LED天花灯散热器逆向设计.docx

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LED天花灯散热器逆向设计

LED天花灯散热器逆向设计

与可制造性分析

摘要：

为了促进中国照明电器行业结构优化升级、推动实现“十二五”节能减排目标任务、积极应对全球气候变化，从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯，白炽灯的退出市场，为LED灯具等高效节能的照明产品带来了广阔的市场空间。

散热器作为LED灯具的重要组件，决定了LED灯具的寿命以及节能降耗的效果，是LED灯具组件的重要组成部分，可制造性设计（DesignforManufacturing，DFM），它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。

本文主要研究散热器的可制造性分析。

关键词：

散热器；逆向设计；可制造性分析

LEDCeilingRadiatorReverseDesignandManufacturabilityAnalysis

Abstract:

InordertopromoteChineseLightingIndustrystructureoptimizationandupgrading,promotetherealizationof"12"energy-savingemissionreductiontargets,tasks,andactivelyrespondtoglobalclimatechange,fromOctober1,2012,inaccordancewiththepowersizeofthephasedgraduallybannedtheimportofenergyefficientLEDlampsandotherlightingproductsandsalesofgenerallightingincandescentlamp,incandescentlampmarket,abroadmarketspace.TheradiatorasanimportantcomponentoftheLEDlamps,LEDlamplifeandenergysavingeffectisanimportantpartoftheLEDlightingcomponents,designformanufacturing（DesignforManufacturing,DFM）,itistostudytheproductstheinterrelationshipbetweenthevariouspartsofthephysicalcharacteristicsofmanufacturingsystems,anditisusedintheproductdesign,theentiremanufacturingsysteminordertoblendtheoveralloptimization,makingitmorespecificationsinordertoreducecosts,shortenproductiontime,improveproductmanufacturabilityandefficiency.Thispaperstudies theradiator manufacturabilityanalysis.

Keywords:

Radiator，Reversedesign，Manufacturability，analysis

第1章绪论

1.1引言

LED灯作为新型的节能环保灯被人们广泛运用于生活与生产中，LED天花灯是采用导热性极高的铝合金及专利结构技术设计生产的新型天花灯。

LED天花灯在商业照明领域使用较广，家居照明领域还在慢慢渗透。

LED灯应用从指示到景观再到现在的照明，功率越来越大，对散热的要求也越来越高，选择合适的散热器，是LED灯设计中的关键，因为它事关整灯的使用寿命，对其进行可制造性分析确保设计与成本的最优方案，也是LED散热器领域争相研究的对象。

1.2课题提出的背景及意义

1.2.1国内外研究现状

LED天花花灯用导热性极高的铝合金及专利结构技术设计生产的新型天花灯。

LED天花灯在商业照明领域使用较广，家居照明领域还在慢慢渗透。

LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

世界目前LED产业投资是很热的一个重点项目，全球各国对LED的研发生产都比较重视。

为了促进中国照明电器行业结构优化升级、推动实现“十二五”节能减排目标任务、积极应对全球气候变化，从2012年10月1日起，按照功率大小分阶段逐步禁止进口和销售普通照明白炽灯，白炽灯的退出市场，为LED灯具等高效节能的照明产品带来了广阔的市场空间。

