Studenten entwerfen 3D-gedruckten Kühlkörper

Ein Team von Maschinenbaustudenten der Purdue University hat einen hocheffizienten, preisgekrönten 3D-druckbaren Kühlkörper entworfen.

Das von der Haifischhaut inspirierte Design belegte den ersten Platz bei der Virtual Student Heat Sink Design Challenge, einem US-Hochschulwettbewerb, der vom ASME K-16 Committee und dem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) organisiert wird. Der Wettbewerb wurde auch vom globalen Mischkonzern GE unterstützt und gesponsert.

Die Design-Herausforderung war, dass Teams von Ingenieursstudenten einen 3D-druckbaren Kühlkörper entwerfen – ein Gerät, das Wärme von elektronischen Komponenten wegleitet, um sie kühl zu halten. Ziel war es die Wärmeableitung, die Gesamtherstellungskosten und die Menge des Rohmaterials, das für die Produktion benötigt wird, zu optimieren.

Soumya Bandyopadhyay, ein Doktorand des Purdue Teams, erklärt: “Der Schlüssel zu leistungsstarken elektronischen Geräten liegt darin, sie kühl zu halten. In den letzten zehn Jahren hat uns die additive Fertigung in die Lage versetzt, innovative Designs für neue fortschrittliche thermische Lösungen zu entwickeln”.

Nach der ersten Phase des Wettbewerbs ließen die sechs besten Teams ihre Entwürfe auf einem GE Additive Concept Laser M2 3D-Drucker physikalisch in Aluminium 3D drucken. Die Kühlkörper wurden dann an der Oregon State University unter kontrollierten Bedingungen getestet, um festzustellen, ob ihre tatsächliche Leistung den Simulationen entsprach.

Die Ingenieure von Purdue gingen aus den Tests als Sieger hervor. Ihre Konstruktion hatte bessere Leistungen erbracht als erwartet, weniger gekostet als ursprünglich angenommen und sogar einen großen Beitrag dazu geleistet, die Menge des verwendeten Aluminiums zu minimieren.

Gewinner-Design von Purdue

Das Design des Purdue-Teams ist von der Haifischhaut inspiriert. Haifischhaut hat eine sehr charakteristische Oberflächentextur. Sie weist Millionen von mikroskopisch kleinen, spitzenähnlichen Vorsprüngen, so genannten Dentikeln, auf, die alle ihren Teil zur Verringerung des Luftwiderstands beitragen, so dass der Hai mit weniger Wasserwiderstand schwimmen kann. Da die Gesetze der Flüssigkeitsdynamik sowohl für Flüssigkeiten als auch für Gase gelten, haben die Ingenieure von Purdue den Wänden ihres Designs dentikelähnliche Formen hinzugefügt. Dies hatte zur Folge, dass der Druckabfall verringert und die Luftvermischung angeregt wurde.

Die Ingenieure fügten auch von der Formel 1 inspirierte Wirbelgeneratoren an der Vorder- und Rückseite ihres Kühlkörpers hinzu. Diese “Verwirbler” erzeugten absichtlich eine turbulente Strömung im Körper der Konstruktion, wodurch die Wärmeübertragung zwischen den Luftpartikeln maximiert wurde. Um schließlich heiße Luft aus dem Kühlkörper auszustoßen, implementierten die Studenten eine “Atemschutzsektion” zwischen den beiden Wirbelgeneratoren. Ähnlich wie die Luftsäcke in einer menschlichen Lunge nimmt der Respirator kühle Luft aus der Umgebung auf und stößt erwärmte Luft über eine perforierte Rampe aus.