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Die Erfindung betrifft einen Kühlkörper für eine elektronische Komponente sowie ein Verfahren zum Erzeugen eines Kühlkörpers mit einer Montageseite für eine elektronische Komponente.
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Es ist hinlänglich bekannt, dass elektronische Komponenten mit vorzugsweise passiven Kühlelementen versehen werden, um die Verlustwärme, die während des Betriebs der elektronischen Komponente entsteht, abzuführen. Die fortschreitende Erhöhung der durch elektronische Komponenten umgesetztem Leistungen bei gleichzeitigerer Miniaturisierung der zum Einsatz kommenden Bauelemente führt dazu, dass pro zur Verfügung stehender Flächeneinheit der elektronischen Komponente immer größere Wärmemengen transportiert werden müssen. Dabei sind es die immer kleiner werdenden Kontaktflächen zwischen den elektronischen Komponenten als Wärmequelle und den zum Einsatz kommenden Kühlkörpern oder Medien, die eine effektive Entwärmung der elektronischen Komponenten erschweren. Andererseits ist eine zuverlässige Entwärmung Voraussetzung für eine einwandfreie Funktion der mit den elektronischen Komponenten realisierten Schaltungen.
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Bei konventionellen Kühlkörpertechnologien kommen Kühlkörper beispielsweise aus Aluminium zum Einsatz, die eine Montageseite zur Verfügung stellen, mit der sie auf eine Grenzfläche der elektronischen Komponente aufgesetzt werden können. Die zum Einsatz kommenden Kühlkörper haben häufig Rippen zur Vergrößerung der Oberfläche zur Wärmeabgabe und lassen sich beispielsweise in Aluminium kostengünstig als Strangpressprofil herstellen. Die mögliche Wärmeabgabe solcher passiven Kühler ist jedoch an physikalische Grenzen gebunden, so dass konventionelle Kühlelemente bei der Entwärmung an ihre Leistungsgrenzen stoßen. Statt Aluminium kann auch ein besser wärmeleitfähiges Metall wie Kupfer ausgewählt werden. Allerdings sind derartige Kühlkörper aufgrund von höheren Material- und Fertigungskosten unwirtschaftlich.
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Eine andere Möglichkeit besteht in einer aktiven Kühlung durch eine erzwungene Konvektion eines Kühlmittels, beispielsweise von Luft, die mittels eines Lüfters bewegt wird oder einer Flüssigkeit, die beispielsweise in sogenannten Heat-Pipes zum Einsatz kommen kann. Auch derartige Entwärmungslösungen sind teurer als eine passive Kühlung und zudem auch weniger zuverlässig, so dass ein Bestreben besteht, auf eine aktive Kühlungslösung zu verzichten.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Erzeugen eines Kühlkörpers bzw. einen Kühlkörper anzugeben, mit dem eine vergleichsweise hohe Entwärmungsleistung vergleichsweise einfach und zuverlässig umgesetzt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den eingangs angegebenen Kühlkörper erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in diesem Kühlkörper mindestens ein Kühlkamin verläuft, welcher sich von der Montageseite weg erstreckt und zu einer Auslassöffnung in einer Oberfläche des Kühlkörpers führt. Da der Kühlkörper mit seiner Montageseite nach unten auf der Oberseite der zu kühlenden elektronischen Komponente montiert wird, bedeutet eine Erstreckung des Kühlkamins von dieser Montageseite weg, dass der Kühlkamin zur Oberfläche des Kühlkörpers nach oben verläuft. Diese Eigenschaft des Kühlkamins bildet eine Voraussetzung für dessen technische Funktion, dass nämlich ein Kamineffekt genutzt wird, damit die in dem Kühlkamin befindliche warme Luft nach oben steigt und am Grund des Kühlkamins einen Unterdruck erzeugt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in dem Kühlkörper außerdem eine Vielzahl von Kühlkanälen mit im Vergleich zum Kühlkamin geringeren Querschnitt verläuft, die von Einlassöffnungen in der Oberfläche des Kühlkörpers zum Kühlkamin führen. Der Unterdruck in dem unteren Bereich des Kühlkamins bewirkt, dass Luft durch die Kühlkanäle gesogen wird, die über die Einlassöffnungen in die Kühlkanäle strömt. Diese Luft kühlt die die Kühlkanäle umgebende Struktur des Kühlkörpers ab, so dass vorteilhaft der Kühleffekt im Kühlkörper nicht allein durch Wärmeleitung, sondern auch durch Konvektion der im Kühlkörper befindlichen Luft unterstützt wird. Hierdurch wird vorteilhaft die Kühlleistung bzw. Entwärmungsleistung des passiven Kühlkörpers vergrößert. Durch die passive Funktionsweise des Kühlkörpers ist dieser vorteilhaft auch zuverlässig im Betrieb.
