FloEFD助力增材制造技术，重塑冷板设计

ECAM 全称为 Electrochemical Additive Manufacturing（电化学增材制造），是一种在室温下进行的金属3D打印技术。它能直接制造结构复杂、纯度极高的金属部件，而且几乎不用后处理。在热管理中，这项技术以高精度和高性价比，为创新设计带来了新的可能。在本文中，我们将分享如何结合增材制造技术和Simcenter FloEFD 仿真软件，探索并突破传统冷板设计的极限。

竞赛背景：ASME K-16 & IEEE EPS 学生冷板设计挑战赛

我们是西门子工业软件诺丁汉 2024/25 实习生团队。今年，我们参加了 ASME K-16 与 IEEE EPS 学生冷板设计挑战赛，目标是探索增材制造技术如何突破传统冷板结构的限制。

我们借助Simcenter FloEFD仿真软件，对六种 CAD 概念模型进行建模和仿真，并从三个核心指标评估它们的表现：

• -热阻thermal resistance
• -压降pressure drop
• -质量mass

最终包括我们在内的四支队伍晋级决赛。我们将设计以纯铜材质3D打印出来，并在IEEE ITherm 2025大会上向学术与业界专家展示成果。

冷板概念设计

我们首先建立了六款 CAD 模型，再通过CFD仿真比较它们的性能，从中筛选出最值得优化的设计。

• -设计1：雪花结构
• -设计2：蜂巢结构
• -设计3：标准平直翅片结构
• -设计4：链式结构
• -设计5：交替波纹结构
• -设计6：金字塔形 Kagome 点阵结构

冷板设计的 CFD 仿真分析

在对设计1和设计2进行早期仿真时，我们发现它们的性能指标（FoM）明显偏低。原因在于入口附近存在几何突变，导致冷板内部产生较大的压降。这样的几何变化会引发回流与涡旋，造成流体在局部区域旋转甚至反向运动，破坏下游的稳定流动。受此影响，冷板的传热效率下降、能量损失增加，因此这两种设计难以继续推进。

设计4和设计5在温度和质量方面表现更好，但压降有所增加，说明维持流道顺畅至关重要。虽然它们的 FoM 略优于基准模型，但提升幅度有限，考虑到增材制造的复杂性和成本，这种小幅改进性价比不高。

相比之下，设计6（Kagome 点阵结构冷板）在热阻、压降和质量之间实现了最佳平衡。在入口流量为 1.85 L/min 时，Kagome 点阵结构模型的FoM比标准平直翅片模型高出11.39%，性能最出色，因此成为最终优化的核心设计。

从自然界汲取灵感的Kagome 结构

Kagome 结构不仅获得最高 FoM，也充分体现了增材制造的优势。它的灵感来自竹编结构，也借鉴了树木等自然界的仿生结构。该设计能够有效压降、热阻和质量，提升散热效率。而这种复杂的几何结构几乎无法用传统加工方法制造。

为了满足 3 mm 的厚度要求，我们在最终设计中采用了768个Kagome单元。每个单元包含倾斜 55° 的细杆，杆半径只有 0.2 mm，满足制造的最小特征尺寸要求。这种复杂结构非常适合增材制造技术，它能轻松制造传统方法难以实现的精细几何结构。

不同于只能按标准几何形状阵列排布的传统平直翅片结构，Kagome 点阵结构就像一条轻量化的散热高速公路，能在紧凑的结构内优化流体流动，提高散热效率。

在决定继续推进这个想法后，我们最初尝试将点阵层以不同角度排列，但并未观察到明显改善，因此最终将点阵方向与流向保持一致，使速度分布更均匀，压降进一步下降。

为了增强对流效果，我们在点阵中心加了一根立柱，用于制造小尺度湍流并打破边界层增长，加强热对流；最后，在底部增加金字塔形底座，可扩大与流体的接触面积，从而提升散热效果。虽然这样增加了一些质量，但降低热阻与压降的收益补偿了这部分代价。

对优化后的冷板设计进行CFD 仿真

我们将优化后的 Kagome 点阵冷板与提供的外壳模型组装，并设定增材制造的冷板材料为纯铜，导热率为380 W/m·K，其他部件为绝热。冷板底部施加 350 W 的均匀热流密度，入口流量为 1.85 L/min，水温 20°C。

为确保结果精准，我们进行了网格加密。Simcenter FloEFD使用了SmartCells技术和基于八叉树的笛卡尔网格自动划分技术，在本研究中，FloEFD对冷板的几何形状和更复杂的流体域自动划分了更细的网格，以确保精度，而在周围区域则使用较粗的网格，从而提高求解效率。

