Altro su: la stampa 3D potrebbe creare dissipatori di calore migliori

May 07, 2024

Ricercatori negli Stati Uniti hanno dimostrato che i dissipatori di calore stampati in 3D potrebbero essere più leggeri, più piccoli o migliori dei dissipatori di calore convenzionali.

Immagine in falsi colori di un dissipatore geneticamente progettato per raffreddare un modulo che dissipa 2kW

La conclusione arriva da due progetti collegati presso l'Oak Ridge National Laboratory e l'Università del Tennessee Knoxville:

Si dimostra che l'alluminio stampato può almeno eguagliare e talvolta migliorare la conduttività termica dell'alluminio dei dissipatori di calore standard.

Il secondo ha sviluppato algoritmi genetici che sfruttano la libertà di forma disponibile grazie alla stampa 3D per progettare dissipatori di calore che si adattano allo stesso spazio dei loro cugini convenzionali ma funzionano meglio.

Nel caso della conduttività termica, un materiale convenzionale per dissipatore di calore (alluminio "6061" con <1% Si e 1,5% Mg) è stato confrontato con uno stampato dall'azienda statunitense Linear Mould AMS utilizzando una lega sviluppata per la scinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) che include 10% Si e 0,5% Mg, secondo ORNL.

A temperatura ambiente, la lega 6061 aveva una conduttività termica di 180 W/mK, rispetto ai 110 W/mK del dissipatore di calore stampato: un valore inferiore in questo caso significa conduttività peggiore e quindi un dissipatore di calore peggiore.

A temperature più elevate, entrambi variavano in modo approssimativamente lineare, convergendo a 170 WmK a 220°C.

Il trattamento termico di entrambi a 300°C, per poi riportarli a temperatura ambiente, ha prodotto cambiamenti strutturali che hanno migliorato la conduttività termica in entrambi i materiali.

Mentre il dissipatore di calore 6061 è migliorato di qualche W/mK, quello stampato è stato notevolmente migliorato, salendo permanentemente a poco meno di 200 W/mK.

Per la simulazione futura, il gruppo di ricerca ha creato modelli teorici accurati sia per la lega stampata che per il 6061.

Per inciso, la lega di alluminio più comune per la stampa 3D DMLS è "AlSi10Mg", che è molto simile alla lega descritta da ORNL, ma con lo 0,25-0,45% di magnesio.

Una volta stampato, si raggiungono 103+/-5W/mK lungo gli strati stampati e 119+/-5W/mK attraverso gli strati stampati. Il condizionamento post-stampa standard per AlSi10Mg prevede il riscaldamento a 300°C per due ore, dopodiché la sua conduttività termica aumenta a 173+/-10 W/mK in tutte le direzioni.

Una seconda lega standard per i dissipatori di calore estrusi, denominata 6063, fornisce 190-210 W/mK in forma priva di rame: il rame aumenta la resistenza termica dell'alluminio.

E per inciso, il diamante raggiunge 2.000 W/mK nei livelli di dissipazione del calore.

Ottimizzazione dell'algoritmo genetico

Con la stampa 3D in grado di rendere i dissipatori di calore altrettanto buoni quanto i dissipatori di calore esistenti della stessa forma, quali vantaggi sono disponibili utilizzando le forme arbitrarie possibili con la stampa 3D e come potrebbero essere progettate queste forme arbitrarie?

Queste sono le domande a cui il secondo progetto ORNL/Università del Tennessee si proponeva di rispondere, utilizzando algoritmi di progettazione genetica e modellazione degli elementi finiti nel software COMSOL.

È stato preso ad esempio un inverter a ponte H in carburo di silicio da 50 kW raffreddato ad acqua per veicoli elettrici.

Per fare un confronto, è stato creato un modello di dissipatore di calore basato su uno reale della serie CP15 di Lytron, che consiste in una spessa piastra di alluminio nella parte posteriore della quale sono tagliate profonde scanalature. Un tubo di rame, in buon contatto termico con l'alluminio, serpeggia attraverso queste scanalature e l'acqua nel tubo porta via il calore.

Sono state modellate due situazioni: una con un modulo di commutazione da 64 x 64 mm che dissipa 2 kW e una seconda con quattro transistor di potenza individuali montati in un quadrato, ciascuno che dissipa 250 W.

Sono stati utilizzati algoritmi genetici per progettare un concorso stampabile in 3D delle stesse dimensioni (~86 x 64 x 8 mm) per il dissipatore di calore di riferimento in condizioni di carico sia di 1 kW che di 2 kW. In tutti i casi, si è ipotizzato che l'acqua in ingresso a 20°C fluisse nei dissipatori di calore a 0,036 litri/s.

Per mantenere semplici gli algoritmi di progettazione, non sono state consentite forme arbitrarie di canali d'acqua.

Invece, i canali erano limitati ad avere una sezione trasversale rettangolare (~ 6 mm di altezza lasciando 1 mm in alto e in basso nello spessore della soletta e ~ 1 mm di larghezza).