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Der geringere Querschnitt der Kühlkanäle bewirkt vorteilhaft, dass die Oberfläche, die durch die Kühlkanäle zur Wärmeübertragung aus dem Material des Kühlkörpers zur Verfügung gestellt wird, vergrößert wird. Die Luft kann sich daher vorteilhaft vergleichsweise stark erwärmen, wodurch der im Kühlkamin zustande kommende Kamineffekt vergrößert wird. Hierdurch ist wiederum ein schnellerer Luftaustausch möglich, was die Kühlleistung optimiert.
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Der Kühlkörper kann zur Kühlung beliebiger elektronischer Komponenten zum Einsatz kommen. Als elektronische Komponente im Sinne dieser Anmeldung können elektronische Bauelemente, aber auch ganze elektronische Baugruppen verstanden werden, insbesondere Komponenten der Leistungselektronik, deren Funktion mit einer starken Wärmeentwicklung verbunden ist. Die Montageseite des Kühlkörpers wird normalerweise eben ausgebildet sein. Jedoch ist es auch denkbar, dass die Geometrie der Montageseite an die Topologie einer elektronischen Komponente angepasst wird. Dies gilt insbesondere, wenn eine elektronische Baugruppe zu kühlen ist, welche nicht auf einem ebenen Schaltungsträger, sondern auf einem Schaltungsträger mit komplexerer Geometrie, wie beispielsweise einem Gehäuse, montiert ist.
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In dem Kühlkörper kann ein Kühlkamin, alternativ auch eine Vielzahl von Kühlkaminen, zum Einsatz kommen. Wenn mehrere Kühlkamine vorgesehen sind, können diese gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung parallel zueinander in dem Kühlkörper verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass das Material zwischen den Kühlkaminen, in dem die Kühlkanäle verlaufen, eine konstante Wandstärke zwischen den Kühlkaminen bildet und die Kühlkanäle gleichmäßig in diesem Material verteilt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der mindestens eine Kühlkamin senkrecht zur Ausrichtung der Montageseite verläuft. Durch diese Ausrichtung kann der Kamineffekt maximiert werden, da die erwärmte Luft ungehindert senkrecht nach oben aufsteigen kann.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kühlkanäle durch ein offenporiges Material gebildet werden. Die Offenporigkeit des Materials gewährleistet, dass die Kühlluft durch die Poren von der Oberfläche des Kühlkörpers in die Kühlkamine gelangen kann. Dabei steht vorteilhaft eine vergleichsweise große Oberfläche in den offenen Poren zur Verfügung, über die ein Wärmeübergang von dem Material des Kühlkörpers in die Kühlluft erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das offenporige Material mehrlagig aufgebaut ist. In diesem Fall ist vorgesehen, dass eine der Montageseite nähere Lage eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als eine von der Montageseite weiter entfernte Lage. Insbesondere kann das offenporige Material zweilagig ausgebildet sein, so dass die untere Lage die der Montageseite nähere Lage bildet und direkt an die obere Lage als die von der Montageseite weiter entfernte Lage angrenzt. Der Vorteil dieser Ausbildung liegt darin, dass die höhere Lage mit der höheren Wärmeleitfähigkeit gut dazu geeignet ist, die durch die elektronische Komponente in den Kühlkörper eingespeiste Wärme schnell zu den Kühlkanälen zu leiten. Hierdurch wird die Kühlluft in den Kühlkanälen vergleichsweise stark erwärmt. Die in den Kühlkaminen aufsteigende Luft soll sich hingegen möglichst wenig abkühlen, damit der Kamineffekt optimal genutzt werden kann. Daher ist in dem weiter von der Montageseite entfernten Bereich des Kühlkörpers eine geringere Wärmeleitfähigkeit des Materials von Vorteil. Dieses kann sich dann weniger erwärmen, wobei die Kühlkanäle im Bereich des Kühlkörpers zusätzlich für eine gewisse Abkühlung desselben sorgen.
