Trong lĩnh vực cơ khí chính xác, tối ưu hóa hệ thống làm mát là yếu tố sống còn cho các thiết bị điện tử và tự động hóa hiện đại. Gần đây, công nghệ ECAM – viết tắt của Electrochemical Additive Manufacturing (sản xuất bồi đắp điện hóa) – đang mở ra kỷ nguyên mới trong sản xuất tấm tản nhiệt (cold plate): in 3D kim loại tinh khiết ở nhiệt độ phòng, không cần gia công bổ sung mà vẫn đạt độ chính xác tuyệt đối và tiết kiệm chi phí. Sự đổi mới này đã được kiểm chứng qua cuộc thi thiết kế cold plate sinh viên quốc tế, với các ứng dụng thực tiễn giúp ngăn ngừa những sự cố nghiêm trọng như quá nhiệt của vệ tinh GOES-17 vào năm 2018 do lỗi hệ thống làm mát. Hãy cùng khám phá cách các thực tập sinh của Siemens DISW Nottingham đã ứng dụng kết hợp ECAM của Fabric8Labs và phần mềm giải tích CFD Simcenter Flotherm XT để bứt phá giới hạn của thiết kế cold plate truyền thống.

Tham Gia Cuộc Thi Thiết Kế Cold Plate

Năm 2024/25, nhóm thực tập sinh Siemens DISW Nottingham đã tham dự cuộc thi thiết kế cold plate do ASME K-16 và IEEE EPS tổ chức. Mục tiêu của nhóm là áp dụng công nghệ sản xuất bồi đắp để định hình lại thiết kế truyền thống của cold plate. Sáu mô hình CAD độc lập được nhóm mô phỏng bằng Simcenter Flotherm XT, với ba tiêu chí đánh giá chính: kháng nhiệt, tổn thất áp suất và khối lượng. Được chọn là một trong bốn đội vào chung kết, nhóm đã phối hợp với Fabric8Labs để sản xuất các thiết kế bằng đồng nguyên chất và trình bày thành quả tại hội nghị IEEE ITherm 2025 ở Dallas – một hành trình đầy thử thách và giá trị thực tiễn cao cho ngành kỹ thuật nhiệt.

Khám Phá Các Ý Tưởng Thiết Kế Ban Đầu

Ban đầu, nhóm phát triển sáu thiết kế CAD khác nhau và đánh giá hiệu quả của từng mô hình bằng mô phỏng Simcenter Flotherm XT. Việc so sánh này giúp lựa chọn thiết kế tiềm năng nhất để tối ưu cho vòng thi cuối.

Mô hình Honeycomb - Thiết kế 2
Mô hình phiến tiêu chuẩn - Thiết kế 3
Mô hình chuỗi - Thiết kế 4
Mô hình wave xen kẽ - Thiết kế 5
Mô hình lưới Kagome kim tự tháp - Thiết kế 6

Mô Phỏng CFD Ban Đầu Với Simcenter Flotherm XT

Ngay từ các mô phỏng đầu, thiết kế Snowflake và Honeycomb lộ rõ nhược điểm lớn: tổn thất áp suất cao do hình học thay đổi đột ngột gần cửa vào, gây xoáy và làm giảm hiệu suất nhiệt.

Kết quả mô phỏng mô hình Snowflake
Kết quả mô phỏng mô hình Honeycomb
Kết quả mô phỏng mô hình phiến tiêu chuẩn

Các mẫu Chain và Alternating wave tuy giúp giảm nhiệt và khối lượng, nhưng lại tăng nhẹ tổn thất áp suất, khiến lợi ích thu được chưa xứng đáng với chi phí in 3D.

Kết quả mô phỏng mô hình chuỗi
Kết quả mô phỏng mô hình wave xen kẽ
Kết quả mô phỏng mô hình lưới Kagome kim tự tháp

Dựa trên chỉ số đánh giá tổng hợp (FoM), thiết kế lưới Kagome kim tự tháp thể hiện tối ưu: FoM cao hơn 11,39% so với phiến tiêu chuẩn ở lưu lượng nước 1,85 L/phút – xứng đáng được phát triển tiếp.

Biểu đồ FoM các thiết kế cold plate

Lý Do Chọn Thiết Kế Lưới Kagome Kim Tự Tháp

Ảnh mô phỏng lưới Kagome lấy cảm hứng từ nghệ thuật đan giỏ Nhật Bản

Lưới Kagome lấy cảm hứng từ hoa văn đan giỏ truyền thống Nhật Bản và mô phỏng cấu trúc cây trong tự nhiên – ứng dụng hoàn hảo cho sản xuất bồi đắp nhờ hình học phức tạp khó chế tạo thông thường. Thiết kế này giúp giảm đáng kể khối lượng, kháng nhiệt và tổn thất áp suất – ba yếu tố then chốt cho cold plate hiện đại.

Bản vẽ mô phỏng cấu trúc cây trong tự nhiên

Với tổng cộng 768 đơn vị lưới, các thanh nghiêng 55°, bán kính chỉ 0.2 mm (nhỏ hơn so với giới hạn công nghệ truyền thống), kiểu lắp song song dòng chảy giúp phân bổ vận tốc đều và giảm tổn thất áp suất. Thêm thanh dọc ở tâm mỗi đơn vị lưới tạo ra xoáy bé, tăng hiệu suất truyền nhiệt qua đối lưu mà chỉ làm tăng khối lượng rất nhỏ.

