硬盘区域到背板的立体化散热架构。

AI Gyroid M.2散热器

这是主板上最受关注的3D打印部件，覆盖在M.2区域。它采用了一种被称为Gyroid的TPMS（三周期极小曲面）几何结构。该结构创造了一个类似海绵的自支撑晶格网络，内部连续曲面最大化了热交换面积，同时保持了极佳的结构强度和流体渗透性。据技嘉官方数据，该散热器散热表面积最高可提升44%。

TPMS结构几乎无法通过传统制造工艺实现，金属3D打印已成为航空航天等多个领域探索TPMS结构的制造技术。值得注意的是，这类结构的性能高度依赖于结构参数的精确优化，技嘉在新闻稿中表示其通过AI算法对结构布局进行了优化，这体现了“AI驱动设计+增材制造”组合在该领域的初步探索。

3D打印金属均热板

据技嘉官方资料，X870E AORUS INFINITY NEXT首次在主板上集成了3D打印金属均热板系统，散热能力可达100W以上。从散热物理学的角度看，3D打印均热板的技术价值在于将吸液芯结构从二维平面升级为三维全向网络，使传热工质可在任意方向上被持续泵送，实现更均匀的温度分布。

来源：Paul’s Hardware

蜂巢式金属背板

采用六边形蜂巢结构的3D打印金属背板，据技嘉称刚度为同等厚度普通背板的三倍，同时气流面积最高可提升45%。这一设计的深层逻辑在于结构-散热功能一体化。背板中的六边形蜂巢既是材料力学上的最优轻量化拓扑形态，在空气动力学层面也属于对流传热的较优几何，两类需求在蜂巢结构上实现了统一。

这三个组件均为金属3D打印增材制造，构成了技嘉所称的“航天科技与数据中心级散热架构”。

 可能的增材制造合作方

根据3D科学谷的市场观察，在COMPUTEX 2026展会同期，来自中国台湾的参展企业Rayvatek也展示了其金属3D打印均温板和散热解决方案。

来源：Hardware Busters

值得关注的是，有媒体报道称，Rayvatek重点展示了一个三方合作项目，涉及Rayvatek、技嘉和CC Wang Lab，该项目被称为业界首款金属3D打印航天技术级主板散热架构。

来源：Hardware Busters

该项目专注于将先进的热结构直接集成到主板设计中，利用增材制造技术在最小化空间占用的同时优化冷却效果。随着主板和AI加速器热负载持续上升，此类方案对未来工作站和服务器平台的重要性将日益凸显。报道还指出，将结构和散热功能整合到单一组件中是金属3D打印的关键优势之一，使工程师能够在减少零件数量的同时全面提升性能。

从多方信息交叉信息来看，Rayvatek很可能是为技嘉旗舰主板提供金属3D打印散热方案制造的合作伙伴。Rayvatek在航空航天领域积累的技术经验，尤其是复杂晶格散热结构的制造能力，被首次应用在消费级主板领域。

 科学谷·视界

根据3D科学谷的市场洞察，2024年以来，3D打印热管理技术受到多领域应用企业、学术机构的重视，半导体/电子设备领域是3D打印散热技术的应用场景之一。该领域关注的典型3D打印散热技术方案为液冷板制造、均温板制造以及微通道散热。消费电子也属于其中的分支。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

虽然技嘉展示的这款旗舰级消费主板金属3D打印散热方案目前尚未有明确的量产计划公布，但是这次展示已让人们得以一窥下一代冷却解决方案可能的样子。

某海外视频博主在报道中称，技嘉这款主板仅是制造成本就约为3000美元，如果真上市销售，其价格会非常高。但是在散热挑战日益严苛的趋势下，随着3D打印技术成熟和成本下降，高端游戏PC、工作站等产品有望率先规模化应用3D打印散热组件，通过这一创新技术，探索自身的差异化竞争力。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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近日，一家为增材制造零部件提供表面后处理技术的公司REM表面工程，凭借选择性化学疏通技术获得了AMUG技术竞赛的优胜奖，他们的参赛主题为：打破粉末壁垒：“选择性化学疏通技术实现真正自由的增材设计”。

这一后处理技术受到业界的关注，折射出当增材正制造技术应用迈出快速原型真正走向零部件批量生产，从增材制造工艺本身到残余粉末清除等后处理工艺，一切都要向质量合格、质量稳定性看齐。

本期，3D科学谷将分享REM表面工程带来的化学工艺的清粉后处理在增材制造热交换器中的应用，并借此盘点一下清粉后处理技术的现状及发展，以及它们对增材制造热交换器等产品带来的设计约束。

 为什么后处理会影响增材制造设计？

根据3D科学谷的了解，REM表面工程的选择性化学疏通技术是一种可直接投入生产的化学工艺。

为什么将这一后处理技术描述为能够实现真正自由的增材制造设计呢？

这是由于该技术旨在解决阻碍粉末床金属增材制造工业应用最顽固的瓶颈之一：封闭的内部通道中残余粉末难以清除。

我们以增材制造热交换器应用为例，解释一下为什么这是金属增材制造应用最顽固的瓶颈之一。

增材制造技术之所以受到航空航天、核工业、医疗器械等多个高端制造领域的重视，其中一个重要的优势是制造功能集成的一体化结构。以增材制造热交换器为例，内部集成TPMS等复杂结构，在有限空间内带来更大表面积，

