Neue Möglichkeiten für die thermische Optimierung elektronischer, elektrischer, mechanischer und anderer Systeme.

Aluminium Komponenten mit multifunktionalen METAKER^® Oberflächen kombinieren die mechanischen, thermischen, elektrischen, chemischen und mikrostrukturellen Eigenschaften von Aluminium und Keramik auf eine einmalige Art. Damit entstehen viele neue Möglichkeiten die Wärmetransportvorgänge in thermisch beanspruchten elektronischen, elektrischen, mechanischen und anderen Systemen zu optimieren. Die neuen Potenziale wurden bereits in den Serienanwendungen im Bereich Kühlkörper für die Elektronik, LED-Lichtsysteme und Infrarot-Heizungen realisiert.

Neue Oberflächentechnologie kombiniert widersprüchliche Werkstoffeigenschaften

METAKER^® Surface ist ein Verfahren für die elektro-plasmachemische Modifikation von Leichtmetalloberflächen im Tauchverfahren. Der Prozess wandelt die Randschichten eines Werkstücks unter Elektrolyt-Plasma und unter Einfluss von Millionen Mikro-Lichtbögen zu einem neuartigen Mikro-Verbundwerkstoff um.

Aluminium Komponenten mit METAKER^® Randschichten sind mikrostrukturiert, mikroporös, chemisch aktiviert, gradiert und auf eine einmalige Art multifunktional, z. B.:

• leicht und extrem verschleißfest,
• elektrisch isolierend und extrem wärmeleitend,
• elektrisch leitend und extrem verschleißfest,
• verschleißfest, korrosionsbeständig und duktil,
• extrem wärmeleitend und extrem wärmestrahlend,
• wärmeleitend, korrosionsbeständig und Licht reflektierend,
• visuell und taktil wertanmutend, kratzfest und Licht absorbierend,
• temperaturbeständig und lebensmittelecht
• und vieles mehr

Jegliche Leichtmetall-Komponenten wie massive Bauteile, Bleche, Folien, Schichten, Gewebe, Draht, Drahtwicklungen, offenporige Aluminiumschäume, offenporiger, makroskopisch isotroper Aluminiumguss und sogar wasserbeständige Werkstoff-Hybride können im METAKER^® Verfahren modifiziert werden. Ihre Geometrie darf dabei beliebig komplex sein.

Solche Komponenten können Bauteile aus anderen Werkstoffen wie z.B. Stahl, Edelstahl, Messing, Bronze oder Keramik substituieren. Dabei wird die Verwendung von vielen Oberflächenverfahren wie z. B. Beizen, Chromatieren, Phosphatieren, Chemisch-Nickel, Eloxieren, Hartanodisieren, Hartverchromung, Lackieren u. a. nicht mehr nötig.

Die METAKER^® Prozesssteuerung erlaubt die Herstellung hunderter unterschiedlicher Eigenschaftsprofile. Manche davon befinden sich seit 2010 in der Serienproduktion, die meisten sind jedoch noch einem breiten Publikum unbekannt und unerforscht.  

Neue Werkstoffeigenschaften bringen neue Potenziale für thermische Optimierung

Das Thema Wärmemanagement ist sehr komplex und stark von einem konkreten Anwendungsfall abhängig. Nachfolgende Angaben basieren auf wissenschaftlichen Erkenntnissen unter bestimmten Annahmen und dienen nur zur Information.

Es gibt drei Arten von Wärmetransportvorgängen. Für die thermische Optimierung dieser Wärmetransportwege sind jeweils andere Werkstoffeigenschaften ausschlaggebend.

• Wärmeleitung (abhängig von Wärmeleitfähigkeit, Oberflächengröße, Körperdicke),
• Konvektion (abhängig von Strömungsart, Oberflächengröße, Oberflächenbeschaffenheit),
• Wärmestrahlung (abhängig von Emissionsgrad, Oberflächengröße, Oberflächenbeschaffenheit).

Die nachfolgende Tabelle enthält eine Auswahl über die Eigenschaften verschiedener Werkstoffe. Sie dient zur Ermittlung von Richtwerten für die Überschlagsrechnung zur Quantifizierung möglicher Potenziale.

Je nach Anwendung werden die Werkstoffe, abhängig von ihren Konstruktions- und Funktionseigenschaften, entweder als Einzelwerkstoff (z. B. Plattenwärmetauscher) oder als Bestandteil eines Multi-Material-Systems (z. B. Komponenten für Hochleistungselektronik) eingesetzt.

Am einfachsten können die neuen Möglichkeiten der thermischen Optimierung durch die Überschlagsrechnung für Plattenwärmetauscher erklärt werden. Solche Wärmetauscher bestehen aus geprägten Blechen, meistens aus Edelstahl oder Titan.

Die Substitution von Edelstahl durch Aluminium mit verschleiß- und korrosionsbeständigeren METAKER^® Oberflächen würde bedeuten:

• Steigerung der Wärmeleitfähigkeit um 950 %,
• Senkung des Materialverbrauchs / Gewichts um 65 %,
• Erhöhung der Abriebfestigkeit / Lebensdauer um 457 %,
• Senkung der Materialkosten um 58%.

Die Fragen, inwieweit diese Potenziale und für welche Anwendungen sie umsetzbar sind, können im Rahmen von produktspezifischen Vorentwicklungsprojekten beantwortet werden. Ein weiteres Beispiel wird mit dem folgenden Experiment demonstriert (s. Video #5):

Ein Stück Naturleder (Bild oben, Nr. 2, Dicke 1.500 µm) wird sowohl auf ein Standard Aluminiumblech (Nr. 1, Dicke 300 µm), als auch auf ein Aluminiumblech mit METAKER^® Schicht (Nr. 3, Dicke 10 µm) auf eine Heizquelle aufgelegt und erwärmt. Bei gleicher Erwärmungszeit ist die Temperatur des Leders auf dem METAKER^® Blech um ca. 15% höher.

