Das System
Kühlplatten befinden sich an einer unscheinbaren, aber entscheidenden Schnittstelle jedes elektrischen Antriebsstrangs: zwischen dem Kühlmittelkreislauf und der Leistungselektronik. Ihre Aufgabe besteht darin, die von den Halbleitern erzeugte Wärme schnell genug abzuführen, damit der Wechselrichter auch unter hoher Belastung nicht seine Leistung reduzieren muss.
Die italienische Produktentwicklungsagentur Puntozero nahm sich genau dieser Herausforderung für das Formula-SAE-Elektrofahrzeug von Dynamis PRC aus dem Jahr 2021 an. Die IGBT-Steuerungen des Hochvolt-Traktionswechselrichters mussten auch unter voller Rennstreckenbelastung innerhalb eines engen Betriebsfensters gehalten werden.
Herkömmliche flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten können diese Aufgabe erfüllen. Die dafür typischerweise verwendeten Rippen- oder gefrästen Kanalgeometrien bringen jedoch häufig zusätzliches Gewicht und einen erhöhten Bauraumbedarf mit sich – ein Nachteil, der bei einem Rennfahrzeug, bei dem jedes Gramm zählt, schwer zu rechtfertigen ist.
Die Zielsetzung war daher klar: gleiche oder bessere thermische Leistung bei gleichzeitig kleinerem und leichterem Bauraum. Für die additive Fertigung des Prototyps aus kommerziell reinem Aluminium wurde M4P (Metals4Printing) beauftragt.
Gyroid-Gitter-Design einer Kühlplatten-Wärmetauscherstruktur.
Bildquelle: nTop (nTop wird als Branchenbeispiel genannt. TGM steht in keiner geschäftlichen oder organisatorischen Verbindung zu nTop.)
Die Technologie
Die Ingenieure von Puntozero nutzten die Field-Driven-Design-Tools von nTop, um eine gerichtete, lamellenartige Strömungsführungsgeometrie zu erzeugen. Diese folgt den internen Kanälen der Kühlplatte und verwirbelt das Kühlmittel aktiv an den einzelnen Umlenkungen. Dadurch wird die Strömungsablösung reduziert, die bei Richtungsänderungen normalerweise den Wärmeübergang beeinträchtigt.
Die Strömungsführungen bestehen aus einem Gyroid-Gitter, das entlang zweier Achsen verformt wurde, sodass sich die Struktur exakt an den Strömungspfad anschmiegt. Anschließend wurde die Struktur verdickt und mit der umgebenden Außenwand verbunden.
Gyroid-Strukturen sind für diese Anwendung besonders geeignet: Dieselbe dreifach periodische Minimalfläche (TPMS), die sich während des Metalldrucks selbsttragend ausbilden kann, bietet gleichzeitig ein außergewöhnlich hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit hervorragende Voraussetzungen für den Wärmeaustausch.
Für den umgebenden Kühlkörper kam stattdessen ein Diamond-TPMS-Gitter zum Einsatz.
Das fertige Bauteil wurde auf einem EOS M 290 additiv aus Aluminium gefertigt und anschließend mittels CT-Scan überprüft. Dabei wurde bestätigt, dass die Geometrie innerhalb von 200 Mikrometern von der vorgesehenen Konstruktion lag und keine inneren Defekte aufwies.
Der Leichtbau-Aspekt
Besonders interessant an diesem Beispiel ist, dass Gewichtsreduzierung und thermische Leistungsfähigkeit nicht gegeneinander ausgespielt wurden – beide entstanden aus derselben konstruktiven Entscheidung.
Durch den Austausch massiver oder konventionell verrippter Kühlkanäle gegen ein graduell angepasstes Gitterdesign konnte Puntozero die Wandstärke lokal variieren: dicker im Bereich der Kontaktfläche zur Leistungselektronik, wo sowohl Steifigkeit als auch Wärmeübertragung besonders wichtig sind, und zunehmend dünner in den übrigen Bereichen, in denen zusätzliches Material keine funktionale Aufgabe mehr erfüllt.
Das Ergebnis war eine um 25 % leichtere Kühlplatte gegenüber der Referenzlösung. Gleichzeitig ermöglichten allein die Strömungsführungen eine Steigerung der Wärmeübertragungsfläche um 300 % – in einer Geometrie, die mit konventionellen Fertigungsverfahren praktisch nicht bearbeitbar wäre.
Das Beispiel zeigt eindrucksvoll, was möglich wird, wenn Gitterstrukturen nicht lediglich als passives Füllmaterial betrachtet werden, sondern als aktive technische Oberflächen:
Die Geometrie, die Material und damit Gewicht einspart, ist gleichzeitig die Geometrie, die die thermische Funktion übernimmt.
Und keine dieser Eigenschaften wäre ohne das additive Fertigungsverfahren möglich, mit dem die komplexe Struktur hergestellt wurde.
Fallstudienquelle: nTop — Liquid-cooled cold plate for automotive power electronics
Deutsch 
English