REM表面工程展示获奖技术

来源：AMUG

然而在应用中，为规避内部封闭通道中的粉末清除难题，设计师往往需要被迫做出多重妥协。

比如说，设计师不得不修改原本最优的几何构型，以有限的清粉能力为约束条件，导致换热性能低于理论极限。例如，增大通道直径从而避免堵塞。研究表明，通道直径越小，粉末清除越困难，传统喷砂方法对小直径通道的作用极为有限。这直接限制了微通道等高密度换热结构的探索。
有的设计妥协方式是，引入额外的清粉路径，如添加清粉孔或增加可触及性特征，这些修改增加了潜在的泄漏风险和组装工序。还有的方式是为承受清粉过程中的外力作用，原本可进一步减薄的壁厚被迫保持一定厚度，从而增加了重量。

无论哪种方式，都在一定程度上削弱了增材制造为热交换器设计优化带来的优势。

根据AMUG和REM表面工程的公开报道，选择性化学疏通技术，能够选择性地去除金属粉末床熔融部件中全封闭内部流道内的顽固烧结粉末，同时不会破坏关键的薄壁结构，避免薄壁和流道中的材料损失。

通过高分辨率X射线CT分析验证，该技术实现了近乎完全的粉末去除，保持了结构完整性，并恢复了基于三周期最小曲面（TPMS）复杂结构的热交换器中的功能性流道。这也是该技术能够拓展高性能热管理系统可行的设计空间的原因。

增材制造热交换器剖面图
来源：REM表面工程

 清粉后处理难在哪里？

接下来，我们仍以增材制造热交换器为例，看一下后处理清粉难，难在哪里。

首先是增材制造热交换器的优势之一是集成了复杂内部通道。但是对于清粉后处理而言，这就反而变成了一种阻碍，复杂内部几何结构的可达性为清粉工作带来了限制，当通道直径低于特定阈值、含有急弯、盲孔或非支撑悬垂结构时，粉末的完全清除变得极其困难甚至不可能。

再一个难点是增材制造金属粉末烧结过程带来的。烧结过程中困在封闭通道内的未熔化粉末经历多次热循环后会发生部分烧结，形成坚硬的板结块，传统物理振动或流体冲刷方法对此类顽固化粉末效果不佳。

还有一点是热交换器追求轻量化和高效传热，其壁厚通常极薄，而强力清粉过程中存在损伤关键薄壁区域的风险。

 主流清粉技术有哪些？

业界为了清除增材制造内部封闭流道中的残余粉末找到了不少解决方案，各有利弊。

“3D科学谷白皮书 解析

各种后处理技术对于增材制造零部件设计自由度的约束程度，很大程度上取决于是否依赖物理可达性。

比如说压缩空气、超声波、干冰喷射这几种都是粉末清除的物理方法，无论介质是气体、液体还是固体颗粒，它们的清粉能力都受制于介质能否在几何空间内到触达粉末位置。这类技术普遍存在视线限制、能量衰减或冲击死角等问题，迫使热交换器设计必须在通道直径、弯曲度、盲端等方面做出明显妥协，设计自由度相应被压缩至较低水平。

除了这些物理方法之外，另外两类不依赖介质直接冲击的技术。机械振动/离心技术通过多轴运动使粉末在重力与惯性作用下自然流出，不依赖介质直接冲击，因此在自动化程度与设计自由度之间取得了较好平衡，成为当前工业应用的主流方案。

而化学溶解技术则跳出了物理可达的框架，依靠自限性化学反应选择性去除粉末，几乎不受几何形状限制，REM表面工程的获奖提案中介绍的正是这类技术。不过该技术目前仍面临设备投入高、材料配方专用等门槛，在短期内更适合高价值、极端复杂结构的热交换器应用场景。

 变化中的设计边界

当增材制造从快速原型走向零部件的批量生产，清粉后处理正在从辅助工序升级为决定应用能否落地的重要环节。

对于用户而言，这意味着三个值得关注的趋势：

首先是，清粉技术正从通用工具走向与材料、结构深度绑定的专用方案。

其次，为清粉而设计的边界正在被重新定义。许多此前因清粉难题而被认为不敢设计的复杂结构，值得重新评估其可行性。

最后，清粉能力将日益成为衡量企业增材制造竞争力的关键维度。建议用户在设计早期即纳入清粉考量，根据应用场景匹配技术路线。同时，以工业CT等手段建立可靠的验证闭环，在成本与风险之间做出合理权衡。

随着清粉技术的发展，定期审视“不可设计”的边界，或许正是与竞争对手拉开差距的抓手。

参考资料

[1] AMUG. 2026 AMUG Technical Competition Winners Announced [EB/OL]. (2026-04-01).

[2] REM Surface Engineering. Breaking the Powder Barrier: Selective Chemical Declogging Enables Truly Free AM Design [R/OL]. (2025).

[3] Diaz, A., Boykin, J.R., McFadden, P. Selective Chemical Dissolution Strategies for Powder Clogged Residue Clearance in Complex Metal Additively Manufactured Internal Channels [R]. REM Surface Engineering, 2025.

