NEUE WERKSTOFFKLASSE UND NEUE FERTIGUNGSTECHNIK

Neuartige, individuelle, leistungsstarke, kompakte, leichte, multifunktionale Kühlsysteme

PORECOOL Kühlsysteme werden aus offenporigem Aluminium-Kokillenguss hergestellt. Das Material unterscheidet sich substanziell von geschäumten, gesinterten oder 3D-gedruckten Werkstoffen und hat viele neue, für das leistungsfähige Wärmemanagement attraktive Eigenschaften und Wärmeübertragungsphänomene.

Besseres Wärmemanagement mit PORECOOL Kühlsystemen

Die PORECOOL Kühlsysteme ermöglichen neues, unkonventionelles Denken und Gestalten von thermischen Anwendungen mit neuen technischen, wirtschaftlichen und ökologische Potenzialen.

Sie basieren auf funktionalen und strukturellen Werkstoffinnovationen im Nano-, Mikro- und Makrobereich der Leichtmetalle, primär Aluminium und seiner Legierungen. Sie können als komplett oder selektiv offenporige Monomaterials, Monomaterial-Hybride, Multimaterial-Hybride sowie solche mit optional modifizierten Porenoberflächen oder in die Porenräume oder Metallgitter integrierten (z.B. wärmeleitenden) Fremdwerkstoffen hergestellt werden.

Zu den neuen Eigenschaften zählen u.a.:

  • direkte Übertragung von Wärme von Hot Spots auf Trägermedien durch einen Konduktions-Konvektions-Mechanismus,
  • bessere Wärmeleitung, Wärmestrahlung und Konvektion bei kleineren Abmessungen und Gewicht,
  • bessere Strömungsakustik und Richtungsunabhängigkeit des Kühlkreislaufs,
  • enorme Designfreiheit für Kühlkörper, Strömungskreisläufe, Platinenlayouts, Gerätedesigns und Komponenten-Packages,
  • enorme Integrationsfähigkeit in Bauräume, Hybridsysteme und Funktionsbündel,
  • neuartige Modifizierung mechanischer, thermischer, elektrischer, optischer u.a. Oberflächeneigenschaften,
  • leichtere Digitalisierung (Temperatur- und Drucksensoren, Antennen, Signalleuchten etc.),
  • nachhaltigere Serienproduktion in kleinen, mittleren und großen Stückzahlen.

Neue Eigenschaften und Wärmeübertragungsphänomene

Die Effizienz aktiver Kühlung hängt direkt von den Materialeigenschaften, der Größe der Wärmeübertragungsfläche, der Form und den Oberflächeneigenschaften des Festkörpers, den Fluideigenschaften, der Strömungsform, der Strömungsgeschwindigkeit, der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit ab.

Konventionelle offenzellige Aluminiumschäume galten bisher aufgrund ihrer Eigenschaften wie geringe Dichte, hohe spezifische Oberfläche und hohe Permeabilität als attraktive Kandidaten für die konvektive Wärmeübertragung. Als bessere Alternative bieten neuartige PORECOOL Kühlungssysteme viele neue, für die konventionellen Aluminiumschäume undenkbare Möglichkeiten in der Auslegung und Leistungsoptimierung von thermischen Anwendungen.

Die PORECOOL Kühlungssysteme werden aus offenporigem Aluminium-Kokillenguss sowie anderen Metallen und/oder Polymeren hergestellt. Das poröse Gussaluminium unterscheidet sich substanziell von geschäumten, gesinterten oder 3D-gedruckten Werkstoffen und hat viele neue, für die Produktentwicklung und das leistungsfähige Wärmemanagement attraktive Eigenschaften, sowie neue Wärmeübertragungsphänomene:

  • nachhaltiges Schwerkraft-Kokillengießverfahren ohne Verwendung von Schadstoffen und Chemikalien,
  • feinkörniges und dichtes Gussgefüge mit sehr hohen Festigkeitswerten und Freigaben für wasserdichte Anwendungen,
  • neuartige multimodale Porenmorphologie und neue Wärmeübertragungsphänomene,
  • flexibel einstellbare Porengrößen im Mikro-,  Meso und Makrobereich,
  • geringe Dichte (0,8 -1,3 g/cm3) und bis zu 20-fach höhere Druckfestigkeit als bei herkömmlichen Aluminiumschäumen,
  • bis zu 8-fach höhere Materialmenge und bis zu 10-fach höhere Wärmeleitfähigkeit als bei herkömmlichen Aluminiumschäumen,
  • enorme Vielfalt an möglichen Materialeinstellungen, Architekturen und Designs für ein breites Spektrum an Anwendungen,
  • beliebige Konstruktionen und Befestigungssysteme (Schrauben, Pressen, Schweißen, Löten, Kleben),
  • Herstellung als Mono- und Multimaterial-Hybride aus Metallen und/oder Polymeren,
  • optionale neuartige Modifikation mechanischer, elektrischer, thermischer und chemischer Materialeigenschaften,
  • optionale neuartige Kombination mit gedruckter Elektronik (TIM, LED, Sensoren, RFID),
  • und vieles mehr.

