从鳍片到TPMS晶格：当3D打印成为标配，散热还有一个重要门槛！

2025年11月3日

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在电子设备、新能源汽车乃至航空航天等领域，热管理始终是影响性能的关键环节。从早期的金属鳍片到热管与均热板，人类在“散热”这场持续百年的技术竞赛中，不断追求更高效、更紧凑的解决方案。而今，一种源自数学与自然形态的结构——三周期最小曲面（TPMS），正在凭借独特几何特性，引领散热技术进入一个全新时代。

散热技术的进化之路

早期的散热需求，停留在解决有无的阶段。彼时电子设备功率较低，凭借铝、铜等金属优异的导热性，再搭配简单的鳍片设计，通过增大与空气的接触面积，依靠自然对流或风扇强制风冷，就能轻松应对热量问题。这种方案成本低、工艺成熟，曾长期占据市场主流。

但随着芯片制程不断突破、功率密度呈指数级增长，传统金属散热的效率很快触顶，散热瓶颈成为制约设备性能的绊脚石。

图1 传统散热器

为突破这一局限，相变传热技术应运而生，其中最具代表性的便是热管与均热板（VaporChamber）。它们利用密闭真空腔体内的工质蒸发吸热和冷凝放热循环，实现了远超金属的等效导热系数。这一技术的出现，标志着散热设计从单纯的“导热”，升级为高效的“热输运”与“均温”。

图2 均热板内部结构

TPMS结构：重塑高效散热新标准

TPMS结构是一种在三维空间中周期性延展、平均曲率为零的平滑曲面结构，常见的有Gyroid、Diamond、SchwarzP等类型。在增材制造技术的赋能下，TPMS结构的优势被彻底激活，成为解决高端散热需求的核心方案：

➡️ 极高的比表面积与流畅流道

TPMS结构能构建出极高的比表面积，可极大促进热量从固体表面向冷却工质（空气、液体等）传递；更关键的是，它的流道完全由平滑曲面构成，没有尖锐转折或死角，能显著降低工质流动阻力，实现低泵功需求下的高效换热。

➡️ 设计自由度高，性能可精确调控

TPMS结构的几何形状由数学公式隐式定义，工程师可像“编程”一样，精确调控其孔隙率、单元尺寸、胞元类型等关键参数，针对高热流密度区域，可降低孔隙率、加密结构以增强换热；针对低热量区域，则可增大孔隙率、简化结构以减小流阻。这种“定制化设计”能力让散热方案能精准匹配不同设备的需求，避免了性能浪费。

➡️ 场驱动设计与性能突破

最新的研究采用了场驱动设计方法。例如，根据散热器表面的温度分布场来智能地调整不同区域的孔隙率——在高温区域降低孔隙率以增强换热，在低温区域增加孔隙率以减小流阻。研究表明，通过此法优化的TPMS流道，在保持优异散热效果的同时，其进出口压差可比均匀孔隙率结构降低约90%，综合性能大幅提升。

➡️ 多功能集成与轻量化

TPMS结构天生具备高比强度，在提供高效散热的同时，能实现显著的轻量化效果。这使得它成为航空航天、高端电子等领域理想的多功能结构材料，有望实现“结构-散热”一体化设计。

图3 纯铜散热底板

VoxelDance Design高阶隐式建模赋能TPMS设计

尽管TPMS结构优势显著，但其复杂性使得设计与加工一直是行业痛点。传统工具难以应对多目标协同优化，例如融合多种TPMS结构以实现散热效率、流体特性和结构强度的平衡，导致计算耗时过长且难以实现平滑融合，严重制约了技术落地。

而漫格自主研发的VoxelDanceDesign(VDD)在隐式建模和场驱动处理方面展现出卓越性能，不仅能轻松完成单一TPMS结构的精准设计，更能实现多种TPMS结构的平滑融合，让设计师无需陷入复杂的几何计算，即可高效完成定制化散热结构的开发。以一个典型的电子设备散热结构设计为例，借助VDD，整个流程仅需三步：

➡️ 导入设备的原始外壳结构与需要填充散热结构的区域，明确设计边界；