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Vorteilhaft kann das offenporige Material aus einem Metallschaum gebildet sein. Dieses weist eine genügende thermische Stabilität sowie mechanische Stabilität auf und besitzt insbesondere als Material in der Nähe der Montagefläche eine genügende Wärmeleitfähigkeit, um die Wärme von der Montageseite hin zu den Kühlkanälen zu transportieren. Zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass die Montageseite durch eine massive Bodenplatte des Kühlers gebildet wird. Hierdurch steht eine Wärmesenke zur Verfügung, die aufgrund ihrer Wärmekapazität auch bei Lastspitzen eine genügende Kühlung der elektronischen Komponente gewährleistet. Die Bodenplatte kann beispielsweise aus Kupfer gebildet sein, wobei die Wärme durch dieses Material vorteilhaft vergleichsweise schnell abgeleitet und an die Kühlkanäle weitergegeben werden kann (Effekt der Wärmespreizung). Der restliche Kühlkörper kann dabei aus einem anderen kostengünstigeren Material, wie beispielsweise Aluminium, gebildet werden. Alternativ ist es auch möglich, die Bodenplatte einstückig mit dem restlichen Kühlkörper herzustellen. Hierbei kann beispielsweise ein Verfahren zu additiven Fertigung zum Einsatz kommen (hierzu im Folgenden mehr).
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Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen werden, dass der mindestens eine Kühlkamin durch einen Rohransatz verlängert ist, der auf der Auslassöffnung befestigt ist. Hierdurch lässt sich bei gleichzeitig vergleichsweise geringem Materialaufwand ein Kühlkamin mit einer größeren Höhe herstellen, wobei der Rohransatz den Kaminschacht des Kühlkamins verlängert, indem diese auf der Auslassöffnung befestigt wird. Bei dem Rohransatz kann es sich vorteilhaft um ein standardisiertes Bauteil oder beispielsweise auch ein abgelängtes Rohrstück handeln. Dieses kann mit dem Kühlkörper verschweißt, verklebt, verlötet oder verpresst werden. Diese Fügeverfahren sind vorteilhaft mit einem einfachen Montageschritt durchzuführen.