Die METAHABYRID Kühlungssysteme sind multifunktionale, multistrukturelle Mono- und Multimaterial-Hybride. Ihre Eigenschaften auf Mikro- und Makroebene werden anwendungsspezifisch ausgelegt. Das soll frühestmöglich im Entwicklungsprozess berücksichtigt werden.

Neue Werkstoffklasse für konvektive Wärmeübertragung

Konvektiver Wärmeübergang

Konvektiver Wärmeübergang in porösen Metallen kann schwer bis unmöglich analytisch beschrieben werden. Im allgemeinen hängt er direkt von der Größe der wärmeübertragenden Oberfläche und vom Wärmeübergangskoeffizient ab.

Größe der wärmeübertragenden Oberfläche

Die Komponenten aus porösem Aluminium können in beliebigen Geometrien und Abmessungen bis zu 800 mm aus Reinaluminium oder Al-Legierungen hergestellt werden. Im Vergleich zu Standard Kühlkörpern aus Extrusionsprofilen bieten sie bei gleicher Konstruktion und vergleichbaren Einstellungen bei Rippen / Poren:

  • 3x größere wärmeübertragende Oberfläche,
  • 50% weniger Gewicht,
  • höhere Wärmeleitfähigkeit reines Aluminiums Al99,5%.

Im Vergleich zu Standard Stiftkühlkörpern bieten sie bei gleicher Konstruktion und vergleichbaren Einstellungen bei Stiften / Poren:

  • 1,7x größere wärmeübertragende Oberfläche,
  • 50% weniger Gewicht,
  • höhere Wärmeleitfähigkeit reines Aluminiums Al99,5%.

Bei kompletter Nutzung des für den konventionellen Kühlkörper vorgesehenen Bauraums:

  • 4,5x größere wärmeübertragende Oberfläche,
  • 25% weniger Gewicht als Extrusionskühlkörper und 70% mehr Gewicht als Stiftkühlkörper,
  • höhere Wärmeleitfähigkeit reines Aluminiums Al99,5%.

Das Thema Oberflächengröße hat viele weitere Aspekte und Varianten für Materialeinstellungen. 

Wärmeübergangskoeffizient

Der Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von der Oberfläche eines Stoffes abzuführen. Er hängt unter anderem ab von den Stoffeigenschaften, Strömungseigenschaften, geometrischen Verhältnissen und Oberflächenbeschaffenheit.

Die Strukturen aus porösem Aluminium sind offenzellige, multimodale Metallschäume mit eigenartiger Porenmorphologie und enormer Vielfalt an Architekturen, die ihr thermisches und fluiddynamisches Verhalten bestimmen:

  • sanduhrförmige Poren mit unterschiedlichen Größen im Mikro-, Meso- und Makrobereich,
  • komplexe Windung der Durchgänge mit mehreren 1-n, n-1 und n-n Verbindungen in eine Strömungsrichtung,
  • mehrere, räumlich verteile Mikro- und Makroströmungen mit laminaren, turbulenten und gemischten Bereichen,
  • mehrere, räumlich verteilte Geschwindigkeitsbereiche der Mikro- und Makroströmungen,
  • massive Aluminium-Matrix (30% - 60% Materialanteil) mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit,
  • einstellbare Eigenschaften für besseren Wärmeübergang bei verschiedenen Gasen / Fluiden.

Aktuelle Forschungsergebnisse

Die neuartigen multimodalen Aluminiumschäume sind noch wenig erforscht. Die ersten Nachweise aus Forschungsprojekten bestätigen folgende Hypothesen:

  • die Porenmorphologie ist der wichtigste Parameter für die Wärmeübertragung,
  • größere Oberflächen in porösen Metallen bedeuten nicht automatisch besseren Wärmeübergangskoeffizient,
  • je nach Porenmorphologie kann der Wärmeübergangskoeffizient im Vergleich zu Kühlkörpern mit Rippen, Fins, Pins, Lamellen, konventionellen Aluminiumschäumen oder TPMS Strukturen bedeutend verbessert werden,
  • bei extrem großen Oberflächen, wie sie die porösen Metalle haben, ist die Wärmeleitfähigkeit des Materials sekundär,
  • je nach Porenmorphologie kann man mit 50% weniger Materialwärmeleitfähigkeit 50% mehr Wärme übertragen,
  • je nach Porenmorphologie kann man mit 20% weniger Fläche 50% mehr Wärme übertragen.

