基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板及其成型方法技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板及成型方法，该LED曲面散热基板是由包含墨烯与合金金属的粉末复合材料基于SLS选择性激光烧结3D打印工艺成型的。本发明专利技术的大功率LED曲面石墨烯散热基板的成型工艺便于成型用机械加工方式难以获得的具有复杂曲面的LED散热基板,且特别适用于成型大功率的LED曲面石墨烯散热基板，且LED单颗功率达10瓦以上，相应的LED曲面石墨烯散热基板的热阻降低到0.20℃/W以下，其散热性能是普通金属基板散热性能的5倍。且成型工艺通过一次加热烧结和一次回火，消除烧结过程中LED曲面基板的内应力，过程中不会变形，基板精度高，工件寿命长。

High Power LED Curved Graphene Heat Dissipating Substrate and Its Forming Method Based on 3D Printing Technology

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板及其成型方法
本专利技术涉LED曲面散热基板制备
，更具体地，涉及一种用选择性激光烧结3D打印工艺成型的由石墨烯和金属粉末复合材料的大功率LED曲面石墨烯散热基板及其成型方法。
技术介绍
随着LED的输入功率不断提高，对于大功率LED(即LED单颗功率达10瓦以上)器件的散热要求越来越高。越来越多的大功率LED产品由于发热,导致产品功效降低,使用寿命缩短等问题。LED元器件温度每升高2℃,其可靠性下降10％。因此大功率LED器件的散热问题是影响其使用寿命的关键因素。传统的LED器件的散热基板一般为金属和金属氧化物材料,其散热性能越来越难以满足大功率LED散热的要求。另外LED曲面散热基板难以用普通的机械加工方法成型，其制作工艺复杂，一般要采用数控加工，加工工艺复杂、时间长、成本高。
技术实现思路
为了克服上述技术难题，本专利技术提供一种用选择性激光烧结熔化3D打印工艺制作包含石墨烯和金属粉末复合材料的LED曲面散热基板及成型方法。本专利技术采用选择性激光烧结3D打印工艺(简称SLS选择性激光烧结3D打印工艺)来制作包含石墨烯和合金金属的粉末复合材料的大功率LED曲面散热基板，其中大功率是指LED单颗功率≥10瓦。先采用球磨和研磨的方法制备石墨烯和金属合金粉末复合材料。然后通过选择性激光烧结3D打印工艺装置打印制作LED曲面散热基板。石墨烯具有优异的导电性、物理机械性能、导热和热学性能，具有导电率大、比表面积大、机械强度大等特性。由石墨烯和金属合金粉末组成的复合材料制作大功率LED曲面散热基板，能利用石墨烯优异的导热性能，增强大功率LED散热基板的散热性能，解决大功率LED器件散热难的技术难题。与传统的金属基板相比，具有优异的散热性能。另外采用选择性激光烧结熔化3D打印工艺来制作大功率LED曲面石墨烯散热基板，减少了机械加工的时间与材料消耗，降低了生产成本。本专利技术所采用的技术方案为：一种基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板，所述LED曲面散热基板是由包含墨烯与合金金属的粉末复合材料基于SLS择性激光烧结3D打印工艺成型的。如上所述的基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板的成型方法，包括如下步骤：步骤1，制备所述包含石墨烯和合金金属粉末的复合材料：在球磨装置中加入石墨烯粉末、合金金属粉末、过程控制剂、具有网状结构的有机硅树脂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速150～300rpm，球磨2～8h，得到包含石墨烯和合金金属的粉末复合材料；步骤2，大功率LED曲面石墨烯散热基板的3D打印成型：前处理阶段，首先通过计算机建模软件完成所述LED曲面散热基板的三维CAD造型，然后分层切片，并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结3D打印成型系统中；粉层激光烧结叠加阶段，在惰性气体环境中，基于SLS粉末激光烧结3D打印装置，烧结时粉末缸活塞上升由铺粉辊将粉末复合材料在成型缸活塞上均匀铺上一层，计算机根据所述LED曲面散热基板的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结当前层的粉末复合材料，以形成曲面散热基板的当前层，然后成型缸活塞下降一个层厚，并由铺粉辊铺上新一层的粉末复合材料，控制激光束再扫描烧结新层，如此循环往复，层层叠加，直到所述LED曲面散热基板的成型；后处理阶段，取出所述成型的LED曲面散热基板通过渗蜡或渗树脂进行补强处理；所述烧结过程分为一次加热烧结和一次回火，一次加热烧结温度为400-500℃，使复合粉末材料中的过程控制剂以及有机硅树脂熔融，使其熔化实现粘结金属粉末作用。其熔点比金属材料的熔点低得多，熔化温度比较低，可以节省能源。当所有叠层自动烧结叠加完成后，将烧结体在成型缸中冷却至40℃以下，然后升温回火至100-150℃，并消除烧结过程中的内应力。其中冷却速度优选为30℃/小时，回火升温速度优选为50℃/小时过程控制剂、以及网状结构的有机硅树脂，使其熔化实现粘结合金金属粉末作用。其熔点比金属材料的熔点低得多，熔化温度比较低，可以节省能源。所述的合金金属粉末为镍基、钴基、钛基、铁基、钨基、铜基中的任意一种材料，所述合金金属粉末的粒径为30～80um；所述石墨烯的粒径为5～50um，其中石墨烯的质量含量占合金金属粉末与石墨烯总质量的5～10％；所述过程控制剂为硬脂酸，其质量含量为合金金属粉末和石墨烯总质量的1～2％；所述的有机硅树脂为聚甲基硅树脂，其质量含量为合金金属粉末和石墨烯总质量的3～5％。进一步的，所述激光束为由二氧化碳激光器发出的红外激光束。进一步的，后处理阶段所述的蜡为液体石蜡，所述的树脂为液态光敏树脂。本专利技术所取得的技术效果为：(1)本专利技术的成型工艺便于成型用机械加工方式难以获得的具有复杂曲面的LED散热基板,且特别适用于成型大功率的LED曲面石墨烯散热基板，且LED单颗功率达10瓦以上，相应的LED曲面石墨烯散热基板的热阻降低到0.2℃/W以下，其散热性能是普通金属基板散热性能的5倍。(2)本专利技术的成型工艺通过渗蜡或渗树脂进行补强处理，使得LED曲面散热基板致密且强度好。(3)本专利技术的成型工艺通过一次加热烧结和一次回火工艺，消除了烧结过程中LED曲面基板的内应力，制作过程中不会变形，基板精度高，工件寿命长。附图说明图1为本专利技术3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板的原理图。具体实施方式本专利技术下面结合实施例作进一步详述：实施例1：基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板的成型方法，包括如下步骤：步骤1，制备所述包含石墨烯和合金金属粉末的复合材料：在球磨装置中加入10kg的石墨烯粉末、83kg的镍基合金金属粉末、2kg的硬脂酸过程控制剂、5kg的聚甲基硅树脂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速150～300rpm，球磨2～8h，得到包含石墨烯和合金金属的粉末复合材料。其中合金金属粉末为镍基合金金属粉末，合金金属粉末的粒径为30～80um，石墨烯的粒径为5～50um。步骤2，大功率LED(本实施例的LED单颗功率为10瓦)曲面石墨烯散热基板的3D打印成型：前处理阶段，首先通过计算机建模软件完成LED曲面散热基板的三维CAD造型，然后分层切片，并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结熔化3D打印成型系统中；粉层激光烧结叠加阶段，在惰性气体环境中，基于SLS粉末激光烧结熔化3D打印装置，烧结时粉末缸活塞上升由铺粉辊将粉末复合材料在成型缸活塞上均匀铺上一层，计算机根据所述LED曲面散热基板的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结当前层的粉末复合材料，以形成曲面散热基板的当前层，然后成型缸活塞下降一个层厚，并由铺粉辊铺上新一层的粉末复合材料，控制激光束再扫描烧结新层，如此循环往复，层层叠加，直到所述LED曲面散热基板的成型；后处理阶段，取出所述成型的LED曲面散热基板通过渗蜡或渗树脂进行补强处理。所述烧结过程分为一次加热烧结和一次回火，一次加热烧结温度为450℃，目的是使复合粉末材料中的过程控制剂以及有机硅树脂熔融；当所有叠层自动烧结叠加完成后，将烧结体在成型缸中冷却至40℃以下，然后升温回火150℃，并消除烧结过程中的内应力。其中冷却速度为30℃/小时，回火升温速度为50℃/小时。具体的，激本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板，其特征在于：所述LED曲面散热基板是由包含墨烯与合金金属的粉末复合材料基于SLS选择性激光烧结熔化3D打印工艺成型的。