Cận cảnh lưới Kagome cold plate
Các góc nhìn khác nhau của cấu trúc lưới Kagome

Kết hợp thêm đế kim tự tháp bên dưới, diện tích tiếp xúc tăng giúp dẫn nhiệt tốt hơn mà vẫn đảm bảo kết cấu nhẹ, bền vững cho các ứng dụng công nghiệp.

Phân Tích Thiết Kế Tối Ưu Bằng Mô Phỏng CFD

Mô phỏng CFD chi tiết trên Simcenter Flotherm XT cho thấy phiên bản cold plate Kagome được chế tạo từ đồng nguyên chất (380 W/m·K), nạp nhiệt đồng đều 350 W ở đáy và lưu lượng nước 1,85 L/phút ở 20°C. Nghiên cứu lưới giúp độ chính xác rất cao, nhờ SmartCells phân bổ lưới tự động tinh vi ở vùng trọng yếu, rút ngắn thời gian tính toán mà vẫn bảo đảm kết quả chính xác.

Bản đồ vận tốc chất lỏng trên cold plate

Giá trị vận tốc chất lỏng cao giúp hạn chế phát triển lớp biên nhiệt và làm tăng gradient nhiệt, từ đó tăng hiệu suất truyền nhiệt. Nhưng đồng thời, áp suất cũng tăng do dòng xoáy nhỏ. Nhóm thực hiện khảo sát tham số để tìm ra lưu lượng tối ưu hóa FoM với kết quả cuối cùng FoM = 0.74489 ở lưu lượng 2 L/phút – sự cân bằng lý tưởng giữa kháng nhiệt, áp suất và khối lượng.

Bản đồ phân bố nhiệt trên cold plate và đế

Nhiệt độ tối đa tại đáy đế đạt 37,308°C. Nhờ thiết kế lưới mở và cấu trúc tối ưu, khối lượng giảm đáng kể mà vẫn đủ bền để vận hành lâu dài.

Nguyên Mẫu In 3D Có Thực Sự Hiệu Quả?

Trước khi nộp thiết kế cuối, nhóm đã in thử nghiệm trên các công nghệ in 3D phổ biến như FDM (in PLA tỉ lệ 2:1), DLP (resin tỉ lệ 1.5:1). Các nguyên mẫu này xác thực khả năng thi công hình học phức tạp của lưới Kagome và làm nổi bật ưu thế của ECAM từ Fabric8Labs – cho phép sản xuất các chi tiết cực nhỏ (thanh 0.2 mm, khoang kín, nhô, hốc…) mà các phương pháp truyền thống như phay hay đúc khó hoặc không thể thực hiện.

Ảnh thực tế mẫu cold plate Kagome bằng đồng in ECAM

Kết quả thực nghiệm tại Intel Corporation & S-Pack Labs xác nhận thiết kế này có FoM cao nhất trong số các đội tham dự, chứng minh công nghệ mới hoàn toàn khả thi trong thực tế công nghiệp.

Bảng kết quả thực nghiệm các đội chung kết cold plate

Giành Giải Nhì Tại IEEE ITherm 2025

Vượt qua hơn 15 đội quốc tế, nhóm Siemens DISW Nottingham xuất sắc lọt vào top 2 tại hội nghị ITherm 2025. Quan trọng hơn cả giải thưởng là kinh nghiệm thực tế, sự sáng tạo đổi mới và hiểu biết sâu sắc về phần mềm Siemens DISW mà nhóm tích lũy được. Điều này sẽ mở ra nhiều đột phá mới cho ngành kỹ thuật nhiệt công nghiệp Việt Nam thời gian tới.

Giấy chứng nhận giải nhì – Thiết kế Chilly Platter
Hình kỷ niệm nhóm và các đội lọt vào chung kết

Nếu anh/chị từng tìm hiểu hay ứng dụng các thiết kế nổi bật chỉ khả thi nhờ ECAM, hay có dự án mô phỏng nào với Simcenter Flotherm XT, hãy cùng chia sẻ vì cộng đồng CAD/CAM cơ khí Việt Nam phát triển mạnh mẽ hơn nữa nhé!

Tham Khảo Thêm

Bạn đang tìm kiếm giải pháp tối ưu cho các thiết kế tản nhiệt phức tạp hoặc cần tư vấn mô phỏng, chế tạo linh kiện theo công nghệ tiên tiến nhất? Đừng ngần ngại! Đội ngũ chuyên gia của Micad sẵn sàng đồng hành cùng bạn – từ thiết kế, mô phỏng CFD chuyên sâu đến gia công, kiểm soát chất lượng sản phẩm in 3D kim loại. Đảm bảo thành phẩm đạt chuẩn quốc tế, đáp ứng yêu cầu khắt khe trong các ngành công nghiệp máy móc, điện tử và tự động hóa. Liên hệ ngay với chúng tôi tại https://micad.vn/bao-gia/ để nhận tư vấn và báo giá nhanh chóng, chính xác, uy tín!