Más sobre: ​​La impresión 3D podría crear mejores disipadores de calor

May 07, 2024

Investigadores estadounidenses han demostrado que los disipadores térmicos impresos en 3D podrían ser más ligeros, más pequeños o mejores que los disipadores convencionales.

Imagen en falso color de un disipador diseñado genéticamente para enfriar un módulo que disipa 2kW

La conclusión proviene de dos proyectos vinculados en el Laboratorio Nacional Oak Ridge y la Universidad de Tennessee Knoxville:

Uno demuestra que el aluminio impreso puede al menos igualar y a veces mejorar la conductividad térmica del aluminio disipador de calor estándar.

El segundo ha desarrollado algoritmos genéticos que aprovechan la libertad de forma que ofrece la impresión 3D para diseñar disipadores que caben en el mismo espacio que sus primos convencionales pero que funcionan mejor.

En el caso de la conductividad térmica, se comparó un material de disipador de calor convencional (aluminio '6061' con <1% Si y 1,5% Mg) con uno impreso por la firma estadounidense Linear Mould AMS utilizando una aleación desarrollada para el centelleo láser directo de metales (DMLS) que incluye 10% Si y 0,5% Mg, según ORNL.

A temperatura ambiente, la aleación 6061 tenía una conductividad térmica de 180 W/mK, en comparación con los 110 W/mK del disipador térmico impreso; una cifra más baja aquí significa peor conductividad y, por lo tanto, un peor disipador térmico.

A temperaturas más altas, ambos variaron de forma aproximadamente lineal, convergiendo a 170 WmK a 220 °C.

El tratamiento térmico de ambos a 300 °C y luego su regreso a temperatura ambiente dio como resultado cambios estructurales que mejoraron la conductividad térmica en ambos materiales.

Si bien el disipador térmico 6061 mejoró unos pocos W/mK, el impreso mejoró mucho, aumentando permanentemente a poco menos de 200 W/mK.

Para futuras simulaciones, el equipo de investigación ha creado modelos teóricos precisos tanto para la aleación impresa como para el 6061.

Además, la aleación de aluminio más común para la impresión 3D DMLS es 'AlSi10Mg', que es muy similar a la aleación que describe ORNL, pero con 0,25-0,45% de magnesio.

Tal como está impreso, alcanza 103+/-5W/mK a lo largo de las capas impresas y 119+/-5W/mK a través de las capas impresas. El acondicionamiento posimpresión estándar para AlSi10Mg consiste en calentar a 300°C durante dos horas, después de lo cual su conductividad térmica aumenta a 173+/-10W/mK en todas las direcciones.

Una segunda aleación estándar para disipadores térmicos extruidos, llamada 6063, ofrece 190-210 W/mK sin cobre: ​​el cobre aumenta la resistencia térmica en el aluminio.

Y además, el diamante obtiene 2.000 W/mK en lo que respecta al disipador de calor.

Optimización del algoritmo genético.

Dado que la impresión 3D es capaz de hacer que los disipadores de calor sean tan buenos como los disipadores de calor existentes con la misma forma, ¿qué beneficios se obtienen al utilizar las formas arbitrarias posibles con la impresión 3D y cómo se podrían diseñar estas formas arbitrarias?

Estas son preguntas que el segundo proyecto de ORNL/Universidad de Tennessee se propuso responder, utilizando algoritmos de diseño genético y modelado de elementos finitos en el software COMSOL.

Se tomó como ejemplo un inversor de puente H de carburo de silicio refrigerado por agua de 50 kW para vehículos eléctricos.

A modo de comparación, se creó un disipador de calor modelo de referencia basado en uno real de la serie CP15 de Lytron, que consiste en una placa de aluminio gruesa en cuya parte posterior se cortan ranuras profundas. Una tubería de cobre, en buen contacto térmico con el aluminio, serpentea a través de estas ranuras y el agua en la tubería se lleva el calor.

Se modelaron dos situaciones: una con un módulo de conmutación de 64 x 64 mm que disipa 2 kW y una segunda con cuatro transistores de potencia individuales montados en un cuadrado, cada uno de los cuales disipa 250 W.

