雷 濤，劉秀利，魏愷文

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036) (2.華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430074)

由于機(jī)載天線系統(tǒng)電子設(shè)備向高度集成、輕量小型發(fā)展，因此對(duì)相關(guān)零部件提出了共形化的設(shè)計(jì)制造需求。曲面共形天線液冷板是新一代天線設(shè)備的結(jié)構(gòu)功能一體化關(guān)鍵構(gòu)件，起著結(jié)構(gòu)承載及高熱流密度散熱的作用，因此對(duì)其成型強(qiáng)度、形變、表面狀態(tài)、流道尺寸精度等要求較高。曲面液冷板具有不規(guī)則曲面、微細(xì)流道、薄壁等復(fù)雜特征，傳統(tǒng)的真空釬焊、擴(kuò)散焊、鑄造等工藝難以滿足其制造需求，而用激光選區(qū)熔化(selective laser melting，SLM)3D打印技術(shù)制備曲面液冷板，可簡(jiǎn)化加工難度、縮短工藝流程、實(shí)現(xiàn)一體化材料高強(qiáng)度成型。

電子科技大學(xué)的吳龍文[1]和陳加進(jìn)[2]應(yīng)用3D打印技術(shù)完成了天線不同結(jié)構(gòu)微通道冷板的成型并通過(guò)測(cè)試證明其具備優(yōu)秀的散熱能力，但在微通道外表面變形及缺陷控制、內(nèi)表面粗糙度控制及殘留粉末清除方面還存在不足。西南電子技術(shù)研究所的周宇戈、翁夏等[3-4]開(kāi)展了天線微通道冷板的成型工藝研究及散熱特性試驗(yàn)，肯定了3D打印技術(shù)在復(fù)雜微通道成型上的能力及相關(guān)試驗(yàn)件在密封、流動(dòng)性能、散熱性能上的優(yōu)異效果，同時(shí)也指出了微通道內(nèi)腔粉末清除及質(zhì)量控制的難度，以及大尺寸冷板表面容易出現(xiàn)凹坑及翹曲。本文針對(duì)曲面共形天線液冷板的設(shè)計(jì)與制造問(wèn)題，開(kāi)展了基于3D打印的協(xié)同設(shè)計(jì)和工藝設(shè)置，通過(guò)變形及尺寸精度控制、微細(xì)流道粉末清除，制備了滿足使用要求的曲面共形天線液冷板。

1 曲面共形天線液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 曲面共形天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

曲面共形天線由共形電路板、曲面共形液冷板和功能模塊組成，如圖1所示。曲面共形天線外表面為一復(fù)雜空間曲面，在曲面各點(diǎn)處的曲率是變化的(其表面最小曲率半徑小于150 mm)，最大外形尺寸為302.1 mm×197 mm×62.1 mm。為減小天線體積和質(zhì)量，曲面共形液冷板不但作為天線的散熱功能件，還作為整個(gè)設(shè)備的對(duì)外安裝板；共形電路板貼合安裝在液冷板上表面安裝槽；功能模塊固定在液冷板的下表面安裝平臺(tái)。

圖1 天線結(jié)構(gòu)裝配示意圖

1.2 電路互聯(lián)設(shè)計(jì)

共形電路板與功能模塊之間的電氣互聯(lián)采用帶彈性探針的同軸連接器垂直互聯(lián)實(shí)現(xiàn)，液冷板上需開(kāi)制配合孔，如圖2所示。連接器對(duì)配合孔的尺寸、位置精度要求較高(尺寸精度+0.02～+0.07 mm，位置精度±0.05 mm)，這給液冷板的打印成型及后續(xù)處理增加了難度。

圖2 垂直互聯(lián)設(shè)計(jì)

1.3 液冷散熱設(shè)計(jì)

功能模塊上的芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)印制板的金屬柱傳導(dǎo)至下方液冷板，再通過(guò)液冷介質(zhì)帶走，如圖3所示。由于微小液冷流道的散熱能力遠(yuǎn)高于常規(guī)液冷流道[5]，同時(shí)基于輕薄化的考慮，液冷流道采用微細(xì)流道設(shè)計(jì)(最小直徑<1 mm)。

圖3 散熱設(shè)計(jì)

1.4 曲面共形液冷板三維模型

與真空釬焊、真空擴(kuò)散焊、熔模鑄造相比，3D打印在耐壓密封、空間微細(xì)流道適應(yīng)性上具有顯著優(yōu)勢(shì)，在抗拉強(qiáng)度(約300 MPa)、流道尺寸精度(±0.1 mm)上具有明顯優(yōu)勢(shì)[6-7]，且工序流程、供應(yīng)周期最短，由于該產(chǎn)品制造成本相比其他方式差距不大，因此優(yōu)選3D打印工藝方案。結(jié)合SLM工藝要求，協(xié)同曲面共形液冷散熱需求，對(duì)內(nèi)部流道截面形狀及流道走向進(jìn)行了優(yōu)化，形成的液冷板三維模型如圖4所示。

圖4 液冷板三維模型(透明度30%)