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Außerdem wird die angegebene Aufgabe durch das eingangs angegebene Verfahren dadurch gelöst, dass der Kühlkörper mit einer hohlen Innenstruktur durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird. Dabei wird als Innenstruktur mindestens ein Kühlkamin erzeugt, welcher sich von der Montageseite weg erstreckt und zu einer Auslassöffnung in der Oberfläche des Kühlkörpers führt. Außerdem wird eine Vielzahl von Kühlkanälen mit im Vergleich zum Kühlkamin geringerem Querschnitt erzeugt, wobei diese von Einlassöffnungen in der Oberfläche des Kühlkörpers zum Kühlkamin führen. Die Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens hat den wesentlichen Vorteil, dass die Geometrie der Innenstruktur auf den entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden kann. Es lassen sich bei gleichbleibendem Fertigungsaufwand beliebig komplexe Kanalstrukturen erzeugen, die vorteilhaft auch miteinander vernetzt sein können oder unterschiedliche Querschnitte aufweisen können. Beispielsweise ist es möglich, die Kühlkanäle so zu gestalten, dass diese baumartig ausgebildet sind. Von der Oberfläche des Kühlkörpersausgehend vereinigen sich die einzelnen Kühlkanäle dann immer weiter zu einem Hauptkanal, der dann in den Kühlkamin mündet. Um Kühlluft ohne wesentliche Aufheizung in einen Bereich im Inneren des Kühlkörpers zu bringen, kann die baumartige Struktur der Kühlkanäle auch andersherum ausgebildet sein. Ein großer Kühlkanal führt von der Oberfläche des Kühlkörpers in den zu kühlenden Bereich des Kühlkörpers und verzweigt sich im Bereich des zu kühlenden Abschnitts des Kühlkörpers, um anschließend in den Kühlkamin zu münden.
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Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Kühlkörper auf einer Bodenplatte hergestellt wird, die nach dem Beenden des additiven Herstellungsverfahrens einen Teil des Kühlkörpers bildet. Wie bereits erwähnt, kann es vorteilhaft sein, wenn der Kühlkörper eine massive Bodenplatte aufweist, die für den Effekt einer Wärmespreizung verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass die von der zu kühlenden elektronischen Komponente ausgehende Wärme in der Bodenplatte durch den Effekt der Wärmeleitung schnell verteilt wird (Wärmespreizung), wobei vorteilhaft eine größere Oberfläche der Kühlkanäle für einen Wärmeübergang genutzt werden kann. Die Herstellung des Kühlkörpers direkt auf der Bodenplatte hat außerdem den Vorteil, dass die massive Bodenplatte nicht additiv hergestellt werden muss, wobei hierbei ein relativ hoher Fertigungsaufwand eingespart werden kann. Außerdem kann für die Bodenplatte ein für den Effekt der Wärmespreizung geeignetes Material, wie z. B. Kupfer verwendet werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das Bauteil nach der Herstellung nicht von der Bauplattform abgetrennt werden muss, da die Bodenplatte selbst als Basis für den herzustellenden Kühlkörper dient und daher mit dieser verbunden bleiben kann.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen werden, dass die Kühlkanäle als offenporige Struktur hergestellt werden. Eine offenporige Struktur ist offenporig, d. h., dass die Kühlluft durch die miteinander verbundenen Poren strömen kann, die ein Kanalsystem bilden. Dabei stellen die Poren vorteilhaft eine vergleichsweise große Oberfläche für einen Wärmeübergang zur Verfügung. Für die Herstellung der offenporigen Struktur kann vorteilhaft ein selektives Lasersintern eingesetzt werden. Hierbei wird das pulverförmige Material mittels des Lasers nur soweit erwärmt, dass die Pulverpartikel miteinander versintern, wobei zwischen den Partikeln ein Kanalsystem ausgebildet wird, welches die offenporige Struktur darstellt. Vorteilhaft kann das selektive Lasersintern auch mit einem selektiven Laserschmelzen kombiniert werden, welches mit einer größeren Laserleistung durchgeführt werden kann, so dass die Pulverpartikel aufschmelzen. Auf diese Weise lässt sich in einer Anlage zum kombinierten Lasersintern und Laserschmelzen ein Kühlkörper herstellen, in dem sowohl massive Bereiche, wie z. B. eine Bodenplatte, als auch offenporige Bereiche zur Ausbildung der Kühlkanäle enthalten sind.