[4] Thole, K.A., Rattner, A.S. Progress in High-Performance Heat-Transfer Technology Enabled by Additive Manufacturing [J]. Annual Review of Heat Transfer, 2025, 28: 379-414.

[5] Hunter, L.W., Brackett, D., Brierley, N., et al. Assessment of trapped powder removal and inspection strategies for powder bed fusion techniques [J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 106: 4521-4532.

[6] General Electric. Additive manufacturing powder removal using high pressure air jets: US10376932 B2 [P]. 2019-08-13.

[7] Deckert Anlagenbau GmbH. Dry ice blasting for additive manufacturing parts: Technical application note [EB/OL]. (2025-08).

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在此背景下，传统风冷技术已难以应对如此高热流密度的散热需求，数据中心亟需新一代高效冷却方案，以破解算力增长与能耗控制之间的矛盾。
根据3D科学谷的市场观察，欧洲开展的AM2PC研究项目近日证实，新型增材制造冷却解决方案可显著降低能耗并延长芯片寿命，同时实现废热回收利用。本期谷·前沿栏目将分享该项目产生的主要研究成果。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

在刚刚收官的AM2PC项目中，丹麦技术研究所与Heatflow公司携手两家国际合作伙伴，共同研发并测试了一款适用于数据中心和高性能计算机的3D打印冷却组件。该方案采用被动式两相冷却技术，实测冷却能力达600瓦，较原定400瓦目标提升50%。

此项技术突破恰逢全球数据中心能耗问题日益严峻。除IT硬件本身外，配套冷却基础设施是数据中心的主要耗能单元，因此也成为提升系统能效的最大突破口。与此同时，GPU功耗从几年前的100-200瓦激增至当前数百瓦乃至千瓦级，传统冷却方式已难以应对。服务器功率密度正以空前速度攀升，传统风冷技术显然力不从心。

 零能耗被动冷却技术突破

3D科学谷了解到，项目团队开发的新型增材制造冷却解决方案，摒弃了传统风冷模式，采用两相被动冷却技术。

这一冷却方案的主要原理是利用冷却液在热表面蒸发的物理特性：蒸汽因密度差异自然上升，在冷凝区域释放热量后通过重力回流形成液态。这种基于热虹吸原理的被动两相过程无需泵机参与，实现热量移除零能耗。同时，蒸发散热效率远超传统风冷和液冷技术，不仅能更高效地移除芯片热量，还可通过降低芯片工作温度延长其使用寿命。

这一新型冷却解决方案的核心部件是3D打印蒸发器，它并非简单的储液部件，而是一个精密的两相换热器，它通过相变过程将芯片热量高效带走，为数据中心的零能耗散热提供了可能。

据项目组介绍，3D打印蒸发器/换热器的材料为铝合金，设计上采用了功能集成，没有装配节点，降低了泄漏风险，提升了组件可靠性。单一材质的设计还便于回收利用。

 废热利用

另外这一项目还有取得了一项极具附加值的成果。

项目组指出，虽以3D打印蒸发器/换热器研发与性能验证为核心目标，且成果超预期，但更关键的是该方案可实现60-80℃的废热回收。如此高品质的热能无需额外能耗即可直接接入区域供热网络，或应用于食品饮料、纺织造纸等工业流程，甚至为邻近温室农业提供热源。

相比之下，传统服务器风冷系统回收的热能温度较低，难以满足区域供暖和工业应用需求。研究项目虽未深入探索与区域供暖系统的集成，但已验证了技术可行性。这标志着数据中心向能源正向化迈出重要一步。

 节能减排

除运行节能外，项目在制造端同样展现环境效益。3D打印技术较之传统多材质装配的工艺，显著降低整体材料消耗。单一材质设计更使退役组件无需分拣即可直接回收。

作为示范项目，虽然最终环境效益尚待评估，但生命周期分析显示，该方案可使单台设备全生命周期排放降低25-30%。

项目背景速览

AM2PC项目聚焦数据中心两相冷却3D打印部件研发，获欧洲M-ERA.NET计划支持，丹麦创新基金提供资助。总预算1000万丹麦克朗（2023-2025年），合作方包括比利时Open Engineering公司、德国Fraunhofer IWU研究所及丹麦Heatflow ApS、丹麦技术研究所。本文图文来源为丹麦技术研究所。

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2026年马年除夕夜，宇树科技的人形机器人在《武BOT》节目中完成了弹射空翻、两步蹬墙后空翻、Airflare大回旋七周半。

在人形机器人完成这些动作的背后，有些值得关注的问题：

表演过程中，机器人需要反复承受高扭矩输出和动态冲击（如蹬墙借力时），电机在短时间内输出峰值功率，发热量急剧攀升。在其中登台表演的H2重甲机器人重量超过85kg，重心高度约2米，其关节需要支撑巨大负载。在如此紧凑的空间内同时布置电机、减速器、编码器和散热系统。这些都是是硬件设计面临的核心挑战。

这就引出一些思考：在高功率密度和紧凑空间的双重约束下，机器人散热面临哪些挑战？在其他制造领域沉淀的3D打印热管理解决方案能否提供突破？接下来，我们一起来聊聊这些话题。

