Ainetta lisäävän valmistuksen mahdollisuudet elektroniikan jäähdytysratkaisuissa

Abstract

Tässä diplomityössä tarkastellaan ainetta lisäävien valmistusteknologioiden hyödyntämistä elektroniikan ja sähkötekniikan jäähdytysratkaisuiden valmistuksessa. Työssä tehtiin kirjallisuuskatsaus erilaisista ainetta lisäävistä valmistusteknologioista, lämmönsiirron sovelluksiin sopivista ainetta lisäävillä valmistustavoilla käytettävistä materiaaleista sekä jäähdytysratkaisuiden optimoinnista ja simuloinnista. Lisäksi työssä tutkittiin lämpöä johtavan muovimateriaalin 3D-tulostusta ja tässä eri tukimateriaalien hyödyntämistä. Näiden lisäksi työssä tehtiin kolmelle eri 3D-tulostusmateriaalille ASTM C1044 – 98 standardin mukainen lämmönjohtavuuden testaus tutkimuksen aikana valmistetulla laitteistolla. Tämän lisäksi tutkittiin lämpöjohtavan muovimateriaalin sekä 3D-tulostettavan alumiiniseoksen hyödyntämistä jäähdytyselementeissä. Tätä tutkimusta varten valittiin perinteisin menetelmin valmistettu jäähdytyselementti vertailuun ja valmistettiin lämpöä johtavasta muovimateriaalista sekä alumiiniseoksesta ainetta lisäävällä valmistustavalla optimaalisempia jäähdytyselementtejä testattavaksi. Nämä jäähdytyselementit testattiin tutkimuksen aikana valmistetulla testauslaitteistolla.

Kirjallisuuskatsauksen selvitysten perusteella lämpöjohtavia muoveja valmistavat tahot ovat selkeästi kiinnostuneet myös 3D-tulostuksen hyödyntämisestä valmistusmetodina. Muovien hyödyntämisen suosio kasvaa sekä erilaisia sovelluskohteita lämpöä johtaville muoveille ja niiden eduille löytyy. Myös metallien hyödyntämistä optimaalisien jäähdytysratkaisuiden tapauksissa on tutkittu ja ainetta lisäävät valmistustavat soveltuvat hyvin optimaalisien rakenteiden valmistamiseen. Kuitenkin monessa teollisessa sovelluksessa valmistuksen hitaus ja kustannukset jarruttavat vielä sen hyödyntämistä. Jäähdytysrakenteiden optimoinnin suhteen selvisi, että se vaatii erittäin paljon supertietokoneen laskentatehoa ja aikaa. Siitä huolimatta monessa tapauksessa saavutettava hyöty on suhteellisen pieni.

Tutkimuksen aikana tehtyjen lämmönjohtavuuskokeiden perusteella selvisi, että lämpöä johtavan muovimateriaalin lämmönjohtavuus on noin neljä kertaa parempi tulostuskerroksen suunnassa kuin tulostuskerroksien läpi. Lisäksi selvisi, että nylonpohjainen lyhyellä hiilikuidulla vahvistettu materiaali toimii myös heikosti lämpöä johtavana materiaalina. Lämpöä johtavan muovimateriaalin lämmönjohtavuus arvot vastasivat sen valmistajan ilmoittamia arvoja. Johtopäätöksenä optimaalisien jäähdytyselementtien valmistuksesta ainetta lisäävillä valmistustavoilla voidaan sanoa, että näillä valmistusmetodeilla on mahdollista saavuttaa jäähdytystehoa parantavia ratkaisuita. Kuitenkin monessa tapauksessa jäähdytyselementtien topologian optimointi on hyvin raskasta ja vaatii supertietokoneen, joten se ei ole tällä hetkellä kaupallisesti kannattavaa kuin tietyissä erikoissovelluksissa ja tutkimuskäytössä.

This thesis examines the utilization of additive manufacturing technologies in the implementation of electronics and electrical engineering cooling solutions. A review of the literature on various additive manufacturing technologies, materials used in additive manufacturing methods suitable for heat transfer applications, and the optimization and simulation of cooling solutions were performed. In addition, the study investigated the 3D printing of a thermally conductive plastic material and here the utilization of different support materials. Additionally, three different 3D printing materials were tested for their thermal conductivity in accordance with the ASTM C1044 - 98 standard with the measurement equipment manufactured during the study. The utilization of thermally conductive plastic material and 3D printable aluminum alloy in heat sinks were investigated. For this study, a heat sink made by conventional methods was selected for comparison and optimized heat sinks made of a thermally conductive plastic material as well as an aluminum alloy were additive manufactured for testing. These heat sinks were tested with measurement equipment manufactured during the study.

Based on the studies in the literature review, those who manufacture thermally conductive plastics are also clearly interested in utilizing 3D printing as a manufacturing method. The popularity of plastics utilization is growing, and there are various applications for thermally conductive plastics and their benefits. The utilization of metals in the case of optimal cooling solutions has also been studied, and the additive manufacturing methods are well suited for the production of optimal structures. However, in many industrial applications, its slowness and cost still hamper its utilization. About the optimization of cooling structures, it became clear that it requires a great deal of computing power and time for the supercomputer, and in many cases the benefit to be achieved is relatively small.

Based on the thermal conductivity tests performed during the study, it was found that the thermal conductivity of the thermally conductive plastic material is about four times better in-plane direction than through-plane direction. In addition, it was also found that a nylon-based carbon fiber-reinforced material also acts as a slightly thermally conductive material. The thermal conductivity values of the thermally conductive plastic material were similar to the values reported by the manufacturer. About the production of optimal heat sinks by additive manufacturing methods, it can be said that these production methods can achieve solutions that improve cooling efficiency. However, in many cases, topology optimization of heat sinks is very cumbersome and requires a supercomputer, so it is currently not commercially viable, except certain special applications and research applications.