LED作为新型光电发光器件，由于它的低碳环保、体积小、重量轻、成本低、寿命长的优势，正越来越受到人们的追捧，发展势头异常迅猛，是光电专家所始料不及的。

散热器作为LED灯具的重要组件，决定了LED灯具的寿命以及节能降耗的效果，是LED灯具组件的重要组成部分。

LED照明灯具发光后产生的热量主要通过LED基板和安装在LED上的散热装置传导出去。

而良好的散热设计可以大幅度延长LED的使用寿命，因此散热设计对LED光源的性能起着至关重要的作用。

合理选用、设计散热器，能有效降低LED的结温，提高LED的可靠性。

它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。

1.2.2LED灯的发展趋势

近几年兴起的LED灯是照明史上的又一次重大的革新，作为新世纪的全新照明技术，打到了全世界的关注，被誉为人类照明史上第三次革命。

因其有与传统照明相比具有的理论及环保等多项优越性，受到了广大专业人士的青睐于国家政策的大力扶持，这种新型产业技术已经显露出越来越强烈的发展势头。

相比其他的照明灯而言，LED灯具有以下优势：

1、环保

在能源危机，全球生态环境日益恶劣的情况下，节约和合理利用有效资源的形式势不可挡。

这一切形式的转变改变了人们的生活和价值观。

我国的能源危机日益凸显，能源紧张问题制约经济的快速发展。

中国作为人口大国，势必是耗电大户，因此，要想缓解国家用电紧张以及降低能耗，就要推广绿色光源的使用。

2、寿命长

目前市场上的节能产品众多，但无论在技术还是环保节能方面，LED等行业都是首屈一指的。

LED灯即半导体照明灯，比白炽灯省电80%，比荧光节能灯省电50%。

白炽灯的寿命为1000-2000小时，而LED灯的理论寿命长达10万小时。

3、清雅舒适，光线柔和

随着我国城市的发展，经济的繁荣昌盛和社会进步，人们生活水平和对生活质量的要求不断提高，城市道路照明以及夜景照明成为城市规划的一项重要任务。

城市的夜景繁荣不仅是美化城市形象，鼓舞明心，振奋精神的一项非常有意义的工作。

LED新型照明工具是把电流直接转换成直电流，光线柔和，光照度均不会发生闪烁现象和散发大量热度，并且不会产生紫外线，对于构建和谐绿色的宜居城市有推动作用。

4、灯具效率高

灯具的效率主要是指有效发光率。

普通的荧光灯是360°发光的，而在反方向发出的光就没有什么用处，造成了不必要的光源能耗。

所以荧光灯通常采用一个白色的灯罩，可以把相当一部分的反向光反射回来。

LED日光灯则是120度发光的，所以全部都是有效光。

尽管有的时候觉得120度发光角度窄了一点，不过大多数还是够用的，而且这个发光角度是可以根据需要来加以调整的，非常灵动适应。

1.2.3课题的目的及意义

本次课题以LED灯具散热器为对象，主要研究LED灯具散热器的逆向设计与改型设计。

掌握逆向测量的基本方法，掌握逆向设计的基本原理和基本流程，掌握LED散热器散热原理和可制造分析方法，积累逆向工程设计过程中的一些经验和方法，对逆向工程设计有个系统的认识，同时对LED散热器结构有一定的认识，掌握可制造性分析的方法，并通过设计过程形成自己的逆向设计思路，提出一些建议和创新点。

1.3研究内容

了解并熟悉LED灯具散热器的散热原理及其设计方法，精通产品实物逆向设计的各种方法，能利用逆向设计软件对产品实物进行逆向设计，并能对产品进行可制造性分析与改型设计。

第2章LED天花灯散热器逆向设计

2.1逆向设计概念

逆向设计过程是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理（数据采集、数据处理），并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的三维CAD模型（曲面模型重构），并进一步用CAD/CAE／CAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。

逆向设计通常是应用于产品外观表面的设计。

2.1.1逆向测量原理及特点

逆向工程的原理就是一个“从有到无”的过程，根据已经存在的产品模型，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据的过程。

一般说来，逆向工程所采用的测量方式只有接触式测量与非接触式测量两种。

随着近年来光电子技术、微电子技术以及计算机技术的快速发展，光学测量、特别是激光测量技术获得了重大突破，同时也开启了现代非接触测量的新的时代，由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据。