Neue Layouts, Designs und optimierte Bauräume

Neue Kühlkörper und Geräte Layouts

Die Komponenten aus porösem Aluminium werden klassisch zerspant und können in beliebige CNC-Präzise Formen gebracht werden. Sie sind komplett offenporig, unabhängig von der Strömungsrichtung des Kühlmediums und können somit in beliebigen freien Bauraum integriert werden.

Das bedeutet neue Gestaltungsmöglichkeiten und Freiheitsgrade für Kühlkörper, Strömungskreisläufe, Platinenlayouts, Gerätedesigns und  Komponenten-Packages.

Neue wärmeübertragende Strukturen und Designs

Die Komponenten aus porösem Aluminium sind sehr belastbar. Sie können tragende Funktionen übernehmen, weitere Funktionsintegrationen wie Befestigungspunkte anbieten, lasttragende oder dekorative Gehäusestrukturen bilden bzw. Platinen mit Halbleitern komplett als eine Art schaldämpfende Kühlbox umschließen.

Neue Aluminium Monomaterial-Hybride

Es können viele unterschiedliche Aluminium-Hybride hergestellt werden: gleichmäßig offenporige, gradiert offenporige, selektiv offenporige, selektiv massive und viele weitere. So kann z.B. die thermische Kontaktstelle zum Halbleiter lokal aus massivem Aluminium bestehen.

Neue Multi-Material Hybride und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

Unterschiedliche Komponenten aus Edelstahl, Titan, Kupfer oder Aluminium können in die Aluminium Monomaterial-Hybride integriert werden. Es kann entweder direkt im Gießprozess erfolgen, oder nachträglich durch Verpressen, Schweißen, Löten, Kleben u.a.

Der Aluminiumschmelze oder den NaCl-Platzhaltern können verschiedene Fremdwerkstoffe als Partikel oder Kurzfaser hinzugefügt werden. Damit eröffnet sich ein neuer Materialbereich offenporiger Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit funktionalisierten Metallmatrix und/oder Poren.

Neue additive Aluminium-Hybride

Die Komponenten aus porösem Gussaluminium können in additiven Fertigungsverfahren funktionalisiert werden. Auch umgekehrt - die additiv gefertigten Aliuminiumteile können in die Komponenten aus porösem Gussaluminium integriert werden.

Neue Metall-Polymer Hybride

Die Poren in porösen Aluminium-Strukturen können mit Polymeren infiltriert werden. So lassen sich extrem starke, mediendichte Multimaterialsysteme für mechanische, strömungsmechanische, thermische, chemische, akustische dekorative und andere Aufgabenstellungen bilden.

Kunststoffteile mit integrierten Kühlkörpern

Die Kunststoffteile haben schlechte Wärmeleitfähigkeit (PP2 = 0,08 W/mK, PP6 und ABS = 0,17 W/mK,  gefüllte Vergussmassen 6 W/mK). Je nach Materialeinstellung haben die luftgefüllten offenporigen OPENPORE Aluminium-Strukturen die Wärmeleitfähigkeit zwischen 30 und 60 W/mK (die Wärmeleitfähigkeit der Luft = 0,026 W/mK). Sie können auf vier Arten im Bereich der Hotspots in die Kunststoffteile heliumdicht integriert werden:

  • vollständig in die Kunststoff-Matrix integriert (Polymer außen und innen),
  • mit metallischem Kontakt zum Hotspot,
  • mit metallischem Kontakt zum Kühlmittel,
  • mit metallischem Kontakt zum Hotspot und Kühlmittel.

Abhängig von der Konstruktion und Materialanteilen von Metall und Polymer ergibt sich eine bessere, kombinierte Wärmeleitfähigkeit des Hybridteils.

Aber nicht nur thermische, sondern auch andere Funktionen wie z.B. Befestigungspunkte, Stutzen u.v.m. können so integriert werden.

Funktionalisierung und Digitalisierung

Multifunktionale Leichtmetall-Oberflächen für interdisziplinäre Anwendungen

METAKER® Surface ist eine neuartige, mächtige, wirtschaftliche, sehr nachhaltige, seit 2010 im industriellen Maßstab verfügbare Technologie für die Umwandlung von Leichtmetall-Oberflächen in einen heterogenen, multifunktionalen, mikrostrukturierten, chemisch aktivierten, gradierten Mikro-Verbundwerkstoff mit neuen mechanischen, elektrischen, thermischen, chemischen, optischen, dekorativen, biologischen, technologischen und ökologischen Werkstoffeigenschaften. Sie ermöglicht die Optimierung, Hybridisierung oder Substitution von Werkstoffen, Fertigungsprozessen und Technologien.