Bei Betrachtung der Wärmeleitung stellt man fest, dass der thermische Widerstand eines Aluminiumbleches mit METAKER^® Oberfläche um eine fünfte Nachkommastelle schlechter ist als eines Aluminiumbleches ohne die METAKER^® Oberfläche. Dies kann, genauso wie die konvektive Wärmeübertragung, vernachlässigt werden. Als Ursache für den Temperaturunterschied bleibt nur die Wärmestrahlung.

Der bei der Wärmestrahlung übertragene Wärmestrom ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur des Strahlers. Eine einfache Rechnung zeigt, dass die Strahlleistung des METAKER^® Aluminiumblechs trotz starker Abschwächung durch einen sehr hohen thermischen Widerstand des Leders (0,33 k/W) immer noch um ca. 75% höher ist.

Bei den komplexen Multi-Material-Systemen sind die drei Wärmetransportmechanismen Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung in der Regel überlagert. Für die thermische Optimierung solcher Systeme sind mehrere neue Möglichkeiten interessant:

Optimierung der Wärmeleitung

• Verbesserung der thermischen Isolationseigenschaften von Aluminium-Komponenten um bis zu 20 %,
• Substitution von Stahl, Edelstahl, Titan, Keramik u. a. mit Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 1.000 %,
• Substitution von Eloxal-Schichten bzw. elektrisch isolierenden Lackschichten mit Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit um bis zu 12.400 %,
• Erhöhung des thermischen Kontaktkoeffizienten durch die duktilen, mikrostrukturierten Oberflächen mit bis zu 400 % höherem Materialanteil.

Optimierung der Konvektion

• Verbesserung der natürlichen und erzwungenen Konvektion durch eine um bis zu 400 % größere mikrostrukturierte, spezifische Leichtmetall-Oberfläche,
• Verbesserung der konvektiven Wärmeübertragung in den Grenzschichten von Fluiden und Gasen durch turbulente Strömungen an mikrostrukturierten Oberflächen.

Optimierung der Wärmestrahlung

• Verbesserung der Wärmestrahlung von Aluminium-Komponenten um bis zu 2.200 %,
• Substitution von Eloxal-Schichten, bzw. elektrisch isolierenden Lackschichten mit Verbesserung der Wärmestrahlung durch eine Kombination aus hohem Emissionsgrad (bis zu 0,95), einer bis zu 400 % größeren spezifischen Oberfläche und bis zu 4.900 % kleinerem thermischen Widerstand.

Optimierung der Konstruktion

• Erhöhung der Steifigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Abriebfestigkeit von Aluminium Folien und Schichten,
• Substitution von keramischen Komponenten durch dünnere METAKER^® Komponenten,
• Kombination von METAKER^® Oberflächen mit anderen Werkstoffen (Kupfer, Klebstoffe) oder Oberflächen (PVD, Galvanik, Digitaldruck),
• die Konturtreue und Präzision der METAKER^® Schichten sind besser als bei Chemisch Nickel, auch bei komplexesten Geometrien,
• die elektrischen Eigenschaften können entweder leitend (vgl. Chemisch Nickel) oder isolierend (vgl. Keramik) eingestellt werden,
• und vieles mehr.

Beratung und Systemlösungen

METAKER^® Surface ist eine neue, seit 2010 im industriellen Maßstab verfügbare Serientechnologie mit mehreren Alleinstellungsmerkmalen. Sie wandelt Aluminium-Randschichten in ein multifunktionales Mikro-Konstruktionselement mit bisher unbekannten Eigenschaften um.

Die Kombination aus extremer fachlicher Tiefe und enormer Anwendungsbreite generiert Potenziale, die die Wissenschaft und die Wirtschaft in den nächsten Jahrzehnten beschäftigen werden.

Zum aktuellen Zeitpunkt (Mai 2020) wurden bereits mehrere Millionen Bauteile für Kunden aus den Bereichen Maschinenbau, Anlagenbau, Elektronik, Konsumgüter u.a. modifiziert. Auch Projekte für thermische Optimierung konnten bereits realisiert werden.

Ein Hersteller von Infrarot-Heizungen konnte dadurch eine Senkung von 60% des Stromverbrauchs seiner Produkte erreichen. Mehrere Hersteller von elektronischen Geräten und LED-Lichtsystemen setzen Kühlkörper mit METAKER^® Oberfläche statt Eloxal ein, um die Entwärmung ihrer Produkte zu verbessern.

Um das vollständige Optimierungspotenzial durch den Einsatz von METAKER^® Oberflächen auszuschöpfen, ist ein ganzheitliches Technologieverständnis in den interdisziplinären Entwicklerteams erforderlich. Die AUTOMOTEAM GmbH bietet interessierten Unternehmen hierfür kostenfreie Beratungsangebote für ihre F&E Teams an.

In einem weiteren Schritt können die METAKER^® Oberflächen in einer der Standardausführungen anwendungsspezifisch angepasst werden oder in einer Sonderausführung anwendungsspezifisch bis zur Serienreife entwickelt werden.

Die entwickelten Lösungen können in drei- bis siebenstelligen Stückzahlen geliefert werden. Es können auch kundenspezifische Lösungen für eine integrierte Produktion umgesetzt werden.

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