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(Bild: Fraunhofer IFAM)

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.

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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.

Temperierung elektronischer Bauteile mit Micro-Wärmeübertragern

Hochintegrierte, leistungselektronische Bauteile steigern zunehmend ihre Effizienz und Kompaktheit. Daraus ergibt sich die Herausforderung, die entstehende Verlustwärme über stetig kleiner werdende Kontaktflächen abzuführen. Konvektive Kühlanwendungen mit Luft benötigen aufgrund des begrenzten Wärmeübergangs verhältnismäßig große Flächen, die Forscher und Entwickler durch Wärmerohre und Lamellen schaffen, die viel Bauraum benötigen.

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Bild 3: Mikrowärmeübertrager aus Kupfer mit Mäanderstruktur: Wärme übertragende Fläche ca. 2,6 cm², abgeführte Verlustwärme 107 W. Fraunhofer IFAM

Als Alternative steht die Flüssigkeitskühlung zur Verfügung, die flache Bauweisen ermöglicht. Die limitierte Bauform des Wärmeübertragers setzt noch immer einen Heatspreader direkt an der Wärmequelle voraus. Dieser zusätzliche thermische Widerstand schmälert aber die Effizienz der Kühlanwendung. Mithilfe des 3D-Siebdruck-Verfahrens lassen sich komplexe Strukturen auf kleinem Raum erzeugen. Eine optimierte Strömungsführung, wie es etwa bei einer Mäanderstruktur (Bild 3) der Fall ist, kann übliche Wärmeleistungen von bis zu 100 W über eine Fläche von rund 2,6 cm2 abführen. Der Einsatz eines Heatspreaders ist damit unnötig. Zur Visualisierung ist in Bild 3 nur der wasserdurchflossene Bereich entsprechend der Wassertemperatur eingefärbt. Das 3D-siebgedruckte Bauteil aus Kupfer ist ebenso erwärmt.

Den in Bild 3 dargestellten Mikrowärmeübertrager testete das Fraunhofer IFAM im Labor für unterschiedliche Anwendungsfälle. Die Verlustleistung einer Desktop CPU von 85 W (TDP) lässt sich damit in einem drucklos arbeitenden System bereits mit einem Wasservolumenstrom von 0,017 L/min abführen. Bei entsprechender Erhöhung des Systemdrucks ist es auch möglich, größere Wärmemengen abzuführen.

Bild 4: Mikrowärmeübertrager mit unterschiedlichen Pinstrukturen und einer Wärme übertragenden Fläche von ungefähr 2,6 cm².

Bild 4: Mikrowärmeübertrager mit unterschiedlichen Pinstrukturen und einer Wärme übertragenden Fläche von ungefähr 2,6 cm². Fraunhofer IFAM

Die Geometrie der Wärmeübertrager ist in weiten Bereichen variabel. Bild 4 zeigt weitere alternative Geometrien für die innere Struktur des Wärmeübertragers. Die Strömung wird in diesen Fällen verteilt und die Wärme übertragende Fläche durch Pinstrukturen erhöht. Diese Varianten erzeugen aufgrund des größeren Strömungsquerschnitts geringere Druckverluste als Mäanderstrukturen.

Wie strukturierte Oberflächen zur wärmeabfuhr beitragen, erfahren Sie auf der folgenden Seite.

Wärmeabfuhr durch strukturierte Oberflächen zur Verdampfung

Bei der Verdampfung eines flüssigen Kühlmediums liegen die erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten und damit die abgeführte Wärme pro Fläche deutlich höher als bei einer reinen Flüssigkeits- oder Luftkühlung. Durch intelligente Strukturierung der Verdampfungsoberfläche ist auch eine Überschreitung dieses Limits möglich. Der experimentelle Vergleich (Bild 5) von strukturierter und glatter Fläche zeigt eine deutliche Steigerung der Wärmeabfuhr für den Fall des Verdampfens beim Blasensieden.

Die mit 3D-Siebdruck gefertigten, detailreichen Strukturen können verschiedene Effekte nutzen. Zum Beispiel leitet die in Bild 5 dargestellte sternförmige Struktur aus Kupfer die Wärme weit in das Fluid. Zusätzlich erhöhen die filigranen Spitzen die Wärme übertragende Oberfläche. Im Zusammenspiel verbessert sich so die Wärmeabfuhr um etwa 50 Prozent bezogen auf die ebene Fläche.

Bild 5: Durch die Anwendung einer Metall-Faserstruktur, -schwammstruktur oder mittels 3D-Siebdruck strukturierter Oberflächen kann die Wärmeabfuhr bei der Verdampfung im Vergleich zu einer glatten Verdampferoberfläche mit gleicher Bezugsoberfläche wesentlich verbessert werden. Fraunhofer IFAM

Bild 5: Durch die Anwendung einer Metall-Faserstruktur, -schwammstruktur oder einer mit 3D-Siebdruck strukturierter Oberfläche lässt sich die Wärmeabfuhr bei der Verdampfung im Vergleich zu einer glatten Verdampferoberfläche mit gleicher Bezugsoberfläche wesentlich verbessern. Fraunhofer IFAM

Bei der Verdampfung muss das System der Flüssigkeit eine große Wärmemenge auf kleinem Raum zuführen. Besonders bei Werkstoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit ist zwingend erforderlich eine ausreichende Flüssigkeitszufuhr zu gewährleisten, um die Bildung eines thermisch isolierenden Dampfpolsters zu verhindern. Der 3D-Siebdruck entgeht diesem Problem, da sich damit optimierte Kühlstrukturen auf eine Grundplatte drucken lassen und so die Flüssigkeitszufuhr gewährleistet werden kann.. Diese Grundplatte kontaktiert direkt die zu kühlenden Baugruppe.

Hochporöse Faserstrukturen transportieren über die enorm vergrößerte Kontaktfläche (> 5000 m²/m³) die Wärme von der heißen Wand in die Flüssigkeit. Der große Hohlraumanteil ermöglicht eine stetige Flüssigkeitszufuhr. Gepaart mit der guten Wärmeleitung in der festen Struktur, kann die Verdampfung auch unter anspruchsvollen Randbedingungen aufrechterhalten werden. Im Vergleich zu einer glatten Oberfläche erhöht sich der Wärmestrom um mehr als 75 Prozent. Eine variable Auswahl an Werkstoffen, Porengrößen und Porosität erlaubt die Anpassung von Flüssigkeits- und Wärmetransport an eine Vielzahl von Anwendungen zur Optimierung des Wärme- und Stofftransports.

Die Anwendung der beispielhaft gezeigten Strukturen liegt vor allem im Hochleistungsbereich, wenn von einer begrenzten Oberfläche elektronischer Bauteile hohe Verlustwärmeströme abgeführt werden müssen. Sie ermöglichen eine Verbesserung des Wärmeüberganges sowohl bei der Flüssigkeitskühlung als auch bei Kühlanwendungen mithilfe der Verdampfung. Eine Anwendung in Wärmerohren (Heat Pipes) oder auf dem Wärmerohr-Prinzip basierenden Flächenkühlern (Vapor Chambers) ist ebenfalls realistisch möglich.

Dr.-Ing. Thomas Studnitzky

(Bild: Fraunhofer IFAM)
Gruppenleiter 3D Metal Printing am Fraunhofer IFAM

Dr.-Ing. André Schlott

(Bild: Fraunhofer IFAM)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Geschäftsfeld Energie und Thermisches Management am Fraunhofer IFAM

(prm)

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