前言
作者：睿智創新科技股份有限公司 黃洧漢 3D產品設計師
隨著 AI 及高效能運算的飛速發展，其驚人的運算能力也帶來了前所未有的高密度熱源，對現有的散熱技術構成了嚴峻挑戰。
傳統的熱交換器在設計與製造上受限於既有工法，已難以滿足新世代應用的極致散熱需求。這不僅是效能瓶頸，更是制約技術持續創新的關鍵障礙。在此背景下，金屬 3D 列印技術從根本上重塑熱管理裝置的設計與製造邏輯，為解決此瓶頸提供了可行的工程路徑。
此技術透過賦予工程師前所未有的設計自由度，創造出傳統工法無法企及的複雜內部流道與優化結構，從根本上改變熱管理裝置的設計、製造與最終效能。
本文將闡明如何結合 CAE 模擬與驗證流程，顯著提升熱交換器的散熱效率，將熱交換瓦數大幅提升150%！並超越市售鰭片型散熱器27%，壓降也大幅減少96%！同時大幅縮短開發週期達60%，並降低整體成本80%以上，為應對未來的熱管理挑戰提供一套完整且高效的解決方案。
【 雷射粉床熔融技術（LPBF） 】
雷射粉床熔融（LPBF）技術（圖一）是當前應用最廣泛的金屬 3D 列印技術，其獨特的逐層成型方式，正是實現複雜幾何結構與卓越材料性能的基礎，也是其與傳統減法製造（如 CNC 加工）或成型製造（如鑄造）最根本的區別。
LPBF 技術的運作原理可簡化為以下幾個連續步驟：首先，機構中的刮刀會將一層極其細薄的金屬粉末均勻鋪在成型平台上；接著，高功率雷射光束會依據數位設計圖（CAD 模型）的路徑，精準地對粉末床進行掃描燒結，使粉末在指定區域熔融並凝固成型；完成一層後，成型平台會下降一個層厚的距離，刮刀再次鋪上新粉，雷射則繼續燒結下一層。此過程「逐層堆疊」，直至整個三維實體零件製造完成。
圖一 雷射粉床熔融（LPBF）技術示意圖
【 複雜流道設計 】
傳統鑽孔工法只能製造直線型的水路，難以均勻貼合發熱元件的表面。3D列印則能輕易實現所謂的「異形水路」（Conformal Cooling Channels），即Lattice結構，讓冷卻流道能如藤蔓般順著產品的複雜曲面分佈(圖二)。
在模具產業的應用中，這種設計能使冷卻更為高效且均勻，避免局部過熱或冷卻不均所導致的產品瑕疵，經證實可提升超過30%的生產效率並顯著改善產品質量。該技術能夠製造出經由拓樸優化（Topology Optimization）演算法設計出的輕量化結構，能大幅減輕零件重量的同時，維持必要的結構強度，並極大化其表面積。
此特性對於需要兼顧強度、重量與表面積的航太零件或熱交換器而言，具有無可比擬的優勢。在熱管理領域，這套工具組促成了一場對熱傳遞方式的根本性重新構想：從利用TPMS結構最大化表面積與體積比，到透過零件整合消除接合處的熱阻。而Altair Inspire則有內建 Lattice結構產生功能，使Lattice結構的設計與3D生成更加便利易上手(圖三)。
圖二 3D列印 Lattice 結構水路散熱器
圖三 Altair Inspire Lattice結構產生器
【 數位化驅動的現代開發流程：從CAE模擬到製造-散熱器設計實例分享 】
傳統的產品開發流程往往是一種漫長且昂貴的物理迭代循環：「製造樣品 -> 進行測試 -> 發現問題 -> 修改設計 -> 再次製造」。這種模式不僅開發週期長、成本高昂，且設計方案的收斂速度緩慢。金屬積層製造的出現，催生了一種更為敏捷高效的現代開發模式：「數位模擬 -> 智慧優化 -> 一次性列印」。
這項戰略性的轉變，其核心價值在於大幅縮短開發週期、降低試錯成本與開發風險。在投入任何製造成本之前，工程師可以利用電腦輔助工程（CAE）軟體，對多種不同的設計方案進行熱流分析。
以下為以CAE分析作為工具，分析不同設計的Lattice水冷散熱器，並與傳統市售鰭片型散熱器進行性能比較(圖四)。當第一輪CAE分析完畢，發現初始設計熱交換瓦數僅56kW，尚不及市售鰭片型的110kW。後續隨即能進行第二輪CAE分析，同時對兩種不同思維的設計思路進行CAE模擬，由分析結果判斷哪一個改良方向才是有效的。
設計1將支流管徑變粗，設計2將進出口主流往下延伸，增加支流與進出流道的交接數量。分析結果顯示設計2為有效改良，其熱交換瓦數達140kW，不但比初始設計大幅提升150%，也超越市售鰭片型27%。而設計2之所以知道要將主流往下延伸，增加主流與支流交接處的接觸面積，也是透過CAE分析結果(圖五)知道，初始設計的壓降太大，達1.68Pa，顯示在主流與支流交接處存在著喉部(throat)。
設計2透過將主流延伸，增加與支流接觸面積，消除喉部限制後，壓降減低為0.06Pa，減少了96%！如此流量便可提升，進而增加熱交換瓦數。
圖四 CAE 設計結果與市售鰭片型散熱效能比較圖
圖五 增加喉部截面積後之壓降結果比較圖
關鍵績效指標（KPI）
透過上述並行比較各方案的溫度分佈、壓降等關鍵性能指標，能夠以精確的數據為依據，快速篩選出最佳設計，而非依賴直覺或漫長的實體測試。這種以數位化為核心的現代流程，為企業帶來了顯著的商業影響。根據實務案例統計，此流程可達成以下關鍵績效指標（KPIs）：
透過這套整合了先進設計、模擬分析與精密製造的數位化工作流程，企業能夠以前所未有的速度和效率，將創新的熱管理方案從概念推向市場。
【 結論：金屬 3D 列印驅動熱管理的未來 】
金屬 3D 列印技術不僅僅是一項製造工藝的革新，它更是一場賦予熱管理領域前所未有設計自由度的範式轉移。它打破了長久以來束縛工程師創意的傳統製造框架，將設計的焦點從「能否製造」轉向了「如何實現最佳性能」。
本文揭示了該技術為工程師及技術決策者帶來的三大核心價值：
三大核心價值
- 幾何複雜度的解放 (Geometric Complexity Unleashed): 製造出傳統工法無法企及的微通道與點陣結構，從根本上提升熱交換效率。
- 系統級的整合與簡化 (System-Level Consolidation & Simplification): 將多零件組件一體化成型，降低成本、減輕重量，並提升系統的可靠性。
- 數位驅動的開發敏捷性 (Digitally-Driven Development Agility): 透過「模擬-優化-列印」的模式，將開發時間縮短60%，成本降低80%以上。
展望未來，隨著AI伺服器、航太科技、國防工業等尖端領域對熱管理效能的要求日益嚴苛，金屬積層製造將不再只是一個選項，而是成為應對未來挑戰、驅動技術創新的不可或缺的關鍵推動者。