 人形机器人的散热挑战

在工业机器人和消费电子领域，散热问题早有成熟的解决方案。但人形机器人面临的条件有所不同：

首先是“浮动基座”困境。工业机器人通常固定在地面或机架上，热量可以通过基座传导出去。但人形机器人是悬空运动的——双脚离地空翻时，关节完全悬停在空中，无法通过任何接触面导热，只能依赖空气自然对流。而自然对流换热系数通常只有2-25 W/(m²·K)，在密闭空间内可能更低。

其次是空间与重量的约束。传统散热方案中，增加散热能力通常需要扩大散热面积。但在人形机器人关节里，空间极为有限。一个典型的关节模组需要容纳电机、减速器、编码器、驱动器，留给散热系统的空间通常被压缩到50cm³以内，重量控制在100g以下。

最后是极端工况的叠加。一类是瞬时高扭矩冲击，如蹬墙空翻瞬间，电机需要在极短时间内输出峰值功率，发热量快速上升；另一类是堵转工况，当机器人需要保持特定姿态时（如半蹲姿势承受负载），电机处于锁定状态，电流持续输入，电能转化为热量。这两种工况对散热系统的响应速度和持续能力都提出了要求。

简单来说，人形机器人关节的散热需求是：在悬空状态下、有限空间内、应对瞬时冲击和持续发热的双重挑战。在此条件下，传统风冷、常规尺寸的散热片在应对这些约束时面临困难。

 新一代散热技术的探索方向

从热量的“搬运路径”来看，当前行业正在探索的散热技术，可以按照换热结构形态进行分类。不过在实际应用中，这些结构需要与不同的冷却介质（空气、液体、相变材料）组合，形成完整的热管理方案。

“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析

”

这些探索路径的实现往往需要复杂的内部结构，这正是3D打印可以发挥作用的地方。

 微通道液冷：从数据中心到电机的探索

微通道指的是一种细密的通道结构，可以增加换热面积；液冷指的是以液体作为冷却介质。微通道液冷是将两者结合——让冷却液在微米级的通道中流动。

EOS 3D打印冷板

这一技术已在芯片散热领域有应用案例。新加坡CoolestDC与EOS合作，使用EOS Copper CuCP材料和1kW激光系统打印了一体式冷板，无垫片、无接头，可承受6 bar以上水压。安装在服务器上后，GPU温度从90℃降至40℃，性能提升40%。

希禾增材制造微通道冷板

希禾增材采用自研绿光激光器，实现了纯铜材料的3D打印难题，增材制造最小壁厚达0.05mm，致密度超过99.8%，为微通道液冷板等先进散热应用奠定制造基础。

马里兰大学研究团队设计的增材制造热交换器

马里兰大学研究团队利用选区激光熔化3D打印技术，制造了一种多通道微通道换热器（MPMHX）。该换热器采用超临界二氧化碳作为工质，可承受超过800°C的高温和80 bar的高压，功率密度高达45.4 MW/m³，是迄今为止报道的最紧凑的换热器设计之一。这项研究证实了3D打印在制造航空级高功率密度微通道散热结构方面的可行性，为将其应用于人形机器人关节等紧凑空间提供了技术验证与参考。

这些案例展示了微通道液冷在高功率密度场景下的应用潜力，为机器人关节散热提供了可参考的技术路径。

 其他换热结构的探索

除了微通道液冷，还有一些其他结构形态的探索。

蜂窝与晶格结构。Figure 02在膝盖、肘关节等部位采用了3D打印的蜂窝状复合材料，在保证结构强度的同时实现了轻量化，并将散热功能与机械结构集成于一体。这种仿生结构在航空航天轻量化设计中早有应用，现在被移植到机器人关节，展示了“结构即散热”的设计潜力。

小鹏IRON 3D打印“皮肤”，来源：36Kr

镂空皮肤。小鹏IRON采用3D打印弹性晶格皮肤外壳，背部镂空设计，有利于内部空气流通。

多孔结构蒸发冷却。日本Kengoro机器人采用3D打印多孔铝制骨架，通过可控孔隙率实现水蒸发冷却。据报道，Kengoro仅需一杯去离子水就能运行半天，是仿生散热的杰出代表。

 结构集成：一种值得关注的设计思路

从以上案例可以看到一个趋势：散热不再完全依赖独立的附加部件，而是尝试与结构本身集成。

光基多维力传感器Photon Finger Max产品效果图,来源：铂力特

极小空间内功能集成。铂力特与华力创科学合作开发的微型六维力传感器。这一六维力传感器Photon Finger直径仅8.5mm，通过一体化成形将加工周期缩短至20分钟/批次，满版可同时打印15-30个，量程及过载能力提升50%-250%。这一应用展示了3D打印在机器人精密部件上的集成能力，也为未来在有限空间内整合散热功能提供了启发。

印度Team Octane Racing在轮毂电机外壳内集成了螺旋冷却通道，内径90mm、外径120mm、长度105mm——尺寸与人形机器人关节相近。

波士顿动力新一代电动Atlas的腿部结构采用3D打印钛合金骨骼，通过拓扑优化设计，在保证结构强度的前提下实现轻量化，其复杂的晶格结构本身就构成了巨大的散热表面，实现了结构与散热功能的一体化。据报道，这种设计在实现约50%减重的同时，也提供了更大的散热面积。这种“结构即散热”的思路，与人形机器人追求紧凑设计的方向有契合之处。

