Impression 3D de caloducs en cuivre
Dans cette section, nous vous donnons un aperçu de la technologie du caloduc pulsé, des défis à relever dans la fabrication traditionnelle et des perspectives d’optimisation. Commençons l’impression 3D d’un caloduc en cuivre pur.
Introduction au PHP et à la Impression 3D
Un caloduc est un dispositif passif de transfert de chaleur. Les caloducs transfèrent la chaleur en utilisant la transition de phase d’un fluide de travail tel que l’eau. La source de chaleur crée une zone chaude, à partir de laquelle la chaleur est dissipée lorsque le fluide s’évapore en entrant dans cette zone chaude. Le fluide se refroidit ensuite et se condense dans le condenseur. Il existe plusieurs types de caloducs, vous pouvez en apprendre davantage sur leurs applications sur le site de Calyos. Calyos a choisi Beamler comme partenaire pour imprimer en 3D un caloduc pulsé (PHP) en cuivre pur.
Le caloduc est constitué d’un canal fermé de petit diamètre avec plusieurs coudes. L’image ci-dessous est un schéma d’un PHP.
Les PHP sont qualifiés de pulsatoires en raison du mouvement du fluide à l’intérieur de son canal. Dans la section de l’évaporateur, l’évaporation du fluide provoque une augmentation de la pression entraînant le fluide gazeux dans le condenseur. Par conséquent, la dissipation de chaleur dans le condenseur réduit la pression et le fluide retourne à l’évaporateur, créant un mouvement oscillant dans le canal. Les coefficients de transfert de chaleur élevés de l’ébullition et de la condensation font du PHP des conducteurs thermiques très efficaces.
Le canal creux comportant de multiples coudes et une structure capillaire est parfaitement adapté aux procédés de fabrication additive tels que la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). Il existe plusieurs procédés développés pour l’impression 3D de pièces métalliques, chacun ayant des exigences et des capacités spécifiques. N’hésitez pas à explorer notre page de ressources pour trouver le procédé de fabrication additive le plus adapté à votre pièce.
Défis à surmonter avec le processus de production traditionnel
Les processus de production traditionnels des caloducs sont efficaces pour la production de masse. La fabrication comprend des étapes cruciales telles que le remplissage du tube avec une poudre de cuivre, suivi d’un frittage. Cette étape donne au tube la structure capillaire intérieure. Un fabricant de produits électroniques, a réalisé une vidéo expliquant le processus de fabrication de ses caloducs utilisés dans les refroidisseurs de microprocesseur.
Ces procédés traditionnels sont parfaitement adaptés à la production de masse, mais inadaptés aux petites séries ou au prototypage. En revanche, la fabrication additive résout ce problème en réduisant les coûts et les délais de production. Elle élargit également l’espace de conception et permet la production de pièces présentant des formes complexes et des canaux internes tels que le PHP. En outre, les simulations numériques du PHP étant difficiles, une approche de conception itérative peut être très efficace et parfaitement adaptée grâce à la fabrication additive.
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Optimisation des caloducs
Des phénomènes physiques complexes se produisent dans le PHP. Pour concevoir le dispositif le plus efficace possible, des simulations numériques sont utilisées. Ces simulations donnent des résultats importants tels que le diamètre intérieur du canal. Un premier modèle CAO (conception assistée par ordinateur) génératif est construit et corrigé par l’équipe d’ingénieurs.
Plusieurs études ont porté sur l’optimisation de la structure interne du PHP pour améliorer la conductivité thermique. En ajoutant des canaux d’interconnexion, on peut augmenter la conductivité thermique du PHP. Cependant, avec les techniques de fabrication traditionnelles, l’espace de conception est limité par les capacités des machines. La fabrication additive est alors un excellent moyen de produire ces conceptions creuses complexes.
Présentation détaillée de l'impression 3D d'un caloduc en cuivre pur
Présentation du caloduc pulsé
La plupart des PHP utilisés pour refroidir les appareils électroniques sont conçus avec le condenseur et l’évaporateur aux deux extrémités de l’appareil. Calyos a conçu un PHP avec la source de chaleur située au centre du PHP, distribuant ainsi la température de manière égale dans un espace limité comme le montre la figure ci-dessous.
Conçu pour les dispositifs électroniques avec un flux thermique élevé, jusqu’à 50 W/cm2, et chargé de méthanol comme fluide de travail, le caloduc pulsatoire a été testé expérimentalement à l’Université de Palma. Une publication a été rédigée avec les résultats de la campagne expérimentale et soumise à des pairs. Il est possible de retrouver le lien de l’étude sur ce lien: Flat-plate pulsating heat pipe for heat spreader for electronics with high heat flux
Calyos PHP avec un générateur de chaleur central – Calyos
Technologie utilisée et matériel
Le dispositif a été imprimé en 3D avec du cuivre pur en utilisant la fusion laser sur lit de poudre (L-PBF). Le cuivre pur a l’une des conductivités thermiques les plus élevées de tous les métaux, environ 0,4 kW/(m.K). Cependant, il est possible d’obtenir une conductivité thermique beaucoup plus élevée avec la L-PBF jusqu’à 12 kW/(m.K) grâce à leurs principes de fonctionnement.
Le caloduc en cuivre pur imprimé en 3D est un prisme carré d’environ 100 mm de longueur pour les côtés et 11 mm de hauteur. Les images ci-dessous montrent les plans et le modèle CAO du PHP.
Cuivre pur PHP imprimé en 3D – Calyos et Beamler
Défis à surmonter avec les caloducs en cuivre imprimés en 3D
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Blueprints et modèle CAO du PHP imprimé en 3D – Calyos et Beamler
Beamler et Calyos ont réussi à imprimer en 3D un caloduc en cuivre pur (PHP ou Pulsating Heat Pipe), prouvant la faisabilité et l’efficacité d’un tel projet. Cette preuve de concept montre une étape importante dans la production de PHP avec la fabrication additive (AM). Le but de cet article est de fournir une analyse détaillée de détaillée de Impression 3D d’un caloduc en cuivre pur.