Se utilizaron algoritmos genéticos para diseñar una competencia del mismo tamaño (~86 x 64 x 8 mm) imprimible en 3D para el disipador térmico de referencia en condiciones de carga de 1 kW y 2 kW. En todos los casos, se supuso que el agua de entrada a 20°C fluía hacia los disipadores de calor a 0,036 litros/s.

Para mantener simples los algoritmos de diseño, no se permitieron formas arbitrarias de canales de agua.

En cambio, los canales se limitaron a tener una sección transversal rectangular (~6 mm de alto, dejando 1 mm en la parte superior e inferior en el espesor de la losa, y ~1 mm de ancho).

Tenían que avanzar de forma rectilínea, es decir, solo se les permitía correr en línea recta a través del disipador de calor o a lo largo de él.

Todas las esquinas tenían que ser ángulos rectos, se permitían cruces en T, se permitían cruces y dos canales que se tocaban uno al lado del otro se convirtieron en un canal de 2 mm; eche un vistazo al diagrama superior para tener una mejor idea.

El cálculo se redujo a la mitad dividiendo el disipador de calor en dos mitades simétricas.

Se utilizaron dos algoritmos genéticos personalizados separados para diseñar cada disipador de calor imprimible; los detalles completos están disponibles en un artículo: 'Diseño de algoritmo genético de un disipador de calor impreso en 3D'.

El enfoque está inspirado en la teoría de la evolución de la "supervivencia del más apto" de Darwin, dijo a Electronics Weekly el científico de la Universidad de Tennessee Tong Wu, explicando: "Al aplicar un algoritmo genético junto con el proceso de aprendizaje automático, un algoritmo de optimización desarrollado puede diseñar automáticamente el calor único". disipador, en función de la disipación total de calor deseada, la distribución y el volumen permitido”.

En términos generales: el primer algoritmo creó disipadores de calor "bastante buenos", según ORNL, utilizando cuatro pasos iterados: inicialización, evaluación y selección, cruce y mutación, y reproducción.

La inicialización, por ejemplo, comienza creando aleatoriamente posibles disipadores de calor con una cantidad (entre dos y diez) de canales de agua que se extienden entre la entrada y la salida. Los pasos posteriores modifican estos canales.

Después de cada paso del algoritmo, se descartaron los de peor rendimiento.

La puntuación para todos los algoritmos fue, sin embargo, una función de maldad: creada sumando la temperatura de la parte más caliente del disipador de calor (en relación con 20°C) a la fuerza de bombeo requerida para lograr el flujo de agua fijo, por lo que las puntuaciones altas significaban componentes calientes o bombeo pesado. .

Este primer algoritmo convergió rápidamente: con un punto de 58°C en un disipador de calor de la primera iteración, cayendo a 51,8°C en la tercera iteración, y luego estabilizándose gradualmente hasta 46°C en la iteración 19.

El segundo algoritmo, aplicado después de que el primero hubiera terminado su trabajo, movió las geometrías previamente optimizadas. Sus pasos fueron: traducción, conexión, creación y eliminación.

La traducción, por ejemplo, puede mover un canal un poco hacia los lados. La conexión seleccionaría puntos aleatorios en los canales y los conectaría a un canal cercano. La eliminación completó algunos bucles formados por los otros tres pasos.

En el caso de los cuatro transistores separados, las iteraciones del algoritmo de la segunda etapa crearon pasajes de derivación, redirigiendo un poco de agua fría de entrada alrededor de la primera fila de transistores hacia los transistores detrás.

Resultados

La optimización para temperaturas máximas bajas tuvo el efecto de nivelar las diferencias de temperatura entre los picos en los extremos de entrada y salida a ~1°C en ambos diseños genéticos, en comparación con ~10°C en el disipador térmico de referencia.

La función de maldad, utilizada en todas partes, fue deliberadamente sesgada para favorecer los componentes fríos a expensas del bombeo de energía, aunque existe la opción de alterar este equilibrio para diseños futuros. Es probable que esta desviación sea la razón por la que hay tanta diferencia entre la fuerza de bombeo requerida por los dos disipadores térmicos imprimibles.

El trabajo de diseño genético es publicado por el IEEE como Diseño de algoritmo genético de un disipador de calor impreso en 3D.

Imagen de ORNL