3Dプリントは純銅の熱管理技術を向上させる強力なツールとなる

出典: サブリメーション 3D

半導体技術と通信技術の急速な発展とInternet of Everythingのトレンドにより、コンピューティング能力とあらゆる面での高速データ接続が急速に向上しました。大規模に集積された高出力の電子部品は動作中に大量の熱を発生しますが、熱が時間内に放散されない場合、電子部品に熱損傷を引き起こし、深刻な損害と莫大な経済的損失をもたらします。熱の蓄積によって引き起こされる電子部品の熱損傷をいかに軽減、あるいは回避するか、効率的な放熱技術が鍵となります。

▲一般的な銅製熱交換器（インターネットより）
銅は、優れた熱伝導性と加工のしやすさから、家電、自動車などの産業で熱交換器によく使われています。発電システム、輸送、石油・ガス処理、海水淡水化などの熱管理分野で幅広い応用が期待されています。熱交換器は、従来、個々のフィン、チューブ、またはプレートを製造し、それらを接着または溶接することによって製造されています。これは手動の技術であり、ろう付け接合部のいずれかに不具合が発生すると、熱交換器が故障する可能性があります。そして現在、世界中で何百万台もの熱交換器が使用されており、地球規模の持続可能性とエネルギー消費の削減に関しては、その性能と効率がこれまで以上に重要になっています。熱交換技術がますます複雑化するにつれ、従来のプロセスは少々無能に思えてきます。特に重要なのは、新しい技術を使用して、熱交換器を小型軽量化しながら、表面積を大きくして効果的な熱の流れを促進することです。

▲伝統技術で作られたラジエーター（出典：インターネット）
純銅 3D プリント熱交換器の利点と限界

3D プリンティングは、流動性と伝導性を最適化できる新しい熱交換器設計への新たな道を開き、コンパクトで効率的、モジュール式、マルチマテリアル製品へのトレンドに対応します。特に、特殊形状、構造統合、薄壁、薄いフィン、マイクロチャネル、非常に複雑な形状、格子構造などの加工において、3D プリントは従来の製造技術にはない利点を持っています。

銅 3D プリントは、銅熱交換部品の製造に特に適しています。しかし、銅の熱伝導率と反射率は非常に高いため、銅金属、特に純銅は、従来の3Dプリントでは効果的に成形することが困難です。銅の室温での近赤外線の吸収率はわずか5％であり、これは処理ウィンドウが非常に狭く、完璧なパラメータを見つけることが難しいことも意味します。処理効率も非常に遅く、部品の機械的特性と導電性は大きく制限されます。たとえば、最も一般的な金属付加プロセスである選択的レーザー溶融法 (SLM) と電子ビーム溶融法 (EBM) では、純銅材料を印刷できます。しかし、SLMプロセスにおける銅のレーザー溶融中、吸収率が低く、レーザーが銅金属粉末を連続的に溶融することが困難であり、その結果、成形効率が低下し、冶金品質の制御が困難になります。また、銅は延性が高いため、余分な粉末を除去するなどの後処理が難しくなります。 EBM は電子ビームを熱源として使用し、SLM レーザーの高反射率の影響を受けないため、若干の利点があります。ただし、銅の高伝導率のため、EBM 印刷プロセスは非常に短くなります。銅の高熱伝導率のため、印刷モデルの寸法精度と機械的特性の制御性は悪くなり、印刷された銅部品の表面品質は悪くなります。

▲パラメータ最適化（左）とトポロジー最適化（右）によって生成されたヒートシンク設計（画像提供：Fritz Lange）
PEPは純銅熱交換器製造のためのより優れたソリューションを提供します

銅は緑色レーザーの吸収率が高く、40%近くあります。これは近赤外線レーザーの8倍であり、純銅のレーザー印刷の問題を効果的に克服します。さらに、バインダージェッティング（BJ）方式の銅3Dプリントプロセスも商品化されています。しかし、粉末床方式を採用しているため、複雑な内部チャネルや中空構造から粉末を除去することも大きな課題です。 Sublimation 3D が発表した粉末押出印刷 (PEP) 技術は、純銅印刷プロセスにおける高熱伝導性と高反射の問題を巧みに回避します。 PEP プロセスは粒子溶融押出成形法を採用しており、最初にグリーンボディを印刷し、その後成熟した粉末冶金の脱脂および焼結プロセスを経ることで、優れた構造を持つ高性能の純銅部品が得られます。次世代の熱管理コンポーネントの製造に、より優れたソリューションをもたらすことが期待されています。

▲昇華三次元法で作製した純銅ヒートシンクとインダクタ部品
PEP技術は、Sublimation 3Dが開発した「3Dプリント＋粉末冶金」を組み合わせた金属/セラミック間接3Dプリントプロセスであり、低温成形と高温成形の特徴を備えています。 PEP では、純銅を印刷する際に高エネルギーのレーザービームは必要ありません。 Sublimation 3Dは、純銅3Dプリント用の純銅粒子材料UPGM-CUを開発しました。原材料の高純度を維持しながら、高密度化が容易であるという特徴も備えており、さまざまな純銅部品の印刷ニーズを満たすことができます。銅粒子材料を使用した印刷は、材料コストを効果的に抑制でき、より環境に優しいです。独自に開発した3Dプリント設備により、純銅とその合金材料を加工して高密度部品を製造し、国内の純銅3Dプリントのギャップを埋めることができます。熱交換器、ラジエーター、インダクターなどの製品開発に広く使用されています。

▲昇華型3D純銅印刷製品の性能データ
3Dプリントは熱管理技術の向上を促進する強力なツールとなるだろう
熱管理における 3D プリントアプリケーション開発の最もホットな分野は現在、電気自動車、ハイエンドコンピューティング、航空宇宙、防衛に関連しています。業界の焦点は、高価値の熱交換器、航空宇宙熱管理コンポーネント、マイクロコールドプレート、トポロジ最適化チャネル液体冷却熱交換器などのハイエンドチップ冷却コンポーネントにあります。 3D プリントは、熱管理のための新しいかけがえのないソリューションを提供し、高熱流束コンピューティングの冷却問題を解決するための強力なツールです。しかし、現在の成熟したアプリケーション市場は、依然として主に従来の製造方法に基づいています。しかし、製造プロセスの要件が高いため、熱管理の分野での 3D プリントの応用は、将来の開発トレンドになるでしょう。

Sublimation 3Dは現在、材料開発、印刷材料、内部混合造粒機、3Dプリンター、脱脂および焼結炉などのプロセスチェーン設備全体を網羅する完全な金属/セラミック間接3D印刷前および後処理プロセスを構築しており、高性能な間接3D印刷総合ソリューションを提供できます。同時に、私たちは、積層造形と放熱業界の友人同士の幅広い交流を歓迎し、技術の統合を促進し、放熱分野における積層造形の応用に関する貴重な提案を提供します。

3Dプリントは純銅の熱管理技術を向上させる強力なツールとなる

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