3D‑печать медью в разработке охлаждающих конструкций для электроники

Коротко о проблеме

Рост производительности процессоров и ускорителей неразрывно связан с повышением плотности мощности. В современных AI-чипах и серверных платформах тепловая мощность достигает киловатта и выше. В то же время традиционно системы охлаждения проектируются с учетом ограничений производства, а не реальной картины тепловыделения. Это приводит к локальному перегреву и ускоренной деградации компонентов.

Возможности 3D-печати

1. В отличие от фрезерования, сварки, литья с использованием оснастки и других традиционных технологий, 3D-печать позволяет разрабатывать охлаждающие пластины с интегрированными решетчатыми и пористыми структурами, каналами сложного сечения, конформными каналами, следующими контуру горячих зон и т.д.

2. Учитывая широкие возможности 3D-печати сложных структур, при проектировании можно сфокусироваться на тепловых характеристиках проекта вместо его подгонки под возможности литья или механической обработки.

3. Печать TPMS-структур, образующих внутри детали сложную сеть непрерывных каналов. Благодаря сложной геометрии они имеют большую площадь поверхности для отвода тепла и позволяют охлаждающей жидкости проходить через конструкцию.

4. Чтобы оптимизировать одновременно теплопередачу и гидравлику, можно проектировать геометрию каналов, варьируя распределение скорости, перемешивание потока, а также перепад давления.

5. Коллектор, основание, каналы и ребра можно объединить в одну деталь вместо сборки из нескольких компонентов, минимизируя сварку и пайку.

6. Программные инструменты могут оптимизировать вес детали, оставляя материал только там, где он необходим для теплопередачи и механической нагрузки. Полученная геометрия нередко оказывается настолько сложной, что реализовать ее возможно только методами аддитивного производства.

В чем особенности работы с медью?

Медь хорошо подходит для отвода тепла, а современные технологии 3D-печати позволяют получать из нее достаточно плотные детали. При этом характеристики сильно зависят от технологии печати, пористости, состава сплава и последующей обработки.

Для 3D-печати металлическими порошками используется технология SLM, основанная на послойном сплавлении материала под воздействием луча лазера или нескольких лазеров.

При этом в подавляющем большинстве SLM-систем используются волоконные лазеры, работающие в ближнем инфракрасном диапазоне, с длиной волны 1030-1080 нм.

Медь трудно обрабатывается такими лазерами, т.к. отражает большую часть падающей энергии и обладает высокой теплопроводностью.

3D-печать медью: особенности, риски, оборудование >>

Преимущества зеленого лазера

Часть проблем, связанных с аддитивной обработкой меди, решает зеленый лазер с короткой волной 532 нм. При такой длине волны оптическая поглощательная способность меди при комнатной температуре возрастает примерно до 40%. Это принципиально улучшает стабильность печати, снижая риск пористости и связанных с ней дефектов сплавления.

При нагреве меди до температур плавления поглощение ИК-излучения резко возрастает, что вызывает нестабильность ванны расплава и дефекты. Для зеленого лазера поглощение остается в диапазоне 45–55% без резких скачков.

3D-печать зеленым лазером позволяет создавать структуры с тонкими стенками и относительной плотностью, превышающей 95%.

Сферы применения 3D-печати медью

• Электроника высокой мощности и центры обработки данных.

• Аэрокосмическая и оборонная промышленность.

• Телекоммуникации.

• Автомобилестроение, в т.ч. производство электромобилей.

• Производство высокоэффективных теплообменников, холодных пластин для AI-чипов и систем жидкостного охлаждения.

• Изготовление сложных компонентов для двигателей, систем охлаждения и электрооборудования.

• Оснастка и пресс-формы с конформным охлаждением.

Услуги печати медью

Напечатать деталь медью или медными сплавами можно в аддитивном центре компании Глобатэк. Услуги предоставляются в Москве и по всей России. Компания использует профессиональные машины для аддитивного производства. Принтер и материалы выбираются под конкретную задачу заказчика.

Узнать подробнее >>

Примеры из практики

Охлаждающие конструкции для силового модуля

Силовые модули — это электронные компоненты, которые преобразуют, переключают и регулируют ток и напряжение, например, в инверторах, электроприводах, зарядных устройствах электромобилей. При работе силовые модули нагреваются и требуют эффективного охлаждения.

Эти компоненты часто нагреваются неравномерно. Топологическая оптимизация в сочетании с 3D-печатью зеленым лазером позволяет спроектировать систему охлаждения так, чтобы охлаждающая жидкость направлялась непосредственно к горячим точкам.

Так, при мощности источника тепла 8 000 Вт сравнили оптимизированную конфигурацию с 3D-печатными ступенчатыми каналами и традиционную конструкцию.

В оптимизированном варианте пиковая температура снизилась на 9 °C, гидравлическое сопротивление — на 20%. Ступенчатые каналы увеличили площадь теплообмена и заодно улучшили путь потока.

Жидкостное охлаждение ИИ-серверов

ИИ-серверы выделяют все больше тепла в меньшем объеме. Традиционное воздушное и жидкостное охлаждение достигло предела своих возможностей. Главный вопрос — можно ли серийно и с нужной точностью изготавливать ключевые компоненты, особенно медные охлаждающие пластины и микроканальные теплообменники.

Преимущество 3D-печати при помощи зеленого лазера заключается в возможности воспроизводить сложную внутреннюю геометрию как единую металлическую деталь. Это могут быть микроканалы, плотные тонкостенные ребра, структуры на основе TPMS и т.д.

При этом аддитивные технологии становятся частью пути, позволяющего достичь стабильного серийного производства сложных компонентов нового поколения.

Охлаждение силовых модулей в электроавтомобилях

По мере развития электромобилей плотность теплового потока в силовых модулях растет с беспрецедентной скоростью. Терморегулирование стало ключевым узким местом, определяющим производительность и срок службы транспортного средства.

Одним из распространенных тепловых решений для автомобильных силовых модулей является пластина прямого жидкостного охлаждения со штырьковыми ребрами (Pin-Fin). Однако эта архитектура имеет ограничения.

• При использовании фрезерования с ЧПУ и паяльной сборки плотность и компоновка пластин строго ограничены точностью режущего инструмента.

• В косвенном жидкостном охлаждении тепло проходит через несколько слоев и теплопроводящую пасту. Каждая граница раздела добавляет тепловое сопротивление.

• Стандартная печать обычными инфракрасными лазерами крайне сложна по причине высокой отражательной способности меди.

Медные охлаждающие пластины, напечатанные зеленым лазером, приближают появление сверхбыстрых зарядных устройств для электромобилей.

3D-принтер для работы с медью

Промышленная система 3D-печати FastForm AiForm-G1. Машина оснащена зеленым лазером 500 Вт, что позволяет ей печатать из чистой меди и медных сплавов. Система обеспечивает максимальную точность при изготовлении компонентов с внутренними каналами, в т.ч. для жидкостного охлаждения.

Узнать подробнее >>