Kühlkörper in Additiver Fertigung

Additive Fertigung bekannt unter dem Namen „3D-Druck“, ist ein Fertigungsverfahren, bei dem Material schichtweise aufgetragen wird, um ein Objekt zu erstellen. Im Gegenteil zu anderen spanenden Fertigungsverfahren, bei denen aus einem festen Block Material abgetragen wird, macht additive Fertigung es möglich komplexe Geometrien und Formen flexibel herzustellen.

Was zeichnet die additive Fertigung aus?

Die additive Fertigung ermöglicht es komplexe Geometrien zu gestalten, welche mit traditionellen Methoden nicht fertigbar wären. Diese Objekte werden durch das schichtweise Hinzufügen von Material erstellt. Dies geschieht durch Verfahren wie Fused Desposition Modeling (FDM), Stereolithographie (SLA), Selective Laser Sintering (SLS) und weitere. Bei dem FDM-Verfahren wird das geschmolzene Material schichtweise aufgetragen. Bei dem Verfahren der Stereolithographie SLA wird flüssiges Harz durch einen Laser ausgehärtet. Dies führt zu einer besonderen Detailgenauigkeit und glatte Oberflächen. Beim Selektiven Lasersintern SLS sintert ein Laser Pulvermaterialien zu festen Schichten. SLS eignet sich besonders für belastbare Teile. Hierbei können verschiedenste Materialien, wie Kunststoffe, Keramiken, Verbundwerkstoffe und Metalle eingesetzt werden. Die additive Fertigung eignet sich vor allem zum Erstellen von Prototypen und Kleinserien, da Änderungen des Designs schnell vorgenommen werden können. Die additive Fertigung ist traditionellen Fertigungsverfahren besonders im Punkt Nachhaltigkeit voraus. Das Material wird nur nach Bedarf eingesetzt und führt somit zu weniger Abfall und Materialverschwendung. Ein weiterer Vorteil ist die Leichtbauweise einer Geometrie. Durch die Gestaltung optimierter Strukturen kann das Gewicht reduziert werden, was besonders in dem Automobil und Luftfahrtindustrie von Vorteil ist.

Wie kann additive Fertigung für Elektronikkühlung eingesetzt werden?

Der 3D-Druck bringt auch Vorteile in der Elektronikkühlung. So können komplexe Kühlkörper mit internen z.B. durchgehende oder gewundene Strukturen, welche zu einer verbesserten Wärmeverteilung führen, geschaffen werden. Die additive Fertigung ermöglicht interne Kühlkanäle direkt in Bauteile zu integrieren. Dies ist bei der Herstellung von Flüssigkeitskühlkörpern und Heat Pipes besonders nützlich. Es können Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie spezielle thermoplastische Kunststoffe eingesetzt werden und somit die Kühlleistung optimieren. Des Weiteren können verschiedene Materialien mit unterschiedlichen thermischen Eigenschaften miteinander kombiniert werden. Dies ermöglicht eine gezielte Steuerung der Wärmeverteilung innerhalb eines Kühlkörpers. Andere Elemente wie z.B. Halterungen oder Luftleitbleche können in nur einem Fertigungsschritt integriert werden und verringern somit den Montageaufwand. Gehäuse von Elektronikkomponenten können so gestaltet werden, dass sie gleichzeitig als Kühlkörper dienen. Im Bereich der Hochleistungsanwendungen, wie z.B. Servern, Computern oder Leistungselektronik, können beispielsweise Mikrokanal-Kühlsysteme additiv gefertigt werden, die mit ultrafeinen Kanälen eine hohe Wärmeübertragungsrate ermöglichen. Mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wäre dies kaum machbar. Die additive Fertigung ermöglicht dem Entwickler schnell einen Prototyp zu drucken und verkürzt dadurch die Entwicklungszeit enorm. Neben Kühlkörpern können auch Wärmeleitpads, die auf bestimmte thermische oder geometrische Anforderungen abgestimmt sind, gefertigt werden.

Nachteile der additiven Fertigung

Der 3D-Druck führt zu weniger Materialverschwendung bringt aber oft einen höheren Energieverbrauch mit sich, insbesondere bei industriellen Verfahren. Ein weiterer Nachteil des 3D-Drucks ist die Bauraumgröße, welche bei den Druckern meist begrenzt ist. Somit müssen große Teile aus mehreren kleinen Teilen zusammengefügt werden. Die additive Fertigung kann aufgrund der Präzision und durch das Auftragen mehrerer Schichten sehr zeitaufwändig sein. Wenn zu schnell gedruckt wird macht sich dies in der Genauigkeit und Qualität bemerkbar.

Zusammenfassend ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung komplexer, maßgeschneiderter Kühlkörper mit integrierten Flüssigkeitskanälen und optimierter Luftstromführung. Dadurch können Elektronikkomponenten effizienter gekühlt, das Gewicht reduziert und innovative Designs realisiert werden, die mit traditionellen Methoden nicht möglich wären.