Mais sobre: ​​A impressão 3D pode criar dissipadores de calor melhores

May 07, 2024

Pesquisadores nos EUA demonstraram que os dissipadores de calor impressos em 3D podem ser mais leves, menores ou melhores que os dissipadores de calor convencionais.

Imagem em cores falsas de um dissipador de calor geneticamente projetado para resfriar um módulo dissipando 2kW

A conclusão vem de dois projetos vinculados no Laboratório Nacional de Oak Ridge e na Universidade do Tennessee Knoxville:

Prova-se que o alumínio impresso pode pelo menos igualar e às vezes melhorar a condutividade térmica do alumínio do dissipador de calor padrão.

A segunda desenvolveu algoritmos genéticos que aproveitam a liberdade de forma disponível na impressão 3D para projetar dissipadores de calor que cabem no mesmo espaço que seus primos convencionais, mas funcionam melhor.

No caso de condutividade térmica, um material de dissipador de calor convencional (alumínio '6061' com <1% Si e 1,5% Mg) foi comparado com um impresso pela empresa norte-americana Linear Mold AMS usando uma liga desenvolvida para cintagem direta a laser de metal (DMLS) que inclui 10% Si e 0,5% Mg, conforme ORNL.

À temperatura ambiente, a liga 6061 tinha uma condutividade térmica de 180W/mK, em comparação com 110W/mK do dissipador de calor impresso – um valor mais baixo aqui significa pior condutividade e, portanto, pior dissipador de calor.

Em temperaturas mais altas, ambos variaram de forma aproximadamente linear, convergindo para 170WmK a 220°C.

O tratamento térmico de ambos a 300°C e depois o retorno à temperatura ambiente resultou em mudanças estruturais que melhoraram a condutividade térmica em ambos os materiais.

Enquanto o dissipador de calor 6061 ficou alguns W/mK melhor, o impresso foi muito melhorado – subindo permanentemente para pouco menos de 200W/mK.

Para simulações futuras, a equipe de pesquisa criou modelos teóricos precisos tanto para a liga impressa quanto para o 6061.

Além disso, a liga de alumínio mais comum para impressão 3D DMLS é 'AlSi10Mg', que é muito semelhante à liga descrita pelo ORNL, mas com 0,25-0,45% de magnésio.

Conforme impresso, atinge 103+/-5W/mK ao longo das camadas impressas e 119+/-5W/mK através das camadas impressas. O condicionamento pós-impressão padrão para AlSi10Mg é aquecido a 300°C por duas horas, após o que sua condutividade térmica aumenta para 173+/-10W/mK em todas as direções.

Uma segunda liga padrão para dissipadores de calor extrudados, chamada 6063, fornece 190-210W/mK na forma livre de cobre – o cobre aumenta a resistência térmica no alumínio.

E ainda mais, o diamante pontua 2.000 W/mK nas apostas de dissipador de calor.

Otimização de algoritmo genético

Com a impressão 3D capaz de tornar os dissipadores de calor tão bons quanto os existentes com o mesmo formato, quais benefícios estão disponíveis usando as formas arbitrárias possíveis com a impressão 3D e como essas formas arbitrárias podem ser projetadas?

Estas são questões que o segundo projeto ORNL/Tennessee University se propôs a responder, usando algoritmos de design genético e modelagem de elementos finitos no software COMSOL.

Tomou-se como exemplo um inversor ponte H de carboneto de silício refrigerado a água de 50kW para veículos elétricos.

Para efeito de comparação, um modelo de dissipador de calor de referência foi criado baseado em um dissipador real da série CP15 da Lytron, que consiste em uma espessa placa de alumínio na parte traseira da qual são cortados sulcos profundos. Um tubo de cobre, em bom contato térmico com o alumínio, serpenteia por essas ranhuras e a água no tubo leva o calor embora.

Duas situações foram modeladas: uma com um módulo de comutação de 64 x 64mm dissipando 2kW, e uma segunda com quatro transistores de potência individuais montados em um quadrado, cada um dissipando 250W.

Algoritmos genéticos foram usados ​​para projetar uma competição do mesmo tamanho (~86 x 64 x 8mm) imprimível em 3D para o dissipador de calor de referência sob condições de carga de 1kW e 2kW. Em todos os casos, assumiu-se que a água de entrada a 20°C fluía para os dissipadores de calor a 0,036 litros/s.

Para manter os algoritmos de projeto simples, não eram permitidos formatos arbitrários de canais de água.

Em vez disso, os canais foram restritos a serem retangulares em seção transversal (~ 6 mm de altura, deixando 1 mm na parte superior e inferior na espessura da laje e ~ 1 mm de largura).