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Förderprojekt Validad

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Validad (kurz für „Validierung additiver Fertigungstechniken für die Anwendung in der Metallverarbeitung“) ist ein Förderprojekt im Forschungs- und Entwicklungsprogramm „Informations- und Kommunikationstechnik Bayern“. Mit diesem Förderprogramm unterstützt die bayerische Staatsregierung Unternehmen bei Forschungs- und Entwicklungsvorhaben mit dem Ziel, die Umsetzung in neue Lösungen, Produkte und Anwendungen zu verbessern sowie die Innovationskraft und Wettbewerbsposition bayerischer Unternehmen nachhaltig zu stärken. Projektträger ist die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH.

Fragestellungen / Motivation

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Ergebnisse

Additiv gefertigter Kühlkörper | Defekterkennung | Pulverbettüberwachung | Oberflächenqualität | Publikationen | Funktionsintegration

Additive Manufacturing

Grundlagen | Verfahren | Prozesskette (SLM) | Auswahlhilfe | Linksammlung

SLM-Fertigung: Prozesskette

Pulver- handling

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Maschinen- setup

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Kunden- spezifikationen

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CAx (CAD/CAM/CAE)

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Prozess- parameter

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AM- Fertigung

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Entpulvern

→

Wärme- behandlung

→

Trennen

→

Mechanische Bearbeitung

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Qualitäts- kontrolle

↓

Auspacken

↓

Pulver- aufbereitung

Funktionsintegration Kühlung

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Durch den derzeitigen Trend der Miniaturisierung entstehen neue Anforderungen an das thermische Management in der Leistungselektronik. Ebenso etabliert sich derzeit die additive Fertigung im Bereich der Leistungselektronik. Daher wird im Rahmen dieses Forschungsvorhabens der Ansatz einer Funktionsintegration an diesem Einsatzfeld verfolgt.

In der Leistungselektronik werden zunehmend WBG (Wide Bandgap Semiconductors) wie z.B. SiC oder GaN verwendet. Diese Halbleiter weisen im Vergleich zu Silizium geringere thermische Verluste auf, sodass die elektronischen Komponenten kompakter gebaut werden können. Durch diese kompaktere Bauweise steigt jedoch die Wärmestromdichte der Bauteile in den nächsten drei Jahren um das 2,5 – fache.

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  Entwicklung der Verlustleistungsdichte

Der Trend der Miniaturisierung führt dazu, dass langfristig Wärmestromdichten von bis zu 1 kW/cm² erreicht werden. Um diese punktuellen Wärmeströme abzuführen, eignen sich insbesondere zweiphasige Kühlsysteme. Daher sind in diesem Leistungsbereich nahezu ausschließlich zweiphasige Kühlsysteme zu finden. Prominente Vertreter der zweiphasigen Kühlsysteme sind Wärmerohre (engl. Heatpipes). Diese werden vor allem zur Elektronikkühlung wie zum Beispiel in Computern, Smartphones, Umrichtern und Steuerungen genutzt.

Durch additive Fertigung kann zum einen der Fertigungsprozess solcher Heatpipes optimiert werden, zum anderen kann eine Erweiterung der Bauteilfunktion erfolgen. Durch additive Fertigung könnten notwendige Prozessschritte der Fertigung, wie z.B. das Einbringen von Kapillarstrukturen, direkt implementiert werden. Dies hätte zur Folge, dass verfahrenstechnische Prozessschritte eingespart werden könnten. Ein weiterer Vorteil der additiven Fertigung ist die weitgehende Designfreiheit, die völlig neue Strukturen ermöglicht.

Diesen Vorteilen steht eine mögliche Reduzierung der Wärmeleitung auf Grund der Bauteilstruktur durch die additive Fertigung gegenüber. Es ist daher notwendig in einem wissenschaftlich fundierten Benchmark die unterschiedlichen Merkmale von konventionell und additiv gefertigten Bauteilen zu erforschen. Darüber hinaus soll untersucht werden, welche AM-Verfahren für den jeweiligen Anwendungsfall geeignet sind.

Exemplarisch am Beispiel einer Heatpipe soll gezeigt werden, welche Vorteile eine Funktionsintegrationen durch additiven Fertigungsverfahren bewirken können. Eine Heatpipe ist ein Zweiphasenkühlsystem, welches sowohl aktiv als auch passiv ausgelegt werden kann.

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  Aufbau und Funktion einer Heatpipe

Eine Heatpipe ist ein doppelwandiges Gefäß, in dessen Innern sich ein Material befindet, welches im Betriebstemperaturbereich eine Phasenumwandlung durchführt. Durch die latente Wärme beim Phasenwechsel ist es möglich, auf kleinstem Raum große Mengen Wärmeenergie abzutransportieren. Dabei verdampft die Flüssigkeit an der zu entwärmenden Fläche, der entstehende Dampf wird durch das Rohr transportiert und kondensiert im Anschluss an der kühlen Seite. Die kondensierte Flüssigkeit wird nun am äußeren Rand im Rohr, z.B. durch eine Kapillarstruktur, zurück zur thermisch hoch belasteten Seite geleitet. Abbildung 11 verdeutlicht das Funktionsprinzip einer solchen Heatpipe. Der Dampf wird in der Mitte transportiert, während die Flüssigkeit am äußeren Rand zurückgeführt wird. Um diesen Kreislauf zu gewährleisten, gibt es unterschiedliche Ausführungen. Wenn die Heatpipe vertikal verbaut wird, kann der Kreislauf durch die Schwerkraft betrieben werden. In der Regel werden kleine Heatpipes mit einer Kapillarstruktur versehen, durch die der Rücktransport der Flüssigkeit stattfindet. Durch diese Bauweise ist die Funktion der Heatpipe nahezu unabhängig von ihrer Einbaulage.

Eine weitere Heatpipe-Ausführung stellt die oszillierende Heatpipe dar. Eine oszillierende Heatpipe wird teilweise mit einem Arbeitsfluid befüllt, so dass sich beim Verdampfen Blasen ausbilden können. Durch die unterschiedlichen Drücke an Verdampfer- und Kondensatorseite entsteht eine Zweiphasenströmung. Wenn der Druck steigt, vergrößert sich das Volumen der Blase und die flüssige Phase wird in Bewegung versetzt. Es folgt eine Strömung, die sowohl Dampfphasen als auch Flüssigkeitsphasen beinhaltet. Durch den Phasenwechsel wird die latente Wärme genutzt, während gleichzeitig die Vorteile einer Einphasenströmung beibehalten werden. Die oszillierende Heatpipe vereint somit die Vorteile einer gewöhnlichen Heatpipe mit der einer Flüssigkeitskühlung.

Das thermofluiddynamische Verhalten dieser oszillierenden Heatpipes wird aktuell intensiv erforscht. Durch additive Fertigungsmethoden besteht das Potential, solche hocheffektiven Kühlsysteme direkt in die zu kühlenden Bauteile zu integrieren. Auf diese Weise ist ein innovatives thermisches Management der kompakten Leistungselektronik möglich.

Im Bereich der numerischen Simulation stellt die Modellierung von oszillierenden Heatpipes mit Phasenwechsel eine große Herausforderung dar. Sie ist Gegen-stand gegenwärtiger Forschungsaktivitäten. Erste Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist derartige Strömungen mit einem Phasenwechsel zu berechnen. Aufbauend auf diesen Forschungsarbeiten gilt es diese Entwicklung im Bereich der pulsierenden Heatpipes erfolgreich und zuverlässig anzuwenden. Damit wer-den die Simulationen ein integrativer Bestandteil des intelligenten Produktions- und Entwicklungsprozesses.

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