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板，其特征在于：所述LED曲面散热基板是由包含墨烯与合金金属的粉末复合材料基于SLS选择性激光烧结熔化3D打印工艺成型的。2.如权利要求1所述的基于3D打印工艺成型的大功率LED曲面石墨烯散热基板的成型方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，制备所述包含石墨烯和合金金属粉末的复合材料：在球磨装置中加入石墨烯粉末、合金金属粉末、过程控制剂、有机硅树脂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速150～300rpm，球磨2～8h，得到包含石墨烯和合金金属的粉末复合材料；步骤2，大功率LED曲面石墨烯散热基板的3D打印成型：前处理阶段，首先通过计算机建模软件完成所述LED曲面散热基板的三维CAD造型，然后分层切片，并经STL数据转换后输入到粉末激光烧结3D打印成型系统中；粉层激光烧结叠加阶段，在惰性气体环境中，基于SLS粉末激光烧结3D打印装置，烧结时粉末缸活塞上升由铺粉辊将粉末复合材料在成型缸活塞上均匀铺上一层，计算机根据所述LED曲面散热基板的切片模型控制激光束的二维扫描轨迹，有选择地烧结当前层的粉末复合材料，以形成曲面散热基板的当前层，然后成型缸活塞下降一个层厚，并由铺粉辊铺...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁锋，马国华，
申请(专利权)人：常州轻工职业技术学院，常州市超顺电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32