 回到春晚现场：留给业界的思考

宇树官方将《武BOT》的难点分为三类：物品交互（棍法、双节棍）、环境交互（跑酷翻桌、蹬墙）、地面极限动作（空中连续转体）。

每一类动作背后，都有散热层面的问题值得思考：灵巧手的持续高负荷如何散热？蹬墙瞬间的峰值功率发热如何应对？半蹲姿态下的堵转发热如何疏导？……

这些问题或许没有标准答案。但3D打印散热技术的底层原理——微通道换热、仿生结构、多孔介质、相变储热——在航空航天、数据中心、电力电子等领域已有多年积累。它们能在多大程度上为人形机器人所用，还需要更多实践来验证。

对于人形机器人产业而言，3D打印散热或许可以成为一场跨领域的技术对话。微通道液冷散热技术，仿生结构，发汗冷却等等技术能否在机器人制造中找到规模化应用的场景，值得继续关注。

本文部分参考资料：

新浪财经，《宇树科技《武BOT》节目揭秘，8个问题带你了解春晚表演为何如此惊艳》，

知乎，《人形机器人关节电机散热问题如何解决？》CSDN，《人形机器人热管理方案》

《方案 | 人形机器人热管理深度解析：从“发热根源”到“终极冷却方案”》

《人形机器人产业链专题：人形机器人热管理方案》

《响应AI芯片散热革命，3D打印液冷板前景广阔【国金机械】》

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在AI算力需求爆发的驱动下，由于英伟达VR300（3600W）、AMD MI355（1400W）、谷歌TPU v7（约980W） 等主流AI芯片的热设计功耗已普遍逼近或超过1000W，突破了传统风冷散热的极限，使得液冷技术正成为AI数据中心的刚性需求。行业报告预测，到2026年，AI数据中心液冷渗透率将快速提升至40%，全球市场规模有望达到165亿美元（约1162亿元人民币）。[1]

然而传统制造技术所实现的液体冷板散热性能已亮起了红灯，增材制造-3D打印作为在实现复杂三维结构、一体化功能集成结构时具有显著优势的技术，是不是可以成为下一代液体冷板制造届的“能力担当”？如何通过先进设计激发增材制造技术在这一领域的潜能？

传播增材思维的火种，本期SparkTalk，由3D科学谷SparkUnion-星火联盟成员-LEAP71大中华区独家合作伙伴/上海集栈科技创始人林一祎女士，主要从计算工程技术驱动的增材制造设计角度，谈谈她对于3D打印下一代液体冷板如何重塑数据中心热管理的见解。

Q: 数据中心的发展对于散热提出了怎样的挑战？

数据中心技术与需求每三年就“翻一番”,这个时间周期正在持续加速——从云计算、大数据到今天的生成式AI，每一次迭代都把“散热”推向新极限。

目前从“需求变化→散热痛点→技术方向”链条出发，对散热需求包括不限于：

芯片层面：单卡功耗破千瓦，风冷散热天花板被击穿。传统风冷（热管/均热板+机房空调）已经很难稳定压住功率1000W 的芯片；英伟达下一代的更高功率芯片已逐渐量产，预计轻松突破1500W+，风冷已经逼近声功率和温度极限。基于目前的高热流密度，热量被困在封装内部，需要更高效的热管理方法直接带走热量。

机柜层面：单柜功率从6kW→60kW→120kW，局部热点瞬间爆表，而局部热点的小温差 1–2℃ 就能触发降频或宕机。

数据中心层面：PUE政策与电费双重挤压，散热必须“既省地又省电”。 国内“东数西算”新建机房强制PUE≤1.25，北京/深圳核心区更要求 ≤1.15；风冷机房平均PUE1.6–1.8，液冷可轻松做到1.05–1.15，已经成为基于政策和节省资源层面的刚需解决方法。全球数据中心2024年已吃掉1.5% 总电量，IEA 预计 2030年冲到4%；AI训练中心电费占TCO 50% 以上，散热系统每降低0.1 PUE，10MW 机房十年可省电费约1500 万元。

数据中心从“风冷够用”到“液冷必需”，核心驱动力就是“芯片功耗千瓦级+机柜功率十万瓦级+PUE政策红线”——散热必须向高导热、高比热、低温度梯度的液冷演进，否则算力再强也“热”到跑不动。

Q: 传统制造的冷板能够应对这些新挑战吗？是否需要一种全新的设计和制造范式？

“铣削+钎焊”这条传统路线在几何、公差、可靠性、时效性等方面的红线已经亮起，业界需要在设计、制造端唤醒“3D设计制造一体化”这一新范式。

传统制造的“硬墙”

1. 微通道极限：受刀具径深比限制，CNC无法稳定加工超高精度的连续通道；钎焊后焊料流动容易堵塞，热交换面积做不上去，高比表面积又是提升换热效率的一大指标之一，所以人们开始思考超高精度的板翅设计，如英伟达黄仁勋提出的MLCP方案，即微通道液冷板。