In Bezug auf Anwendungen im Bereich Kühlung / Heizung wären folgende Eigenschaften interessant:

  • elektrische Isolierung (100 - 600 V) und extreme Wärmeleitfähigkeit (25 - 42 W/mK vs. Eloxal = 0,5 W/mK),
  • oder elektrische Leitfähigkeit für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und elektrostatische Entladung (ESD),
  • thermische Isolierung von Aluminiumfolien, Schichten, Blechen (<10 W/mK),
  • extrem Verschleißbeständigkeit und Schutz gegen Funkenerosion,
  • stark ausgeprägte Mikrostruktur mit sehr hohem Materialtraganteil für besseren mechanischen Kontakt,
  • höhere spezifische Oberfläche für bessere Konvektion,
  • sehr gute Wärmeabstrahlung mit Emissionsgrad 0,75-0,94,
  • chemische Aktivierung und sehr gute Korrosionsbeständigkeit,
  • sehr gute Kompatibilität mit anderen Werkstoffen (Kupfer, Silber, Grafit...) und Fertigungsverfahren (Siebdruck, PVD...),
  • Modifikation von komplexesten Geometrien, Aluminiumschäumen inkl. innere Poren, Drahtwicklungen und Hybridteilen.

Gedruckte Elektronik

Gedruckte Elektronik auf METAKER® Oberflächen ermöglicht eine neue Welt der Anwendungen mit bisher ungeahnten Materialeigenschaften für Leistungselektronik, Heizung, Kühlung und LED-Lichtsysteme:

Die Funktionsschichten werden direkt auf dreidimensional geformte Bauteile applizieren.

Forschung, Entwicklung und Produktion

Forschung und Entwicklung

Die modernen Technologien beeinflussen die mikro- und makrostrukturellen sowie multifunktionellen u. a. mechanischen, strömungsmechanischen, thermischen, chemischen, elektrischen, akustischen, biologischen, ökologischen, technologischen und anderen Zusammenhänge. Je nach Anwendung eröffnen sich damit neue Wege für eine nachhaltige Optimierung, Modifizierung bzw. Substitution von unterschiedlichen Werkstoffen, Oberflächentechnologien, Werkzeugen und Fertigungsprozessen.

Das neue technologische Innovationsökosystem METAHYBRID bündelt diese Technologien mit fundierter Expertise und Erfahrung unterschiedlicher hochspezialisierter Partner aus der Forschung und Produktentwicklung. Gemeinsam bieten wir einzigartige, jahrzehntelange Erfahrung in der Erforschung, Simulation, Entwicklung, Validierung und Industrialisierung von komplexen Systemen mit neuen Werkstoffeigenschaften u. a. im Bereich Thermodynamik und Strömungsmechanik auf Nano,- Mikro- und Makroebene.

Innovationsentwicklung

Die PORECOOL Lösungen werden anwendungsspezifisch konzipiert und über Funktionsprototypen in mehreren Iterationen bis zur Serie entwickelt. Die Entwicklung erfolgt nach Design Thinking Methode. Sie beginnt mit dem Verstehen von anwendungsspezifischen Problemen und neuen technologischen Möglichkeiten durch ein gemeinsames, interdisziplinäres Entwicklerteam. Weitere Informationen sind auf Anfrage erhältlich.

Modularer Kühlsystem-Baukasten

Für Standard Anwendungen im Bereich Luftkühlung haben wir ein PORECOOL Kühlsystem als ein modularer Baukasten entwickelt. Seine wichtigsten Vorteile sind Komplexitätsreduktion durch Standardisierung, Senkung der Entwicklungskosten sowie die Reduktion von Entwicklungszeiten. Modularer Baukasten ist geeignet für schnelle, praktische Funktionsnachweise, Bestimmung anwendungsspezifischer Parametern und Zielgrößen oder als ein Minimal Viable Product (MVP) bei agiler Produktentwicklung.

Produktion

An Standorten in Baden-Württemberg fertigen zertifizierte METAHYBRID Vertragspartner präzise und anspruchsvolle Komponenten (Einzelteile, Klein- und Großserien) und komplette Baugruppen mithilfe unterschiedlicher Fertigungstechnologien:

  • CNC Fertigung aus Metallen und Kunststoffen auf hochmodernen Bearbeitungszentren,
  • Kunststoffspritzguss (2K, Inset- , Outsert- , Fillsert-Technik)
  • Gedruckte Elektronik (Siebdruck, Tampondruck, Dispensdruck, 3D-Druck),
  • 3D-Druck in Kunststoff und Metall.
  • u.a.