2 曲面共形液冷板3D打印成型工藝流程

曲面共形液冷板3D打印成型工藝流程包括了3個(gè)主要的階段，即打印設(shè)計(jì)階段、打印成型階段和后處理階段，如圖5所示。

圖5 液冷板3D打印成型工藝流程

2.1 打印設(shè)計(jì)階段

綜合SLM工藝要求、打印擺放定向優(yōu)化、精加工預(yù)留基準(zhǔn)等對(duì)冷板三維模型進(jìn)行修改、設(shè)計(jì)，修改完成的模型如圖6(a)所示。將打印模型導(dǎo)入到Materialise Magics或Autodesk Netfabb中進(jìn)行支撐設(shè)計(jì)，如圖6(b)所示。通過(guò)高度方向分段、模型拆分等方式分區(qū)域進(jìn)行不同打印參數(shù)設(shè)置以兼顧成型效率與精度，其中微細(xì)流道區(qū)域以低功率激光成型保證其尺寸精度與光潔度，其對(duì)應(yīng)的主要打印工藝參數(shù)為鋪粉層厚0.03 mm、激光功率200 W、掃描間距0.17 mm、掃描速度1 000 mm/s。在其他區(qū)域采用更高功率、更快掃描速度的激光進(jìn)行成型。

圖6 液冷板打印模型修改及支撐設(shè)計(jì)

2.2 打印成型階段

準(zhǔn)備好鋁合金粉末(AlSi10Mg)，調(diào)整好打印基板的平整度及其與刮刀之間的間隙，待打印基板溫度上升到150 ℃，打印腔內(nèi)氧氣含量下降到0.1%以下時(shí)，開(kāi)啟激光，以模型切片數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，激光束逐層選區(qū)熔化金屬粉末，形成液冷板毛坯，如圖7所示。

圖7 曲面共形液冷板打印成型毛坯

2.3 后處理階段

成型件連同打印基板一起取出，清除多余粉末，經(jīng)初步外觀檢驗(yàn)合格后，進(jìn)行熱處理，處理參數(shù)為溫度300 ℃、保溫時(shí)間2 h，冷卻方式為隨爐冷卻。熱處理后，通過(guò)線切割加工將零件從基板上分離，去除多余的支撐，通過(guò)精密數(shù)銑加工零件外形尺寸，最后進(jìn)行表面鍍涂處理。

3 打印成型過(guò)程變形及尺寸精度控制

3.1 殘余應(yīng)力及宏觀變形控制

SLM打印過(guò)程中高能量密度激光束逐層選區(qū)熔化金屬粉末，打印材料長(zhǎng)期經(jīng)歷周期性、劇烈、非穩(wěn)態(tài)、循環(huán)加熱和冷卻凝固收縮，以及短時(shí)、非平衡循環(huán)固態(tài)相變，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生水平很高、演化及交互作用過(guò)程極其復(fù)雜的熱應(yīng)力、相變組織應(yīng)力和約束應(yīng)力集，導(dǎo)致較高的殘余應(yīng)力，可誘發(fā)產(chǎn)品變形甚至開(kāi)裂，如圖8所示。

圖8 液冷板打印過(guò)程樣件的宏觀變形及開(kāi)裂示意

本文在保證打印材料孔隙率≤1%的前提下，系統(tǒng)分析高致密打印參數(shù)窗內(nèi)激光掃描速度和掃描間距對(duì)打印材料AlSi10Mg殘余應(yīng)力水平的影響。采用盲孔法開(kāi)展殘余應(yīng)力的測(cè)量，如圖9所示，并基于ASTM-E837-13a標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算出試塊的等效殘余應(yīng)力。測(cè)試獲得不同工藝參數(shù)下打印材料AlSi10Mg的等效殘余應(yīng)力，其數(shù)值總體處于較高水平(190.4～230.5 MPa)。進(jìn)一步觀察等效殘余應(yīng)力與工藝參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力的大小與掃描激光功率、掃描速率、掃描路徑等相關(guān)[8]。

圖9 SLM打印冷板材料的殘余應(yīng)力測(cè)量方法示意

為了減小殘余應(yīng)力，抑制曲面冷板宏觀變形及開(kāi)裂情況，開(kāi)展了工藝參數(shù)優(yōu)化、支撐優(yōu)化與模型優(yōu)化。結(jié)合殘余應(yīng)力測(cè)量分析規(guī)律與高致密度成型工藝窗口，適當(dāng)降低了掃描速度、提升了掃描間距，降低材料凝固收縮不均勻程度，減少高頻次、非穩(wěn)態(tài)、瞬時(shí)熱循環(huán)周期數(shù)量，從而一定程度地降低殘余應(yīng)力；在確定了打印擺放定向的基礎(chǔ)上，對(duì)曲面冷板底部施加“實(shí)體支撐強(qiáng)約束”，增強(qiáng)打印結(jié)構(gòu)的整體剛度與熱傳導(dǎo)效果，抑制冷板底部的翹曲變形；取消所有安裝孔的直接打印(后續(xù)通過(guò)五軸數(shù)控機(jī)床加工成型)，避免相應(yīng)位置因應(yīng)力集中而開(kāi)裂。