在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。

由于各种原因我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。

但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。

传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。

逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。

并给出一个一体化的解决方案：

从样品→数据→产品。

2.1.2逆向工程应用领域

逆向工程的流程由以下几步组成，模型曲面分析→确定扫描方案→进行实体点云扫描→进行点云数据处理→多边形处理→曲面拟合→实体建模。

逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。

实现新产品快速开发的重要技术手段。

其主要应用领域如下：

1、对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型，然后利用逆向工程重建产品数字化模型。

2、当设计需要实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。

例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。

此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。

3、在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。

这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。

因此，逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。

4、逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。

5、借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。

6、逆向工程将打破传统的实物格局，实现传统制造业与现代计算机信息技术的对接，缩短研发周期，提高效率。

2.2LED天花灯散热器逆向测量步骤

分析散热器结构是由散热鳍片和基座组成，LED天花灯散热器实物如图2-1所示：

图2-1散热器

由于鳍片结构比较复杂，用逆向非接触测量无法获得其点云数据，所以采用比较传统的逆向测量方法，工具使用为：

游标卡尺、直尺、细绳。

零件尺寸的测量方法：

通过最原始的逆向测量方法用游标卡尺进行测量，从零件可以看出来基座的基本数据可以有游标卡尺直接测量得到，散热器的内圆和内圆厚度也可以通过游标卡尺直接测量，对于散热器的鳍片弧度的测量时通过测量鳍片的弧长，然后确定鳍片的数量，鳍片厚度通过游标卡尺直接测出。

鳍片弧度的测量方法为：

通过一根细绳沿着鳍片圆弧使其与圆弧重合，做好标记后测量被标记细绳的长度即为弧长。

通过对零件尺寸的测量可以得到零件的二维工程图如图2-2所示，三维图如图2-3所示。

图2-2散热器零件二维工程图

图2-3散热器零件三维图

第3章LED天花灯散热器可制造性分析

3.1可制造性分析概述

3.1.1可制造性概述

可制造性——亦被各方称为协同式或同时性工程（concurrentorsimultaneousengineering）或是可生产性或生产线之设计（designforproductivityorassembly）——相较于由研发工程师建立自己的设计原型（prototype），然后在未经前线生产工人的意见下将之送到生产部门组装线上的传统制造方式来说享有非常大的优势。

另一方面，一个可制造性团队的成员包括设计者、制造工程师：

行销代表、财务经理、研发人员、原料供应商及其他计划利益相关者（包括客户在内）。

因为包含来自各方人士，因此也有助于加速计划的完成并且可以避免传统生产方式会碰到的延迟。

它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。

它的核心是在不影响产品功能的前提下，从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与，使之标准化、简单化，让设计利于生产及使用。

