열전도율의 경우 기존 방열판 재료(Si <1% 및 Mg 1.5%를 함유한 '6061' 알루미늄)를 다음을 포함하는 DMLS(직접 금속 레이저 신터링)용으로 개발된 합금을 사용하여 미국 회사인 Linear Mold AMS에서 인쇄한 재료와 비교했습니다. ORNL에 따르면 Si 10% 및 Mg 0.5%입니다.

실온에서 6061 합금의 열 전도성은 인쇄된 방열판의 110W/mK와 비교하여 180W/mK였습니다. 여기서 수치가 낮을수록 전도성이 낮고 따라서 방열판도 열악하다는 의미입니다.

더 높은 온도에서는 둘 다 대략 선형 방식으로 변화하여 220°C에서 170WmK로 수렴되었습니다.

두 재료를 모두 300°C에서 열처리한 다음 실온으로 되돌리면 두 재료의 열전도도가 향상되는 구조적 변화가 발생했습니다.

6061 방열판은 몇 W/mK 더 좋아졌지만, 인쇄된 방열판은 훨씬 개선되어 영구적으로 200W/mK 바로 아래까지 올라갔습니다.

향후 시뮬레이션을 위해 연구팀은 인쇄된 합금과 6061 모두에 대한 정확한 이론적 모델을 만들었습니다.

여담이지만, DMLS 3D 프린팅에 사용되는 가장 일반적인 알루미늄 합금은 'AlSi10Mg'인데, 이는 ORNL이 설명하는 합금과 매우 유사하지만 마그네슘이 0.25~0.45% 함유되어 있습니다.

인쇄된 경우 인쇄된 레이어에서는 103+/-5W/mK, 인쇄된 레이어에서는 119+/-5W/mK를 달성합니다. AlSi10Mg의 표준 인쇄 후 조절은 2시간 동안 300°C로 가열한 후 열전도율이 모든 방향에서 173+/-10W/mK로 증가합니다.

6063이라고 불리는 압출 방열판용 두 번째 표준 합금은 구리가 없는 형태로 190-210W/mK를 제공합니다. 구리는 알루미늄의 열 저항을 증가시킵니다.

그리고 추가로 다이아몬드는 방열판에서 2,000W/mK를 기록합니다.

유전 알고리즘 최적화

기존 방열판과 동일한 모양의 방열판을 만들 수 있는 3D 프린팅을 사용하면 3D 프린팅으로 가능한 임의의 모양을 사용하여 어떤 이점을 얻을 수 있으며 이러한 임의의 모양을 어떻게 설계할 수 있습니까?

이는 COMSOL 소프트웨어의 유전 설계 알고리즘과 유한 요소 모델링을 사용하여 대답하기 위해 시작한 두 번째 ORNL/테네시 대학교 프로젝트의 질문입니다.

전기 자동차용 50kW 수냉식 실리콘 카바이드 H-브리지 인버터를 예로 들었습니다.

비교를 위해 참조 모델 방열판은 뒷면에 깊은 홈이 절단된 두꺼운 알루미늄 판으로 구성된 Lytron CP15 시리즈의 실제 방열판을 기반으로 만들어졌습니다. 알루미늄과 열 접촉이 잘 되는 구리 파이프는 이 홈을 통과하는 구불구불한 모양과 파이프 안의 물이 열을 운반합니다.

두 가지 상황이 모델링되었습니다. 하나는 2kW를 소비하는 64 x 64mm 스위칭 모듈이고, 두 번째는 사각형에 장착된 4개의 개별 전력 트랜지스터가 각각 250W를 소비하는 것입니다.

1kW 및 2kW 부하 조건 모두에서 참조 방열판에 대한 3D 인쇄 가능 동일한 크기(~86 x 64 x 8mm) 경쟁을 설계하기 위해 유전자 알고리즘이 사용되었습니다. 모든 경우에 20°C의 유입수는 0.036리터/초의 속도로 방열판으로 흘러 들어가는 것으로 가정했습니다.

설계 알고리즘을 단순하게 유지하기 위해 임의의 수로 모양은 허용되지 않았습니다.

대신, 채널은 단면이 직사각형으로 제한되었습니다(높이 ~6mm, 슬래브 두께의 상단 및 하단 1mm, 너비 ~1mm).

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