曲面冷板打印件經(jīng)精加工后采用精度不低于0.01 mm的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x按GB/T 3177—2009《產(chǎn)品 幾何基數(shù)規(guī)范(GPS)光滑工件尺寸的檢驗(yàn)》要求進(jìn)行了翹曲度測(cè)試。選取曲面冷板橫、縱向測(cè)試邊，要求均勻采點(diǎn)40個(gè)以上，得到相應(yīng)測(cè)試曲線上各點(diǎn)實(shí)測(cè)位置與模型理論位置的法向距離差異值，并用最大差異值除以相應(yīng)曲線的長(zhǎng)度，其比值均≤1.5%，能夠滿足產(chǎn)品使用需求。

3.2 微細(xì)流道尺寸精度控制

在熔體對(duì)流、粉末黏附效應(yīng)、熔融金屬重力的綜合作用下，曲面冷板微細(xì)流道的尺寸精度、表面粗糙度的控制難度較大。微細(xì)圓孔流道打印尺寸精度與其尺寸大小及其伸展方向和豎直方向之間的夾角相關(guān)，在高功率SLM成型工況下，水平伸展和豎直伸展微孔的最小孔徑分別為0.6 mm和0.4 mm，小于它們的鋁合金微孔結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)SLM成型[9]。

參照曲面冷板的微細(xì)流道孔徑及微細(xì)流道伸展方向與豎直方向之間的最大夾角α，設(shè)計(jì)了一系列直通型流道樣件，選用冷板打印工藝參數(shù)試制樣件，如圖10所示。通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)值均明顯小于設(shè)計(jì)值，偏差約0.15 mm。隨后采用掃描軌跡補(bǔ)償偏置方法，基于軌跡偏置量與實(shí)際孔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將微細(xì)流道打印尺寸精度控制到±0.05 mm。

圖10 微細(xì)流道尺寸精度控制試驗(yàn)樣件

曲面冷板打印件經(jīng)工藝剖切處理后采用線紋比較儀(卡爾蔡司200 mm)對(duì)曲面冷板剖切件的流道孔徑進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)不大于(0.85±0.05) mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 微細(xì)流道粉末清除及檢測(cè)

微細(xì)流道內(nèi)殘留的金屬粉末難以清除干凈，形成的多余物會(huì)堵塞流道從而影響冷板的散熱效果，甚至損壞循環(huán)泵。這使得微細(xì)流道粉末清除成為3D打印液冷板的關(guān)鍵后處理工序，相關(guān)文獻(xiàn)中多有提及液冷板微細(xì)流道粉末清除難題[3,10]，且在航空航天復(fù)雜構(gòu)件微細(xì)流道3D打印成型后同樣存在類似的問(wèn)題。

曲面天線液冷板微細(xì)流道具有小孔徑、變截面、大長(zhǎng)徑比、網(wǎng)絡(luò)發(fā)散等結(jié)構(gòu)特征，并不太適合于常規(guī)磨粒流拋光。對(duì)比研究了高頻機(jī)械振動(dòng)、高壓氣體沖洗、超聲液相清洗等方法，經(jīng)工藝試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在打印件取出設(shè)備后通過(guò)高壓氣體沖洗(干燥氣體，氣壓0.6 MPa，氣體出口尺寸直徑2 mm，處理時(shí)間10 min)的方式能夠有效去除流道內(nèi)大部分殘留粉末，使得微細(xì)流道完全導(dǎo)通；待冷板精加工后再通過(guò)“超聲液相清洗+冷卻液循環(huán)清洗”的方式能將流道表面黏附的少量粉末清除干凈，保證了液冷板內(nèi)部潔凈度，如圖11所示。

圖11 冷卻液循環(huán)清洗裝置工作原理圖

使用Nordson Dage XD7600NT X-RAY掃描檢測(cè)儀開(kāi)展檢測(cè)(如圖12所示)，發(fā)現(xiàn)孔徑為0.85 mm的微細(xì)流道均完全貫通，未見(jiàn)殘留粉末；流阻測(cè)試表明，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 X-RAY掃描微細(xì)流道

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了含不規(guī)則曲面、微細(xì)流道、薄壁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)功能一體化曲面共形天線液冷板，并通過(guò)3D打印技術(shù)成功制備。通過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化、支撐優(yōu)化、模型優(yōu)化和補(bǔ)償偏置等方法實(shí)現(xiàn)了打印成型過(guò)程變形及尺寸精度控制，后續(xù)將考慮采取打印成型仿真技術(shù)輔助優(yōu)化；通過(guò)高壓氣體沖洗結(jié)合“超聲液相清洗+冷卻液循環(huán)清洗”的方式將微細(xì)流道表面黏附的粉末清除干凈，保證了3D打印液冷板內(nèi)部潔凈度，后續(xù)將進(jìn)一步驗(yàn)證其長(zhǎng)期服役的可靠性。