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Eine andere Möglichkeit besteht vorteilhaft darin, dass die Kühlkanäle als dreidimensionales Gitter hergestellt werden. Das dreidimensionale Gitter hat vorteilhaft einen vergleichsweise geringen Strömungswiderstand für die das Gitter umströmende Kühlluft. Die Kühlkanäle werden dabei durch die miteinander verbundenen Zwischenräume zwischen den Gitterstrukturen gebildet. Das Gitter selbst ist dazu geeignet, in den Gitterstäben die Wärme in den Kühlkanal zu leiten, wobei diese über die Oberfläche der Gitterstäbe an die Kühlluft abgegeben wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn beim additiven Herstellen des Kühlkörpers Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit eingesetzt werden, wobei in der Montageseite näheren Bereichen des Kühlkörpers das Material mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit und in den Montageseite ferneren Bereichen des Kühlkörpers das Material mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Der Vorteil der so ausgebildeten Struktur ist bereits beschrieben worden, so dass an dieser Stelle darauf verwiesen werden kann.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kühlkörpers schematisch geschnitten,
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4 und 5 Aufsichten auf verschiedene Anordnungen von Auslassöffnungen von Kaminen und
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6 und 7 ausgewählte Fertigungsschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens geschnitten.
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In 1 ist eine elektronische Baugruppe 11 dargestellt, die zwei elektronische Komponenten 12 in Form von Bauelementen aufweist, die auf einem Schaltungsträger 13 montiert sind. Der Schaltungsträger 13 gemäß 1 ist eine Leiterplatte. Vorstellbar sind jedoch auch andere Formen von Schaltungsträgern, die beispielsweise durch ein MID-Gehäuse gebildet sein können (nicht dargestellt, MID bedeutet Moulded Interconnect Device).
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Auf den elektronischen Komponenten 12 ist ein Kühlkörper 14 mit seiner Montageseite 15 aufgesetzt und befestigt. Die Montageseite 15 wird durch eine Bodenplatte 16 gebildet, die einen Teil des Kühlkörpers 14 einnimmt. Außerdem ist auf der Bodenplatte 16 eine untere Lage 17 und auf dieser eine obere Lage 18 ausgebildet. Beide Lagen sind aus einem offenporigen Material wie z. B. einem Metallschaum hergestellt, wobei offene Poren 19 in 1 angedeutet sind.
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Die Poren 19 bilden Kühlkanäle 20 aus, von denen einer in 1 exemplarisch dargestellt ist. Dieser Kühlkanal 20 verläuft von einer Einlassöffnung 21 in der Oberfläche 22 des Kühlkörpers 14 hin zu einem Kühlkamin 23. In diesem sowie die weiteren Kühlkamine 23 münden neben dem dargestellten Kühlkanal 20 noch viele weitere Kühlkanäle, die durch das offenporige Material gebildet sind (in 1 nicht dargestellt). Die Kühlkamine 23 erstrecken sich von der Montageseite 15 weg. Da die Montageseite 15 waagerecht ausgerichtet ist und nach unten zu den elektronischen Komponenten 12 weist, sind die Kühlkamine 23 senkrecht nach oben ausgerichtet. Sie münden in Auslassöffnungen 24, in der die Oberseite des Kühlkörpers bildenden Oberfläche 22, so dass die aufgrund des Kamineffekts aufsteigende Kühlluft aus dem Kühlkörper entweichen kann. Die Strömung der Kühlluft ist durch Pfeile in 1 (sowie in 2 und 3) angedeutet.
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In 2 ist eine andere Variante des Kühlkörpers 14 dargestellt. Dieser wurde mittels additiver Fertigungsverfahren (Laserschmelzen und Lasersintern, siehe auch Erläuterung der 6 und 7) hergestellt. Daher ist der komplette Kühlkörper 25 einstückig ausgeführt. Er besteht aus verschiedenen Zonen, nämlich der Bodenplatte 16, einem darüber liegenden Bereich mit Poren 19 und einem Rohransatz 26, der den Kühlkamin 23 vergleichbar einem Schornstein verlängert. Vergleicht man diese Ausführung mit 1, so wird deutlich, dass in dem Bereich des Kühlkamins 23, der durch die obere Lage 18 gebildet ist, Material eingespart werden kann. Dieser Bereichwird durch die Rohransätze 26 ersetzt.
