Vaskuläre Metamaterialien Ein neuer Ansatz für das thermische Management in der Leistungselektronik

Steigende Verlustleistungen sind ein Problem, denn klassische Kühlkörper aus massivem Aluminium stoßen an geometrische und physikalische Grenzen. Ein Lösungsansatz sind vaskuläre Metamaterialien, die das Kühlfluid durch das Innere einer porösen Struktur leiten, statt externe Rippen zu umströmen. Ein Blick auf Wirkprinzipien, Fertigungsverfahren und Anwendungsmöglichkeiten.

Der thermische Gesamtwiderstand eines Kühlsystems setzt sich aus Wärmeleitung im Festkörper, konvektivem Wärmeübergang ins Fluid und, auch im transienten Betrieb, der Wärmespeicherfähigkeit des Systems zusammen. Strahlungsanteile sind in typischen elektronischen Systemen vernachlässigbar. Die Wärme wandert dabei seriell: von der Wärmequelle durch den massiven Grundkörper, über Rippen oder Pins, zum Kühlmedium, das die Geometrieelemente von außen umströmt. Dies wird als Outsider-Prinzip bezeichnet (Bild 1). Die Kühlkörpergeometrie und die Massenverteilung werden dabei durch die Fertigungsverfahren bestimmt und nicht durch das thermodynamische Optimum. Das resultierende Kühlsystem ist somit stets ein Kompromiss zwischen thermischer Leistungsfähigkeit, Fertigungsaufwand, F&E-Budget und Machbarkeit.

3D-gedruckte Kühlkörper als Lattice- oder TPMS-Struktur erreichen zwar höhere Oberflächendichten, folgen jedoch demselben Grundprinzip: serieller Wärmetransport und Umströmung von außen. Der Leistungsgewinn gegenüber optimierten Fin-Strukturen ist begrenzt, während die Fertigungskosten deutlich höher sind.

Das Outsider-Prinzip ist eine technologische Sackgasse

Die Leistungsfähigkeit thermischer Systeme wird hauptsächlich durch den konvektiven Wärmeübergang und nicht durch die Wärmeleitung im Festkörper bestimmt. Die Konvektion lässt sich über zwei Stellschrauben steuern: die Oberflächengröße und den Wärmeübergangskoeffizienten. Beide erfordern geometrische Komplexität. Mehr und dünnere Rippen sorgen für eine größere Oberfläche im gegebenen Bauraum, während komplexere Geometrien für eine höhere Turbulenz und einen besseren Wärmeübergang sorgen. Das Ergebnis ist meist dasselbe: Einfach strukturiertes, massives Metall wird in aufwendig konstruierte und simulierte Formen gebracht. Dies ist ein Prozess, der durch die Möglichkeiten der Fertigungsverfahren begrenzt ist und nur selten das thermodynamische Optimum erreicht.

Da das Fluid den massiven Körper von außen umströmt, beschränkt sich die thermische Interaktion auf die Grenzschicht. Hohe Wärmeströme erfordern hohe Massenströme und Strömungsgeschwindigkeiten. Hinzu kommen die entsprechenden Auswirkungen auf den Druckverlust, die Lüftergröße und die Geräuschemission. Gleichzeitig erzwingen dünnere Rippenstrukturen einen sinkenden Rippenwirkungsgrad. Dadurch verschiebt sich der Engpass von der Konvektion zur Konduktion. In der Folge wird häufig in teurere Materialien und Oberflächenbearbeitungen investiert, ohne den eigentlichen limitierenden Faktor zu adressieren. Bei sinkenden Temperaturgefällen und steigender Verlustleistung stößt dieser Ansatz an physikalische und wirtschaftliche Grenzen.

Das Insider-Prinzip ist die Wärmeübertragung von innen

Einen Ausweg bieten vaskuläre Metamaterialien (siehe Bild 2), die aus Standardwerkstoffen wie Aluminium oder Kupfer bestehen und deren Inneres ein dreidimensional vernetztes System aus Kavitäten und Verbindungskanälen bildet. Diese Hohlraum-Mikrostruktur wird als Triply Periodic Vascular Metamaterials (TPVM) bezeichnet. Sie ist für unterschiedliche Kühlmedien durchlässig und ihre Eigenschaften sind anwendungsspezifisch einstellbar. TPVM bilden den Gegenpol zu Fins-, Pins-, Lattice- und TPMS-Strukturen: Nicht ein einfaches Material wird in komplexe Kühlkörpergeometrien gebracht, sondern eine komplexe Materialstruktur nimmt die einfachste Form an, die der Bauraum erlaubt. Mögliche Formen sind Platte, Zylinder oder Freiform.

Bei einem Materialanteil von 45 bis 55 Prozent ist das Material nicht in Rippen konzentriert, sondern dreidimensional isotrop verteilt. Der wärmeleitende Querschnitt entspricht dem eines massiven Hochleistungskühlkörpers aus Aluminiumprofil; die spezifische Oberfläche soll laut Herstellerangabe die dichtesten Wellrippen-Kühlkörper der Automobilindustrie deutlich übertreffen [prüfenswert]. Das Fluid durchströmt die Struktur vollständig von innen – Wärmeleitung, Konvektion und Strömung wirken räumlich gekoppelt und simultan direkt an der Wärmequelle. Das ist das Insider-Prinzip (Bild 1).

