Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden arbeitet seit mehr als 25 Jahren an Materialien und Herstellungstechnologien für kompakte Systeme zur Wärme- und Stoffübertragung, die auch in Kühlanwendungen Verwendung finden. Die entwickelten metallischen Strukturen zeichnen sich durch eine große volumenspezifische Austauschoberfläche und hohe Porosität aus. Eine besondere Stellung nehmen dabei das Verfahren des 3D-Siebdrucks sowie metallische Faserstrukturen ein.

Bild 1: 3D-Siebdruckprozess bei Kühlanwendungen Fraunhofer IFAM

Bild 1: 3D-Siebdruckprozess Fraunhofer IFAM

Eckdaten

Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Forschung IFAM in Dresden entwickelt hochporöse metallische Strukturen und greift dabei unter anderem auf das 3D-Siebdruck-Verfahren und metallische Faserstrukturen zurück. Die per 3D-Siebdruck gefertigten Bauteile besitzen eine hohe Oberflächengüte und Strukturauflösung; zudem lassen sich so Bauteile mit Strukturdetails von bis zu 60 μm erstellen. Metallische Faserstrukturen, hergestellt über das Schmelzextraktions- oder das Stehlverfahren, erweitern die Werkstoff- und Strukturvielfalt zusätzlich. Durch die große spezifische Oberfläche, gepaart mit gut wärmeleitenden Strukturmaterialien wie Kupfer, lässt sich die in der Leistungselektronik entstehende Verlustwärme auch über kleine Kontaktflächen abführen. Die Strukturen können sowohl bei der Gas- als auch bei der Flüssigkeits- oder Verdampfungskühlung zur Verbesserung der Wärmeabfuhr zum Einsatz kommen.

Der 3D-Siebdruck basiert auf dem strukturierten, lagenweisen Auftragen von Metallpartikel enthaltende Siebdruckpasten mit einem Drucksieb. Nach jeder Drucklage erfolgt eine Trocknung. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis die Zielhöhe des Bauteils erreicht ist. Ein weiterer Arbeitsvorgang befreit danach die erzeugten Grünlinge aus Pulverpartikel und Organik von den organischen Bestandteilen und sintert sie zu einem kompakten, festen Bauteil. Der Verfahrensablauf ist schematisch in Bild 1 gezeigt.

Die gedruckten Bauteile zeichnen sich vor allem durch hohe Strukturierungsauflösung und Oberflächengüte sowie geringe Restporosität aus. Durch die Möglichkeit Bauteile mit Strukturdetails von bis zu 60 µm und Aspektverhältnissen größer als 100 herzustellen, lassen sich hohe spezifische Oberflächen realisieren.

Faserstrukturen bauen sich aus vielen metallischen Fasern auf, die ein Sintervorgang stoffschlüssig untereinander verbindet. Zur Faserherstellung kommen Verfahren wie etwa das vom Fraunhofer IFAM weiterentwickelte Schmelzextraktionsverfahren oder das kommerzielle Verfahren des Strehlens zum Einsatz. Dadurch lässt sich eine breite Werkstoffvielfalt nutzen, die auch Kupfer, Aluminium, Eisen und deren Legierungen umfasst.

Bild 2: Metallische Faserstruktur zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei Kühlanwendungen

Bild 2: Metallische Faserstruktur zur Verbesserung der Wärmeübertragung bei Kühlanwendungen Fraunhofer IFAM

Die weitere Verarbeitung der Fasern mit abschließender Wärmebehandlung (Sintern) erzeugt eine hochporöse, offene und anisotrope Struktur. Diese hebt sich von bekannten porösen Strukturen durch richtungsoptimierte Eigenschaften ab. Die resultierenden Faserstrukturen, wie sie beispielhaft in Bild 2 dargestellt sind, haben Porengrößen von 50 bis 500 µm und eine Porosität (Luftanteil) von 60 bis 90 Prozent.

Micro-Wärmeübtrager steuern die Temperierung elektronischer Bauteile. Wie sie das genau schaffen, lesen Sie auf der nächsten Seite.

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