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Der Kühlkörper 25 ist in seiner Größe genau auf die elektronische Komponente 12 angepasst und auf diese aufgesetzt. Da die räumlichen Abmessungen einer einzelnen elektronischen Komponente vergleichsweise gering sind, kommt der Kühlkörper 14 mit einem Kühlkamin 23 aus. Die Anzahl der Kühlkamine, die in einem Kühlkörper 14 vorgesehen werden müssen, hängen im Wesentlichen von der Anforderung ab, dass die Kühlkanäle (gemäß 2 durch die Poren 19 gebildet) eine bestimmte Länge nicht überschreiten dürfen.
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In 3 ist eine Variante des Kühlkörpers 14 zu erkennen, in der mehrere Rohransätze 26 und damit auch mehrere Kühlkamine 23 zum Einsatz kommen. Der Kühlkörper 14 gemäß 3 ist durch Laserschmelzen hergestellt worden. Er weist als Bodenplatte 16 einen massiven Bereich auf, wobei auch auf der gegenüberliegenden Oberseite des Kühlkörpers 14 eine Deckplatte 27 ausgebildet ist. Bodenplatte 16 und Deckplatte 27 sind einstückig hergestellt, wobei diese Strukturen im Inneren des Kühlkörpers durch ein dreidimensionales Gitter 28 miteinander verbunden sind (in 3 durch eine Kreuzschraffur angedeutet). Dieses dreidimensionale Gitter stellt gleichzeitig eine Kanalstruktur zur Verfügung, da die Kühlluft zwischen den einzelnen Streben des Gitters hindurch strömen kann und die Gitterstäbe dabei abkühlt.
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Zu erkennen ist, dass die Kühlkamine bei Wahl eines additiven Herstellungsverfahrens mit verschiedenen Querschnitten ausgebildet sein können. So kann z. B., wie in 3 dargestellt, der mittlere Kühlkamin eine flaschenartige Erweiterung 29 aufweisen, um die Länge der umgebenden Kühlkanäle zu beeinflussen. Hierdurch ist vorteilhaft eine effiziente Kühlung der Oberseite der Bodenplatte 16 möglich. Die beiden Kühlkamine 23, die neben dem mittleren Kühlkanal 23 angeordnet sind, reichen nicht so tief in den Kühlkörper 14 hinein, so dass die Kühlluft von der Oberfläche 22 durch das Gitter 28 auch zum mittleren Kühlkamin 23 vordringen kann.
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Die Deckplatte 27 dient neben einer Stabilisierung des Gitters 28 auch zur Aufnahme der Rohransätze 26. Diese werden über eine Presspassung in den Kühlkörper 14 eingesetzt und reichen mit ihren stirnseitigen Enden direkt an das Gitter 28 heran.
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In den 4 und 5 sind verschiedene Möglichkeiten einer gleichmäßigen Anordnung der Querschnitte der Kühlkamine angedeutet, wobei die dargestellten Anordnungen bei einer Aufsicht auf den Kühlkörper von oben zu erkennen wären. Gemäß 4 weisen die Kühlkamine einen runden Querschnitt auf, wobei diese Querschnitte in einem quadratischen Raster 30 angeordnet sind (angedeutet durch strichpunktierte Linien). In 5 ist ein dreieckiges Raster 30 gewählt worden, um die Kühlkanäle anzuordnen. Diese weisen einen Querschnitt auf, der einem regelmäßigen Sechseck entspricht. Damit sind die Wandstärken a zwischen benachbarten Kühlkaminen immer gleichgroß, so dass die zwischen diesen liegenden Kühlkanäle vergleichsweise konstante Längen aufweisen.