2. 热点匹配度低：直线/铲齿流道是2D思路，面对GPU核心+显存“非均匀热图”只能平均化，局部温差仍较大，容易触发降频。

3. 泄漏及强度：多零件+焊缝结构会提升泄漏率，随时可能报废整柜。

4. 迭代速度与成本考量：开模-冲压-钎焊-检漏-修模周期较长，AI 芯片迭代速度较快，传统节奏很快无法同步。

创新型设计范式如计算工程，结合3D打印可以在很大程度上加快迭代周期，拓宽设计制造一体化思路，从而在成本层面以及技术层面上进一步优化终端产品形态。具体可以通过如下几方面得到体现：

1. 计算工程给出的几何自由：基于目前终端客户需求确定设计边界，运用在航空航天等热管理领域积累的计算工程的工程模型库，跨行业设计优化不同于简单的翅片（Fins）结构或者2D CAD仿生结构等，解决特别存在于高功率芯片上工作热量集中/热流密度高的痛点，均质化热流密度的同时指数级提升比表面积，同时降低热阻。基于目前包括不限于MLCP等结构设计存在的优缺点进行分析，可以发现其对于工艺的要求非常高（SLM增材制造工艺需要达到0.15-0.2mm的层厚和间距），无形中提升了制造成本，缩减了工艺的选择性。设计需要进一步考虑制造端的更多可能性，进行迭代，争取在设计端可以突破高精度制造端的限制。

可堆叠液液热管理结构

在600mm幅面3D打印设备采用无支撑工艺进行加工制造

2. 一体化无焊：3D打印的兴起给了我们更多制造端的可能性，如激光或ECAM电化学沉积一次成型等，可以从成本的角度出发，结合传统工艺拓宽最终产品形态的设计思路。

3. 材料潜能释放：运用散热效率高的材料如纯铜，另外也考虑铜合金的可能性：结合制造工艺优化材料组分和材料工艺，解决纯金属（铜）强度低、耐腐蚀性差、抗氧化差等问题。需要考虑合金降低的热导率，可以从两个方面解决：

a) 设计端弥补：通过计算工程生成的高效结构弥补材料段导致的热导率降低的缺陷；

b) 改性合金：通过添加微量元素，在考虑成本的基础上达到与纯铜持平甚至超越纯铜的热导率，即400w/mK。

4. 研发节奏：计算工程快速设计迭代→结合3D打印的工艺定型→测试闭环，设计变更只需改代码，可快速验证新版结构，迭代速度与芯片同频。

“铣削+钎焊”逐渐触及物理、经济和时效三重天花板；我们需要探索耦合材料、设计以及制造工艺的一体化解决思路新范式——这不是“升级”，而是“换代”。

Q:  3D打印液冷板规模化应用存在哪些挑战？

采用金属3D打印工艺的主要顾虑有：

1）制造成本

2）批量时的交期

3）技术方式，如红光打印与绿光打印的对比（包含尺寸精度、成本等），材料的选择、结合3D打印的工艺选择等。

但目前3D打印在冷板的形态中已经是刚需，需通过创新设计和材料以及工艺，来进一步拓宽3D打印在冷板量产方面的可能性。

Q:  3D打印液冷板存在哪些设计挑战？AI+计算工程技术如何赋能增材制造冷板设计？

现阶段，存在的主要挑战包括应用端缺乏基于3D打印制造技术在更优化更有效散热结构上的设计思维。同时，对于对材料和工艺的综合考量也相对缺乏，这导致设计端受到限制，从而限制了3D打印在液冷板设计中的可能性。

AI可以进一步优化植入到计算工程中的数据有效性，而计算工程可以给出几何自由：基于目前终端客户需求确定设计边界，运用计算工程跨行业工程模型库设计优化结构，解决特别存在于高功率芯片上工作热量集中/热流密度高的痛点，均质化热流密度的同时指数级提升比表面积，同时降低热阻。设计需要进一步考虑制造端的更多可能性，进行迭代，争取在设计端可以突破高精度制造端的限制。同时，计算工程可以进一步根据材料的选择定制化设计方案，解锁更多材料运用在液冷板应用的可能性。

Leap71 计算工程设计的高效热管理结构

l 典型先进热管理结构 l 计算工程设计结合3D打印一体成型，以优化的内部冷却流道提升热管理效率，解决气动塞式发动机（Aerospike）塞体尖端的极高温（>2000K）和梯度热应力挑战。

Q: 展望未来，有哪些是需要产业链上下游共同推动的？

再牛的3D打印冷板也救不了“孤岛式数据中心”，只有“芯片-打印-液冷-运维”全链路打通数据、接口与模型，才能让越来越高要求的数据中心热管理集群真正跑起来，而标准制定、联合实验室、开源数据库、资本生态库等等等则是推动新范式的“集结号”。

认知，是信念的底座

3D科学谷SparkTalk，只在每年岁末年初做一件事：希望传递给增材制造产业一束“信仰之光”，把那些行业跳动的脉搏翻译成所有人都能听懂的“下一个伟大变化”。SparkTalk不是年终秀，而是一场“信仰接力”——从增材制造出发，让智能制造的脉搏跳动成能看的到未来的节奏。预见全球智能制造的“伟大变化”，不是预言，而是此刻正在发生的现场。
欢迎更多业界人士加入分享属于你的认知，在这里，我们一起相信信念的力量，一起相信每一个微小的改变，将成为变革的因子，推动增材制造与传统制造共谱下一代自进化、可持续发展的智能制造蓝图。