减少整个产品的制造成本（特别是元器件和加工工艺方面）。

减化工艺流程，选择高通过率的工艺，标准元器件，选择减少模具及工具的复杂性及其成本。

3.1.2可制造性分析的方法

首先要认识到它的必要性，特别是生产和设计部门这两方面的领导更要确信DFM的必要。

只有这样，才能使设计人员考虑的不只是功能实现这一首要目标，还要兼顾生产制造方面的问题。

这就是讲，不管你设计的产品功能再完美、再先进，但不能顺利制造生产或要花费巨额制造成本来生产，这样就会造成产品成本上升、销售困难，失去市场。

其次，统一设计部门和生产部门之前的信息，建立有效的沟通机制。

这样设计人员就能在设计的同时考虑生产过程，使自己的设计利于生产制造。

第三，选择有丰富生产经验的人员参与设计，对设计成果进行可制造方面的测试和评估，辅助设计人员工作。

最后，安排合理的时间给设计人员，以及DFM工程师到生产第一线了解生产工艺流程及生产设备，了解生产中的问题。

以便更好、更系统地改善自己的设计。

3.1.3可制造性分析的意义

1、降低成本、提高产品竞争力。

低成本、高产出是所有公司永恒的追求目标。

通过实施DFM规范，可有效地利用公司资源，低成本、高质量、高效率地制造出产品。

如果产品的设计不符合公司生产特点，可制造性差，即就要花费更多的人力、物力、财力才能达到目的。

同时还要付出延缓交货，甚者失去市场的沉重代价。

2、有利于生产过程的标准化、自动化、提高生产效率。

DFM把设计部门和生产部门有机地联系起来，达到信息互递的目的，使设计开发与生产准备能协调起来。

统一标准，易实现自动化，提高生产效率。

同时也可以实现生产测试设备的标准化，减少生产测试设备的重复投入。

3、有利于技术转移，简化产品转移流程，加强公司间的协作沟通。

现在很多企业受生产规模的限制，大量的工作需外加工来进行，通过实施DFM，可以使加工单位与需加工单位之间制造技术平稳转移，快速地组织生产。

可制造性设计的通用性，可以使企业产品实现全球化生产。

4、新产品开发及测试的基础。

没有适当的DFM规范来控制产品的设计，在产品开发的后期，甚至在大批量生产阶段才发现这样或那样的组装问题，此时想通过设计更改来修正，无疑会增加开发成本并延长产品生产周期。

所以新品开发除了要注重功能第一之外，DFM也是很重要的。

3.2LED天花灯散热器结构分析

太阳花散热器和基座组成如图3-1所示:

图3-1散热鳍片和基座

由零件结构分析可知道，太阳花鳍片结构比较复杂，鳍片数量比较多，而且厚度只有0.8mm，应采用模具制造，且基座和散热器同时加工出来，模具结构比较复杂，因此对基座加工采用机加工的方法。

3.3散热器材料的选择

3.3.1LED散热器选材原则

1、热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力；

2、易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺；

3、易获取——虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；

3.3.2散热器材料的选取

选材当然是选热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格及后加工工艺，热传导系数很高的金、银，由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；铁：

则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作高性能散热片。

铜：

热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大、容易氧化等不利条件，在散热片中使用较少。

铝:

作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，为此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。

表3-1为常用金属热材料导热系数和热膨胀系数表。

热传导系数的定义为：

每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。

其中W指热功率单位，m代表长度单位米，而K为绝对温度单位。

该数值越大说明导热性能越好。

各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。

表3-1中列出的5种不同铝合金中：

6061与6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。

由于6063鳍片厚度与鳍片高度比不能大于1:

18，ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，可惜加工机械性能方面不及ADC12。

考虑到零件鳍片厚度为0.8mm，所以选择采用6061作为加工用的材料。

表3-1金属散热材料导热系数和热胀系数

金属材料

传热导系数

热胀系数（1/℃）

铝

237W/mK

0.0000249

铁

48W/mK

0.000042

6061型铝合金

155W/mK

0.000023

6063型铝合金

201W/mK

0.00001176

ADC12型铝合金

96W/mK

0.0000236

6061型铝合金的优势有：

相对其它固体材料，铝具有更好的热传导能力；延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺；虽然铝铜也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊加工，价格相对低廉，回收价值高。

3.4散热器加工方式选择

3.4.1散热器加工方式介绍

散热器的结构决定散热器的加工方法，现在主要的散热片加工方法有铝挤式散热片、塞铜式散热片、压固法、锻造式散热片、接合型散热片、切削式散热片、可挠性散热片。

下面是几种散热片加工方法介绍：

1、铝挤式散热片

铝材质由于本身柔软易加工的特点很早就应用在散热器市场，铝挤技术简单的说就是将铝锭高温加热后，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，做出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。

