En savoir plus : L’impression 3D pourrait créer de meilleurs dissipateurs thermiques

May 07, 2024

Des chercheurs américains ont montré que les dissipateurs thermiques imprimés en 3D pourraient être plus légers, plus petits ou plus performants que les dissipateurs thermiques conventionnels.

Image en fausses couleurs d'un dissipateur thermique génétiquement conçu pour refroidir un module dissipant 2 kW

La conclusion vient de deux projets liés au Oak Ridge National Laboratory et à l’Université du Tennessee à Knoxville :

Il s’avère que l’aluminium imprimé peut au moins égaler et parfois améliorer la conductivité thermique de l’aluminium standard pour dissipateur thermique.

La seconde a développé des algorithmes génétiques qui exploitent la liberté de forme offerte par l’impression 3D pour concevoir des dissipateurs thermiques qui s’intègrent dans le même espace que leurs cousins ​​conventionnels mais fonctionnent mieux.

Dans le cas de la conductivité thermique, un matériau de dissipateur thermique conventionnel (aluminium « 6061 » avec <1 % de Si et 1,5 % de Mg) a été comparé à un matériau imprimé par la société américaine Linear Mold AMS en utilisant un alliage développé pour la frittage laser direct des métaux (DMLS) qui comprend 10% Si et 0,5% Mg, selon ORNL.

À température ambiante, l'alliage 6061 avait une conductivité thermique de 180 W/mK, contre 110 W/mK pour le dissipateur thermique imprimé – un chiffre inférieur ici signifie une moins bonne conductivité et donc un pire dissipateur thermique.

À des températures plus élevées, elles variaient toutes deux de manière à peu près linéaire, convergeant vers 170 WmK à 220°C.

Le traitement thermique des deux matériaux à 300°C, puis leur retour à température ambiante, a entraîné des changements structurels qui ont amélioré la conductivité thermique des deux matériaux.

Alors que le radiateur 6061 s'est amélioré de quelques W/mK, celui imprimé a été considérablement amélioré – s'élevant en permanence à un peu moins de 200 W/mK.

Pour les simulations futures, l'équipe de recherche a créé des modèles théoriques précis pour l'alliage imprimé et le 6061.

En passant, l'alliage d'aluminium le plus courant pour l'impression 3D DMLS est « AlSi10Mg », qui est très similaire à l'alliage décrit par ORNL, mais avec 0,25 à 0,45 % de magnésium.

Tel qu'imprimé, cela atteint 103+/-5W/mK le long des couches imprimées et 119+/-5W/mK à travers les couches imprimées. Le conditionnement post-impression standard pour AlSi10Mg consiste à chauffer à 300°C pendant deux heures, après quoi sa conductivité thermique s'élève à 173+/-10W/mK dans toutes les directions.

Un deuxième alliage standard pour les dissipateurs thermiques extrudés, appelé 6063, fournit 190-210 W/mK sous forme sans cuivre – le cuivre augmente la résistance thermique de l'aluminium.

Et en passant, le diamant obtient 2 000 W/mK dans les enjeux du dissipateur thermique.

Optimisation des algorithmes génétiques

L'impression 3D étant capable de fabriquer des dissipateurs thermiques aussi performants que les dissipateurs thermiques existants de même forme, quels sont les avantages disponibles en utilisant les formes arbitraires possibles avec l'impression 3D, et comment ces formes arbitraires pourraient-elles être conçues ?

Ce sont des questions auxquelles le deuxième projet ORNL/Université du Tennessee a tenté de répondre, en utilisant des algorithmes de conception génétique et une modélisation par éléments finis dans le logiciel COMSOL.

Il a pris comme exemple un onduleur à pont en H en carbure de silicium refroidi par eau de 50 kW pour véhicules électriques.

À titre de comparaison, un modèle de dissipateur thermique de référence a été créé sur la base d'un véritable dissipateur thermique de la série CP15 de Lytron, constitué d'une épaisse plaque d'aluminium à l'arrière de laquelle de profondes rainures sont découpées. Un tuyau en cuivre, en bon contact thermique avec l'aluminium, serpente à travers ces rainures et l'eau présente dans le tuyau évacue la chaleur.

Deux situations ont été modélisées : une avec un module de commutation de 64 x 64 mm dissipant 2 kW, et une seconde avec quatre transistors de puissance individuels montés en carré, chacun dissipant 250 W.

Des algorithmes génétiques ont été utilisés pour concevoir une compétition imprimable en 3D de même taille (~ 86 x 64 x 8 mm) pour le dissipateur thermique de référence dans des conditions de charge de 1 kW et de 2 kW. Dans tous les cas, l'eau d'entrée à 20°C a été supposée s'écouler dans les dissipateurs thermiques à un débit de 0,036 litre/s.

Pour que les algorithmes de conception restent simples, les formes arbitraires des canaux d’eau n’étaient pas autorisées.

Au lieu de cela, les canaux étaient limités à une section transversale rectangulaire (environ 6 mm de haut, laissant 1 mm en haut et en bas dans l'épaisseur de la dalle et environ 1 mm de large).