参考资料：
[1]《国海计算机 | GPU+ASIC渗透加速，液冷市场规模再添增量》

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图中展示的是在过去的几年里丹麦技术研究院在增材制造热设计领域所开展的项目。这些实践正将增材制造技术推向更广阔、更关键的应用场景——

•  精密的内部流道，实现高效散热
•  一体化轻量化结构，提升系统能效
•  废热回收设计，推动可持续运行

增材制造正在重新定义“热设计”的未来。更智能、更集成、更环保的散热方案，已从实验室走向现实。

以创新掌控温度，以科技赋能能效

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当整车轻量化成为法规要求与市场竞争的关键，铝合金在车身应用比例持续提升，一体化压铸技术正成为实现结构精简与效能突破的重要路径。在此背景下，压铸模具已从传统成型工具转变为决定技术落地规模与成本的核心环节——尤其在大尺寸、高寿命、高效热管理的模具镶件制造上，谁掌握可靠解决方案，谁就能在轻量化供应链中占据主动。

在本期3D科学谷分享的压铸模具案例中，弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）与其材料合作伙伴MacLean-Fogg及丰田汽车共同开展了一个复杂压铸模具镶件制造项目，验证了一款采用激光粉末床熔融技术和增材制造专用的新型模具钢材料制造的大尺寸增材制造模具镶件，在系列测试中表现出优于传统H13模具的服役寿命。这一项目证明，增材制造不仅可用于实现随形冷却，也具备制造大型、高承载的压铸核心部件的能力，为发展更大吨位的压铸模具提供了可借鉴的工艺参考。

 汽车行业转型带来的模具挑战

汽车行业正处于深刻转型期。成本压力与电动化转型正迫使制造商从根本上重构车辆架构与生产流程。当前趋势是减少冲压单件数量，追求以更少、更复杂的结构件实现集成。对于大型铝构件（如车身框架或传动部件），这同时提高了对模具的要求：模具需具备更高的耐热性、支持变体设计，并能快速适应新几何形状。

这一变革带来了新挑战：所需铸模不仅尺寸更大，还需具备更强的抗性、更复杂的几何造型与更短的开发周期。Fraunhofer ILT研究所与粉末材料供应商MacLean-Fogg及终端用户丰田的合作项目，正致力于解决这些难题。

© Fraunhofer ILT
增材制造大体积压铸模具随形冷却镶件，材料L-40模具钢

通过采用Fraunhofer ILT研究所开发的、具有可扩展成型空间的龙门式激光粉末床熔融增材制造设备，以及专为增材制造研发的L-40模具钢，实现了带近轮廓冷却通道的大型压铸模具增材制造——该技术适用于大体积高压压铸部件。

 克服大尺寸压铸模具增材制造挑战

随着大型铸造工艺日益普及，高压压铸对模具的要求不断提高。模具必须在极高产量下持续保证零件精度，并承受极端的机械与热载荷。为确保模具镶件具备足够使用寿命，需要为其设计复杂的内部冷却结构，而传统制造工艺无法实现此类结构。

此前，两大关键问题为增材工艺制造此类大尺寸压铸模具带来了挑战。其一，传统激光粉末床熔融设备难以一体成型尺寸达600 x 600mm²或更大的模芯；其二，现有模具钢（如H11、H13或M300）难以在此尺寸范围内实现稳定加工，即使在最优工艺参数下，仍存在开裂、热变形及机械性能不足的风险。

这些问题在激光成形过程及后续热处理中均会出现。制造过程中构件内部温度梯度越大，风险越高，并且这一效应在大体积工件上尤为显著。

© MacLean Additive

为此，项目团队需要针对大尺寸高压压铸模具需求的开发新一代设备与材料。他们通过新设备与材料实现了带自由形态冷却结构的大体积模具制造。这不仅可针对性降低铸造过程中的局部温度峰值，还能在提升模具寿命的同时为实现柔性化生产创造条件。这意味着模具基础平台可长期使用，仅需通过更换通过增材制造、集成有定制化冷却系统的核心功能模块（如型芯或型腔镶块），即可在同一套模具平台上快速切换，生产不同结构或尺寸的铸件，从而避免为每个新零件重复制造整套模具所产生的巨大成本与时间投入。

 可扩展的增材制造设备

为此，Fraunhofer ILT研究所对其开发的五激光粉末床熔融设备进行了升级，升级后设备成型尺寸达1000 x 800 x 350 mm³。与传统系统不同，该设备配备可移动加工头与局部保护气体导流系统，可在相同工艺边界条件下沿设备轴线线性扩展成型空间。本项目中通过该设备制造的镶件体积超20,000cm³，尺寸达515x485x206mm³。设备的可扩展属性，意味着未来可制造更大的模具镶件。

© Fraunhofer ILT

Fraunhofer ILT研究所可扩展增材制造设备可实现体积超过20,000 cm³的复杂高强韧模具的可重复制造。

为降低对大体积模具至关重要的温度梯度影响，团队还开发了可加热基板模块。成型平台现可加热至200°C，使每沉积层仅冷却至预设热平衡温度，而非室温。该方法显著降低热诱导应力与制造过程中的开裂风险。大成型空间、高工艺稳定性与主动预热相结合，使该系统成为全球首批适用于经济化生产近净形压铸模具的激光粉末床熔融设备之一，甚至可用于超大型铸造。