铝挤散热片的成本低，技术门槛要求也不高。

2、塞铜式散热片

目前市场主流的散热片所用的主要材质无外乎铝和铜两种，而塞铜工艺则正是结合铝和铜各自优点应运而生的产物。

塞铜工艺是利用热胀冷缩的原理来完成的，将铝挤型散热片加热后将铜芯塞入其中，最后再进行整体的冷却。

由于没有使用第三方介质，塞铜工艺可以大幅度降低接触面间的热阻，不但保证了铜铝结合的紧密程度，更充分利用了铝散热快和铜吸热快的特性。

这种塞铜工艺成本适中散热效果也不错，是目前市场上的主流散热片类型。

3、压固法

也就是将众多的铜片或铝片叠加起来，然后在两侧加压并将其截面进行抛光，这个截面与CPU核心接触，另外一面则伸展开来作为散热片的鳍片。

压固法制作的散热器其特点是鳍片数量可以做的很多，而且不需要很高的工艺就能保证每个鳍片都能与CPU核心保持良好的接触（或靠近），而各个鳍片之间也通过压固的方式有着紧密的接触，彼此之间的热量传导损失也会明显降低，正是因为压固法制作的散热器拥有众多的鳍片，这种散热器的散热效果往往不错，重量则比传统的散热器要轻的多。

4、锻造式散热片

锻造工艺就是将铝块加热后利用高压充满模具内而形成的，它的优点是鳍片高度可以达到50mm以上，厚度1mm以下，能够在相同的体积内得到最大的散热面积，而且锻造容易得到很好的尺寸精度和表面光洁度。

但锻造时，因金属的塑性低，变形时易产生开裂，变形抗力大，需要大吨位的锻压机械，也正因为设备和模具的高昂费用而导致产品成本极高。

5、接合型散热片

由于传统铝挤型散热片无法突破鳍片厚度和长度的比例限制，故而采用结合型散热片。

这种散热片是先用铝或铜板做成鳍片，之后利用导热膏或焊锡将它结合在具有沟槽的散热底座上。

结合型散热片的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做鳍片。

6、切削式散热片

相对于铝挤型散热片，切削工艺解决了散热片的鳍片厚长之比的限制。

切削工艺是利用特殊的刀具将整块材质削出一层层的鳍片，这种散热鳍片可薄至0.5mm，而且散热片的鳍片和底座是一体的，因而就不会出现界面阻抗的问题。

不过这种切削工艺在生产的过程中废料多和量品率低的影响使得成本居高不下，故而切削工艺主要偏向铜制散热片。

7、可挠性散热片

可挠性散热片是先将铜或铝的薄板，以成型机折成一体成型的鳍片，然后用穿刺模将上下底板固定，再利用高周波金属熔接机，与加工过的底座结合成一体，由于制程为连续接合，适合做高厚长比的散热片，且因鳍片为一体成型，有利于热传导之连续性，鳍片厚度仅有0.1mm，可大大降低材料的需求，并在散热片容许重量内得到最大热传面积。

8、压铸成型

压铸是一种精密的铸造方法，经由压铸而铸成的压铸件之尺寸公差甚小，表面精度甚高，在大多数的情况下，压铸件不需再车削加工即可装配应用，有螺纹的零件亦可直接铸出。

9、挤压成型

挤压是迫使金屑块料产生塑性流动，通过凸模与凹模间的间隙或凹模出口，制造空心或断面比毛坯断面要小的零件的一种工艺方法。

如果毛坯不经加热就进行挤压，便称为冷挤压。

如果毛坯经加热到结晶温度以上的，便称为热挤压。

3.4.2LED天花灯散热器加工方式的确定

通过以上方法和本身零件结构分析，主要选用压铸成型或者挤压成型。

1、挤压成型的优点

（1）节约原材料冷挤压件材料利用率通常可以达到80%以上。

采用冷挤压方法生产机械零件，可以节约大量钢材和有色金属材料。

（2）生产率高用冷挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，特别是生产批量大的零件，用冷挤压方法生产可比切削加工提高几倍、几十倍、甚至几百倍。

（3）可加工形状复杂的零件如异形截面、内齿、异形孔及盲孔等，这些零件采用其它加工法难以完成，用冷挤压加工却十分方便。

所示的