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 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 Abbildung .. 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. Abbildung .. 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.
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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. Abbildung .. stellt den Kühlkörper projiziert auf der Substratplatte dar.
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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.
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