这一大型压铸模具制造案例中采用的增材制造L-40材料在制造与热处理过程中开裂倾向显著低于传统工具钢。即使在沉积态下，L-40仍具备高尺寸精度，并在硬度、抗拉强度与冲击韧性方面表现优异。全面测试已成功验证了工艺参数向新设备平台的转移适应性及其在复杂几何结构中的性能表现。

总体而言，可扩展激光粉末床熔融设备与专用材料的结合，实现了带随形冷却通道的大尺寸压铸模具的经济化、可重复生产。初步应用表明，此类模具的使用寿命较传统模具显著延长。

 量产模具的混合制造方案

在项目框架内，合作方为丰田已量产的变速箱壳体制造了增材制造模具镶件。该压铸模芯包含传统加工无法实现的复杂随形冷却通道。

© Toyota Europe

这套增材制造的铝合金压铸模具，是丰田雅力士混合动力车型变速箱壳体专用模具的组成部分。该技术被应用的原因在于其尺寸规模，以及传统钎焊工艺难度大、维护耗时长的技术挑战。

项目团队采用混合制造方案：在有垂直冷却通道的特制预制坯上进行增材制造。两个组件的精确定位与可靠连接对设备校准、精度与过程控制提出极高要求。此类混合结构能进一步缩短制造时间、降低成本，因为高成本的激光粉末床熔融工艺仅用于传统工艺无法加工的区域。

研究团队设计的复杂冷却系统可确保模具关键区域在压铸过程中有效控温，从而降低热负荷，显著延长模具寿命。在前期项目中，类似增材制造模具的使用寿命已达传统H13材料模具的四倍。

© Fraunhofer ILT

传统模具与增材制造模具使用寿命对比显示：经优化的随形冷却通道能针对性调控关键区域温度，显著降低热负荷，从而延长模具寿命。在早期项目中，增材制造模具的使用寿命已实现接近四倍的提升。

高压压铸模芯打印完成后，经过去应力退火，其功能表面采用常规铣削精加工。增材制造基体的高尺寸精度仅需进行精密终加工。

 为汽车行业开创高效耐用铸模新路径

采用增材工艺制造大尺寸铸模，直击当前汽车生产（特别是电动化转型背景下）的多重挑战。核心优势在于通过3D打印实现可自由设计的随形冷却通道可精准适配模具高热负荷区域，从而降低局部峰值温度，减少热机械磨损，显著延长模具寿命。

同时，增材制造极大缩短了交付周期。传统多部件加工与组装方式被整体式增材制造结构替代，为整车制造商带来更短的开发周期与更快的新平台投产速度。

混合制造技术为大体积模具创造了额外灵活性。具备标准化接口的功能模块可高效集成与优化，无需重新制造整个部件，既节约材料又降低单套模具成本。

对于丰田等致力于柔性化生产、追求部件整合与结构优化的汽车制造商，该项技术发展为模具策略开辟了新可能：降低模具制造成本、延长生产周期，并实现单套模具的多品种柔性生产。

本项目成果证明了由大尺寸激光粉末床熔融系统、创新材料与混合制造构成的完整工艺链能够满足大型压铸领域的模具制造应用。

Fraunhofer ILT研究所表示，这一工艺链不仅适用于大型铝压铸模具镶件，还可拓展至塑料加工与复合材料领域。在任何需要高负载模具、复杂冷却且批量有限的场景中，增材制造都将提供显著优势。

当前，中国新能源汽车的一体化压铸应用正从后地板向电池壳体、前舱总成等扩展，零件投影面积逐步增大，壁厚进一步减薄。国内已具备7,000–12,000T级压铸岛供应能力。我国在模具增材制造领域已取得阶段性进展：国产大尺寸激光粉末床熔融设备（成型尺寸超600mm）逐步普及，“传统基体+增材功能件”的混合制造模式已成为行业关键实践，并初步形成了涵盖仿真设计、工艺控制与后处理的数字链能力。未来，系统化开发适用于增材制造的大尺寸模具材料、提升米级幅面工艺稳定性、构建从设计到验证的完整技术链条，将推动一体化压铸技术规模化应用，为整车轻量化提供稳定可靠的制造基础。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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 创新亮点

一项发表于《IEEE工业应用汇刊》的研究，提出了一种颠覆性的绕组冷却方案：
采用金属增材制造（3D打印） 成形螺旋二十四面体结构热交换器
直接嵌入绕组端部，实现冷却剂与铜绕组零间隔接触
取消绝缘材料、胶粘剂与定子铁芯的热阻层

 技术优势

传热效率跃升 – 冷却剂直触铜材，热阻降低超80%
空间利用率优化 – 不占用定子槽空间，结构更紧凑
可拆卸设计成为可能 – 省去复杂热界面材料，便于维护与回收

 实测数据

原型测试显示，相比传统机壳冷却方案：
持续工作电流承载能力最高提升81%
绕组温升显著降低，功率密度实现跨越式进步

尽管该技术目前受制于量产成本，但其“最小化热界面”的核心思路，为高功率电机设计开辟了新路径。未来在航空航天、高端电动载具等领域具有广阔应用前景。

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