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In den 6 und 7 sind zwei ausgewählte Schritte eines additiven Fertigungsverfahrens zur Herstellung des Kühlkörpers 14 dargestellt. Im Fertigungsschritt gemäß 6 wird ein Lasersintern durchgeführt, während im Fertigungsschritt gemäß 7 ein Laserschmelzen (dann entsteht ein mit 3 vergleichbares Bauteil) oder ein Lasersintern mit unterschiedlichen Pulvern (dann entsteht ein mit 1 vergleichbares Bauteil) durchgeführt wird. Diese beiden Prozessschritte können in derselben Anlage durchgeführt werden, von der exemplarisch nur eine Haltevorrichtung für ein Pulverbett 31 mit einer absenkbaren Bauplattform 32 und einer Seitenbegrenzung 33 zu erkennen ist. Das Pulverbett bildet jeweils eine Baulage auf dem herzustellenden Kühlkörper 14 aus, welche gemäß 6 mit einem Laserstrahl 34 soweit erwärmt wird, dass es zu einem Sintern der Pulverpartikel kommt. Hierdurch entsteht die Lage 17 gemäß 1 sukzessive aus einer Vielzahl von Baulagen, von denen in 6 nur die erste bereits fertiggestellte und die zweite in Entstehung befindliche zu erkennen sind.
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Für die Herstellung des Kühlkörpers 14 wird die Bauplattform 32 sukzessive um eine Baulagendicke abgesenkt, wobei gemäß 6 die Bauplattform 32 nicht direkt zur Herstellung des Kühlkörpers verwendet wird, sondern lediglich als Unterlage für die Bodenplatte 16 verwendet wird, auf der das Pulvermaterial angeschmolzen wird. Nach Fertigstellung des Bauteils kann dieses daher ohne den sonst notwendigen Trennungsschritt von der Bauplatte 32 entfernt werden.
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In 7 ist zu erkennen, dass die untere Lage 17 (bestehend aus mehreren nicht dargestellten gesinterten Baulagen) fertiggestellt ist. Nun ist, wie in 7 dargestellt, die erste Baulage für die obere Lage 18 (vgl. z. B. 1) des Kühlkörpers in Entstehung. Diese wird, wenn ein Bauteil gemäß 1 gefertigt werden soll, ebenfalls durch Lasersintern hergestellt, wobei sich eine Porösität einstellt und aufgrund der Wahl des Materials eine geringere Wärmeleitfähigkeit für die obere Lage 18 gegeben ist als für die untere Lage 17. Eine nicht dargestellte Modifikation des Verfahrens gemäß 7 sieht vor, dass die untere Lage 17 durch Laserschmelzen als Gitter 28 gemäß 3 hergestellt wird. Die aktuell herzustellende Lage würde dann ebenfalls durch Laserschmelzen hergestellt, um die Deckplatte 27 zu fertigen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die untere Lage 17 porös herzustellen, wie zu 6 beschrieben. Der in 7 dargestellte Fertigungsschritt kann dann durch einen Wechsel des Verfahrens von Lasersintern zu Laserschmelzen dafür genutzt werden, auf der offenporigen unteren Lage 17 eine Deckplatte 27 (vgl. 3) herzustellen (nicht dargestellt).
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Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Baumaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig sein, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils chemisch oder physikalisch verfestigt wird.
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Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden in Anweisungen für die Fertigungsanlage umgewandelt, damit in dieser die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können.
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Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering), das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser Melting), das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electrone Beam Melting), das Laserschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition), das Kaltgasspritzen (auch GDCS für Gas Dynamic Cold Spray) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.
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Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.
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Beim LMD und GDCS werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. Beim GDCS werden die Pulverpartikel stark beschleunigt, so dass sie vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie bei gleichzeitiger Verformung auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben.
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GDCS und SLS haben das Merkmal gemeinsam, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Beim GDCS erfolgt ein Aufschmelzen höchstens im Randbereich der Pulverpartikel, die aufgrund der starken Verformung an ihrer Oberfläche anschmelzen können. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf geachtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden.