Das Strömungsprinzip unterscheidet sich grundlegend von dem konventioneller Strukturen: Eine Hauptströmung fließt barrierefrei durch die vaskuläre Mikrostruktur in alle Raumrichtungen. Beim Ein- und Austritt in jede Kavität ändern sich Querschnitt, Geschwindigkeit und Druck abrupt. Zwischen Kavitätenwand und Hauptströmung entstehen dadurch lokale Mikroturbulenzen. Diese brechen thermische Grenzschichten auf, holen Wärme aus jedem Mikrobereich des Materials ab und transportieren sie in die Hauptströmung. Diese sekundären Wirbelströmungen aktivieren das gesamte innere Volumen thermisch. Das Ergebnis ist eine hohe Wärmeübertragungsrate bei vergleichsweise niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Der Netto-Druckverlust bleibt beherrschbar und die Anforderungen an Lüfter und Pumpen sinken. Da zudem jeder Kubikmillimeter Material aktiv zur Wärmeübertragung beiträgt und thermischer Ballast entfällt, lassen sich Bauteile deutlich kompakter und leichter auslegen als mit konventionellen Lösungen. Poröses Aluminium erreicht dabei eine Dichte im Bereich technischer Kunststoffe, verfügt jedoch über die thermischen und mechanischen Eigenschaften von Metall.

Da die TPVM-Struktur thermisch, strömungsmechanisch und mechanisch isotrop ist, lassen sich Anströmrichtung und Lüfterpositionierung weitgehend frei wählen. Die Porenmatrix wirkt zugleich als Schall- und Vibrationsabsorber. Schmutzpartikel scheiden sich durch Massenträgheit an den inneren Wandstrukturen ab; große Kavitäten dienen als Schmutzbehälter und lassen sich durch Rückblasen reinigen. Industriefilter und Druckluftschalldämpfer nutzen diese Eigenschaften seit Jahrzehnten im industriellen Einsatz.

Zwei Fertigungsverfahren und variable Fügetechnik

Die vaskuläre TPVM-Architektur bildet die technologische Grundlage der Porecool-Kühlsysteme von Automoteam und ist über zwei komplementäre Fertigungsverfahren realisierbar. Eine der beiden Fertigungstechnologien für TPVM-Strukturen ist der Aluminium-Kokillenguss: Vaskuläre Systeme werden im Kokillengießverfahren aus recyceltem Aluminium ohne kundenspezifische Werkzeuge hergestellt. Das ist laut Hersteller wirtschaftlich in Serien- und Großserienfertigung. Zahlreiche Materialstrukturen erlauben die Abstimmung auf unterschiedliche Anwendungen. Das offenzellige Gussgefüge mit einer laut Hersteller neuartigen Porenmorphologie kombiniert thermische, mechanische, strömungsmechanische und akustische Eigenschaften in einer Form, die nach Angaben von Automoteam bei keinem anderen Werkstoff in dieser Kombination bekannt ist.

Gegenüber Aluminiumschaum und Sinterwerkstoffen soll das Kokillengussgefüge laut Hersteller folgende Vorteile bieten: bis zu achtfach höherer Materialanteil und Wärmeleitfähigkeit, bis zu zwanzigfach höhere Druckfestigkeit, höhere mechanische Stabilität ohne Versprödung sowie bessere Beständigkeit gegenüber zyklischen Belastungen und Temperaturwechseln. Zudem soll es Sinterwerkstoffe in Schalldämpfung und Gewicht übertreffen, bei höherer thermischer Einsatzgrenze und besserer Integrationsfähigkeit in übergeordnete Systeme.

Die additive Fertigung von TPVM-Strukturen

Die zweite Fertigungstechnologie für TPVM-Strukturen ist die additive Fertigung: Sie überträgt die vaskuläre Mikroarchitektur auf nahezu alle druckbaren Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminium, Edelstahl, Kupfer oder Hochleistungspolymere. Porosität, spezifische Oberfläche, Druckverlust, Tortuosität und weitere Eigenschaften sind in weiten Bereichen einstellbar. Im Vergleich zum Aluminiumguss eröffnet der 3D-Druck eine sehr große Zahl parametrischer Materialstrukturen, die KI-gestützt für die jeweilige Anwendung entwickelt werden.

Da das Insider-Prinzip eine höhere Materialeffizienz als das Outsider-Prinzip ermöglicht, sinkt laut Hersteller der Materialeinsatz gegenüber konventionellen 3D-gedruckten Kühlkörpern um bis zu 70 Prozent und das mit kürzeren Druckzeiten, höherer Maschinenauslastung und wirtschaftlich darstellbaren Stückkosten bis in sechsstellige Stückzahlen.

