Idealer Kühlköper mit 3D Druck

Wir alle wollen schnellere Smartphones und Laptops in immer kleineren Gehäusen – was bedeutet, dass die Wärmeableitung ein wesentlicher Bestandteil ihres Designs ist. Purdue-Forscher haben herausgefunden, dass sie Kühlkörper für bestimmte Anwendungen kundenspezifisch gestalten und mithilfe des 3D-Drucks kundenspezifisch fertigen können.

“Die heutigen elektronischen Komponenten sind mit großen thermischen Herausforderungen verbunden”, sagt Serdar Ozguc, Ph.D. Student am Purdue Cooling Technologies Research Center (CTRC) bei Professor Justin Weibel. “Die Leute wollen kleinere Computer und Telefone, aber gleichzeitig wollen sie mehr Leistung. Die Wärme, die von diesen CPUs erzeugt wird, wirkt sich auf die Leistung aus. Deshalb müssen wir einen Weg finden, diese Wärme sicher und effizient abzuleiten.” Das Labor von Prof. Weibel untersucht viele neue Arten der Kühlung, von der Verwendung unterschiedlicher Materialien und Geometrien bis zum Kochen von Flüssigkeit in Mikrokanälen.

In diesem Fall kam die Herausforderung von der American Society of Mechanical Engineers (ASME). Ihr Ausschuss für Wärmeübertragung in elektronischen Geräten gab den Studenten einen typischen Aufbau (eine 70 mm x 70 mm große Wärmequelle, die einen Computerprozessor imitiert) und forderte sie auf, einen Kühlkörper nach Maß zu entwerfen, der mithilfe additiver Fertigung (3D-Druck) hergestellt werden kann. “Mit der additiven Fertigung”, so Serdar, “können wir sehr komplexe Geometrien entwerfen, die mit herkömmlichen Methoden nicht herstellbar wären.” Um das Spielfeld auszugleichen, waren alle Mannschaften auf die gleichen Dimensionen beschränkt. Alle werden von GE AddWorks auf einer GE Additive Concept Laser M2-Maschine gedruckt. alle wären aus dem gleichen Material (Aluminium); und alle würden unter den gleichen Bedingungen an der Oregon State University getestet. Der beste Kühlkörper wäre also wirklich ein Produkt des besten Designprozesses.

Hier kam Purdues Geheimwaffe ins Spiel. “Um das Design zu erstellen, haben wir die Topologieoptimierung verwendet”, sagt Kalind Baraya, ebenfalls promovierter Wissenschaftler. Student in der CTRC. “Es ist eine mathematische Methode zur Optimierung der Materialverteilung in einem bestimmten Raum. Wir beginnen mit einer anfänglichen Form und optimieren sie ein wenig, um einen verbesserten Wärmewiderstand zu erzielen. Dann wiederholen wir den Prozess und verbessern ihn jedes Mal, bis wir ein endgültiges Design mit der besten Leistung erhalten.”

Die resultierende Form ist etwas, das weder Serdar noch Kalind erwartet haben. Ihr Kühlkörper hat auf der einen Seite eine leicht abfallende “L” -Form und auf der anderen Seite eine hervorstehende “d” -Form. Die “d” -Form bewirkt, dass der Luftstrom zurückkehrt und rezirkuliert, mehr Zeit im Kühlkörper verbringt und mehr Wärme abführt, bevor er durch die “L” -Form abgeleitet wird. “Wir haben nicht mit einer vorgefertigten Vorstellung von der Form begonnen”, sagt Serdar. “Die Topologieoptimierung spuckt manchmal die verrücktesten Dinge aus, die sich mit herkömmlichen Methoden nur schwer herstellen lassen. Sie war jedoch perfekt für diesen Wettbewerb, da wir durch additive Fertigung die Freiheit haben, diese Geometrien tatsächlich zu erstellen.”

Es war jedoch nicht alles computergeneriert. Durch die Topologieoptimierung erhielten sie 2D-Bilder, die sie dann mit ihrer eigenen Intuition in 3D-Geometrien umsetzen mussten. Zum Beispiel forderte der Algorithmus sie auf, eine poröse Struktur in die Mitte zu legen. Um die Möglichkeiten des 3D-Drucks voll auszuschöpfen, wurde eine starre X-förmige Gitterstruktur erstellt, um die erforderliche Porosität zu erzielen. Sie enthielten auch Stiftrippen, die sich über die gesamte Höhe des Kühlkörpers erstreckten. “Das kam aus eigener Erfahrung”, sagt Serdar. “Sie waren nicht im Algorithmus enthalten, aber wir wussten, dass diese die Leistung des Kühlkörpers verbessern würden.”

Das Muster wurde von den Richtern geprüft und bei der Auslieferung an GE Addworks-Maschinen erfolgreich gedruckt. Die Tests verliefen so gut, dass Serdar und Kalind eingeladen wurden, ihr Design auf der Intersociety Conference zu thermischen und thermomechanischen Phänomenen in elektronischen Systemen (ITherm) im Mai 2019 in Las Vegas vorzustellen.

Serdar und Kalind sehen große Dinge für individuell bedruckte Kühlkörper. “Dies war ein maßgeschneiderter Kühlkörper für ein bestimmtes Problem”, sagt Kalind. “Für alle unterschiedlichen Situationen können wir die Topologieoptimierung verwenden, um eine ideale Lösung zu entwerfen.”

“Additive Fertigung spielt auch eine große Rolle”, fügt Serdar hinzu. “Wenn Sie einen benutzerdefinierten Prozessor für ein Raumfahrzeug, ein medizinisches Gerät oder einen Supercomputer haben, ist der 3D-Druck eines Kühlkörpers gerechtfertigt, der speziell für diese Anwendung entwickelt und gebaut wurde.”