Additiv gefertigter Kühlkörper

Funktionsintegration mittels LPBF-Verfahren

Um den Wärmetransport eines Luftkühlkörpers zu erhöhen, wurde durch die Firma Toolcraft eine PHP in einen additiv gefertigten Kühlkörper integriert. Zunächst wurden für mögliche Pulvermaterialien die dazugehörigen Anlageperipherien nach den Eigenschaften für einen Kühlkörper identifiziert und gegenübergestellt. Für eine initiale AM-Fertigung wurde sich für den Werkstoff Scalmalloy entschieden.

Der Werkstoff Scalmalloy ist eine in der Luft- und Raumfahrt entwickelte Aluminiumlegierung mit dem chemischen Kurznamen AIMg4,5Sc0,7Zr0,3. Mittels der Legierungselemente Magnesium, Scandium und Zirkonium werden deutlich verbesserte Festigkeits­eigenschaften im Vergleich zu konventionellen Legierungen erreicht.

Die Legierung weist sowohl eine gute Schweißbarkeit wie auch Korrosions­beständigkeit auf. Aufgrund der geringen Dichte und den relativ hohen Festigkeits­werten in Zusammenhang mit einer guten Zähigkeit sind Bauteile aus Scalmalloy besonders für Anwendungen im Motorsport, dem Automobilbau und für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt geeignet. Scalmalloy besitzt eine Wärmeleitfähigkeit nach der entsprechenden Wärme­behandlung von 83,2 𝑊𝑊/𝐾𝐾𝐾𝐾.

Der Kühlkörper wurde wie in 🚧 ❬Abbildungsverweis❭ dargestellt für den ersten AM-Druck segmentiert. Das Segment enthält insgesamt drei Kühlstränge.

🚧 ❬Abbildung (Freigabe von Siemens erforderlich)❭

In der Designphase wurden mehrere Varianten für Geometrien von Kühlkanälen vorgeschlagen und diskutiert. 🚧 ❬Abbildungsverweis❭ zeigt zylindrische und eine zylindrisch-kegelförmige Geometrie. Zweiteres hat zur Folge, dass die Prozess­stabilität hinsichtlich Fertigung und Entpulverung des Bauteils erhöht wird und ggf. Agglomerationen von nicht vollständig aufgeschmolzenem Pulver reduziert werden können. Für die erste Fertigung wurde diese Optimierung noch nicht berücksichtigt.

🚧 ❬Abbildung (Freigabe von Siemens erforderlich)❭

Nach der Designphase und der konstruktiven Daten­aufbereitung folgt das Pre-processing. Hier werden die Bauteil­orientierung, Stützkonturen, Material, Parameter und Zuweisung der AM-Anlage definiert. Anschließend folgt die AM-Prozess­simulation. Die Daten werden über den Build Prozessor auf die Anlage transferiert und die Fertigung startet. Nach dem AM-Druck erfolgt das Entpacken und Entpulvern des Bauteils. In diesem Prozess­schritt wird das Bauteil von überschüssigen Restpulver befreit, darauf wärmebehandelt und von der Substratplatte getrennt. Die Stützkonturen am In- und Outlet werden entfernt und die AM-Fläche manuell überschliffen. 🚧 ❬Abbildungsverweis❭ stellt den Kühlkörper projiziert auf der Substratplatte dar.

🚧 ❬Abbildung (Freigabe von Siemens erforderlich)❭

Die Ergebnisse der Messreihe (Abbildung ..) zeigen die Temperatur­differenz über die Länge der Kühlrippe. Wenn sich kein Fluid in den PHP-Kanälen befindet, stellt sich entlang der Rippe ein Temperatur­unterschied von 34 K ein. Wenn die Kanäle mit 2 g Ethanol befüllt sind, stellt sich aufgrund der Heizquelle eine selbst­oszillierende Zweiphasen­strömung ein. Dadurch reduziert sich der Temperaturunterschied auf 10 K, das entspricht einer Verbesserung des thermischen Widerstands von 70%. Wird eine unvorteilhafte Einbaulage gewählt, d. h. die Wärmequelle befindet sich oben, kann der thermischen Widerstand um 55% reduziert werden. Die Ergebnisse sollen im nächsten Jahr auf der internationalen Messe für Leitungselektronik (PCIM) vorgestellt werden.

🚧 ❬Abbildung (Freigabe von Siemens erforderlich)❭