上图展示了冷板内部的流速分布。较高的流速可以抑制热边界层的增长，加大温度梯度，从而提升传热效率。但与此同时，涡流、旋流及回流等现象也会带来更高的压降。为了找到最佳平衡点，我们进行了参数化研究，以确定可获得最高FoM的质量流量。通过分析角落的最高芯片温度、冷板压降以及冷板自身质量，我们进行最终的仿真，以计算FoM。

底板的最高温度为 37.308°C。这是因为冷板仅布置在底板中央位置进行导热。然而，底板中大面积未与冷板直接接触的区域，仍因有效的对流散热而维持在较低温度。得益于开放式框架结构，我们在保证能够承受流体冲击的强度前提下，大幅降低了冷板质量。

在实验设计（DoE）分析中，FoM达到 0.74489，对应质量流量 2 L/min。下面展示了结合固体温度与压力分布的流体仿真过程：

我们最终决定采用完整的出口截面设计，可以促进流体在内部更加均匀分布，并避免局部冲击效应，从而强化底板范围内的热扩散。

这种方法在降低热阻、降低压降和降低质量之间取得了良好平衡，并最终达到了最高的性能指标。传统设计往往需要在这些关键参数间进行取舍，但通过金字塔式 Kagome 点阵结构模型，我们能同时优化三项指标，在效率与结构之间几乎无需妥协。正是这种平衡，使最终设计在所有仿真方案中FoM 达到0.7449，兼具实用性与优异性能。

采用增材制造技术打印冷板，进行测试验证

在提交最终设计之前，我们意识到，这一尺度下的增材制造对精度要求极高。为此，我们采用多种常见的增材制造工艺打印原型，进行可制造性验证。

最初，我们使用熔融沉积成型（FDM）技术，以 PLA 材料按2:1 放大打印，因为该设备的最小特征尺寸为 0.4 mm。受限于打印机体积，我们仅打印了四分之一模型，耗时约 4 小时 40 分钟。随后，我们采用数字光处理（DLP）工艺，用树脂打印了完整模型。由于最小特征尺寸限制，此模型按 1.5:1 比例放大打印，耗时约 1 小时，之后还需进行后处理。

这些原型帮助我们确认最终设计可以被成功制造，也凸显了 Fabric8Labs ECAM 技术的优势：它能在不需要支撑结构的情况下制造极细杆件、内部腔体与复杂悬垂结构，而传统铣削或铸造根本无法实现。

Fabric8Labs 使用该技术打印铜冷板，交给Intel和普渡大学 S-Pack 实验室进行实验验证。

实验结果显示，我们的冷板设计在所有决赛作品中取得了最高的 FoM，进一步证明了其有效性和可靠性，能够如前文所述，在关键任务环境中有效避免热失效。

结语

凭借创新的Kagome 点阵冷板，团队从全球十五支参赛队伍中脱颖而出，成功入围 ITherm 2025 并最终获得二等奖。在竞赛过程中，他们充分运用 Simcenter 软件完成设计与验证，不仅提升了工程实践能力，也收获了跨学科协作与创新思维的宝贵经验。

未来，随着增材制造与先进散热技术的快速发展，设计验证将愈发依赖高效、可靠的仿真工具。无论是早期概念验证，还是面对复杂几何与多物理场耦合挑战， Simcenter FloEFD可以帮助工程师更快做出更优的设计决策，减少试错成本，加速产品落地。如果您想深入了解Simcenter FloEFD仿真解决方案及应用案例，欢迎拨打021-62157100或通过官网留言与我们联系！

关于上海坤道

上海坤道信息技术有限公司成立于2009年，前身为英国Flomerics公司中国代表处，现为西门子工业软件（原Mentor Graphics公司）在中国大陆的授权金牌和专家级（Expert Partner）合作伙伴。一直以来，坤道专注于热仿真和热测试领域，为电子半导体、汽车、航天航空等行业提供Simcenter FloEFD、Flotherm Flexx、Flomaster等流体传热仿真软件解决方案和Simcenter T3STER热阻测试、Simcenter POWERTESTER功率循环测试、SanjSCOPETM 反射率热成像系统等硬件解决方案，具备资深专业、经验丰富的技术团队提供产品销售、项目咨询、硬件定制开发和技术培训等服务。目前，坤道公司已为400多家企业与机构提供热仿真&热测试解决方案和应用实践落地。

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