Fügetechnik und Multimaterialsysteme

Der hohe Materialanteil der vaskulären Matrix sorgt für große Kontaktflächen und mechanische Stabilität. Standardlegierungen erlauben dieselben Fügeprinzipien wie bei massiven Werkstoffen. Sie lassen sich pressen, schrauben, löten, kleben und schweißen und sind ohne Systembruch in bestehende Fertigungslinien integrierbar.

Mit beiden Fertigungsverfahren lassen sich Monomaterialhybride herstellen, bei denen poröse und massive Funktionsbereiche in einem Bauteil gradiert kombiniert werden. Dadurch wird eine gleichmäßigere thermische und mechanische Lastverteilung erreicht, ohne dass ein zusätzlicher Fügeprozess erforderlich ist. Zudem lassen sich beide Strukturen mit Polymeren infiltrieren, wodurch sich Dichtungsfunktion, Fluidtrennung, Gehäuseintegration und Kunststoffkühlung in einem Bauteil realisieren lassen.

Projektbeispiel: Leistungselektronik

Ein konventioneller Profilkühlkörper für ein Leistungsverstärkersystem wurde durch ein vaskuläres Casting-Kühlsystem ersetzt. Temperaturdiagramm und Vergleichstabelle (Bild 5) zeigen das Ergebnis bei identischem thermischen Widerstand: 64 Prozent geringeres Bauvolumen, 69 Prozent weniger Gewicht und eine um 177 Prozent höhere volumetrische Leistungsdichte gegenüber der konventionellen Lösung.

Während konventionelle Kühlkörper einfache Materialstrukturen in komplexe Geometrien überführen und diese anschließend in CAD konstruieren und per CFD validieren müssen, kehrt das Insider-Prinzip auch den Entwicklungsprozess um: Die komplexe Materialstruktur wird mathematisch beschrieben, die äußere Form bleibt einfach. Das reduziert CAD/CFD-Iterationen deutlich und ermöglicht einer KI-gestützten Simulation, binnen Stunden tausende Systemvarianten zu berechnen und eine projektspezifische Lösungsdatenbank zu generieren. Sie dienen als Grundlage für Entscheidungen anstelle iterativer, kostenintensiver Prototypenentwicklung.

Ein zweiphasiger Entwicklungsprozess soll dabei die Risiken reduzieren: Phase 1 liefert die Lösungsdatenbank, physische Kalibrierungsmuster und eine erste Preisindikation als Entscheidungsgrundlage für das F&E-Management. Phase 2 rekalibriert das Modell anhand realer Messdaten aus dem Zielsystem und fertigt finale Erstmuster. Auf Wunsch als einsatzfähiges MVP. Laut Hersteller resultiert daraus eine deutlich höhere Anzahl digital geprüfter Varianten, ein technisch reiferes Endprodukt sowie ein Zeit- und Kostenvorteil gegenüber konventioneller Entwicklung.

Abschließendes Fazit

Der Wechsel vom Outsider- zum Insider-Prinzip ersetzt thermischen Ballast durch eine gezielt strukturierte Werkstoffarchitektur. Mit TPVM steht laut Automoteam eine eigenständige, zum Patent angemeldete Materialstruktur zur Verfügung, die sich im Aluminiumguss oder im 3D-Druck realisieren lässt.

Für Entwickler an den Leistungsgrenzen bedeutet das konkret: deutlich weniger Bauraum und Gewicht, eine höhere Kühlleistungsdichte, neue Freiheitsgrade im Gerätelayout und in der Systemintegration sowie integrierte Akustikdämpfung und Multifunktionalität in einem Bauteil. Durch den geringeren Materialeinsatz, die Verwendung von recyceltem Aluminium und die effizienteren thermischen Systeme verbessert sich zudem die CO₂-Bilanz. Die Entwicklung wird nach Angaben des Herstellers planbarer, schneller und kostengünstiger.

TPVM ist dabei mehr als eine Kühlstruktur: Dieselbe Architektur ermöglicht Wärmespeicherung mit Phasenwechselmaterialien, Filtration, Medienverteilung und -homogenisierung, Verdampfung, Schalldämpfung sowie thermisch funktionalisierte Konstruktionselemente. Relevante Anwendungsfelder mit steigendem Kühlbedarf sind unter anderem E-Mobilität, Luft- und Raumfahrt sowie KI-Infrastruktur und Rechenzentren.

Vaskuläre Metamaterialien sind damit weniger eine Nischenlösung als vielmehr ein zusätzlicher Werkzeugkasten für das Thermomanagement in der Leistungselektronik, wobei sich das Potenzial in der Praxis an konkreten Serienprojekten noch bewähren muss. (heh)

Eugen Pfeifer von Automoteam wird am 30. September in Würzburg einen Vortrag zum Thema „Offenporiger Aluminiumguss für Leistungselektronik, KI-Infrastrukturen und Data Center“ halten. Weitere Details zum Vortrag und zur Anmeldung finden Sie hier: www.power-of-electronics.de

Kühlen in der Leistungselektronik

Offenporiger Aluminiumguss verspricht mehr Bauraum bei weniger Gewicht

* Eugen Pfeifer ist Geschäftsführer von Automoteam.

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