KARL-JOHAN REGESTAM

Examensarbete Stockholm, Sverige 2015

2

3

Additiv tillverkning av kylblock i metall

av

Karl-Johan Regestam

Examensarbete MMKB 2015:64 MKNB 075

KTH Industriell teknik och management

Maskinkonstruktion

SE-100 44 STOCKHOLM

1

Examensarbete MMKB 2015:64 MKNB 075

Additiv tillverkning av kylblock i metall

Karl-Johan Regestam

Godkänt

2015-06-05

Examinator

Ulf Sellgren

Handledare

Ulf Sellgren

Uppdragsgivare

KTH Maskinkonstruktion

Kontaktperson

Ulf Sellgren

Sammanfattning

I dag växer marknaden för additiv tillverkning. Tillverkningsprocessen används för att skapa

komplexa prototyper och färdiga komponenter. De främsta områdena idag är inom medicinska

implantat och flygindustrin men marknaden växer ständigt och tekniken tar mark i andra

områden. Ett område som har stor potential är kylsystem. Att kombinera kylsystem med additiv

tillverkningsteknik ger möjligheter att förbättra rörströmningen och värmeutbytet vilket minskar

kylkomponenternas volym.

I den här rapporten redovisas hela utvecklingen av ett valt kylarkoncept som revideras med

relevanta beräkningar och idealiseringar till ett slutkoncept. Konceptet drar nytta av additiv

tillverkningsteknik med metallpulver istället för traditionella metoder som fräsning. I rapporten

undersöks också möjligheten att kombinera olika material som metall och polymer. Även

möjligheten att ha olika strukturer för samma material undersöks.

Resultatet av konceptutvecklingen blev en renderad konceptbild och en prototyp av kylarblocket

med ett rörsystem som ger jämn kylning och som lämpar sig för additiv teknik. Modellen blev

också kompakt och har låg massa jämfört med ett traditionellt block. Undersökningen för att se

om det går att blanda material visar på att det går att fästa polymerer på metall men metoden

lämpar sig inte för additiv tillverkning och ingen av tillverkarna av maskinerna visar på en teknik

att blanda olika material.

Nyckelord: Additiv metall tillverkning, block, kylning

2

BachelorThesis MMKB 2015:64 MKNB 075

Additive manufactured cooler block in metal

Karl-Johan Regestam

Approved

2015-06-05

Examiner

Ulf Sellgren

Supervisor

Ulf Sellgren

Commissioner

KTH Maskinkonstruktion

Contact person

Ulf Sellgren

Abstract

The market for additive manufacturing is growing. The manufacturing process is used to create

complex prototypes and completed components. The main areas of today are implants and

aerospace industries but the market is constantly growing and is taking ground in other areas.

One that has great potential is watercooling systems. The combination of cooling systems and

additive manufacturing techniques provides a great opportuny to improve the fluid flow and heat

exchange.

This report shows the development of a chosen cooling concept. The cooling concept is revised

with relevant calculations and it is also idealized for a final concept. The concept takes

advantage of additive manufacturing with metal powder instead of traditional methods such as

milling. The report also examines the possibility of combining different materials such as metal

and polymer. Also the ability having different structures of the same material is examined.

The result of the conceptual development contents a rendered concept image and a prototype of

the cooling system. The prototype provides an equal cooling of the surface. The cooling system

is also suitable for additive technology. The survey for mixing materials shows that it is possible

to attach polymer with metal but the method is not suitable for additive manufacturing. None of

the manufacturing companies shows a method to mix the materials.

Keywords: Additive metal manufacturing, water cooler, block

3

4

NOMENKLATUR

Beteckningar

Symbol Beskrivning

D Stora rördiametern (mm)

d Lilla rördiametern (mm)

t Tjocklek (mm)

W Watt

�� Värmeeffekt (W = J/s)

𝜋

Förkortningar

CAD Computer Aided Design

PLM Product Lifecycle Management

SLS Selective Laser Sintering

EBM Electron Beam Melting

SLM Selective Laser Melting

DMLS Direct Metal Laser Sintering

DLD Direct Laser Deposition

LENS Laser Engineering Net Shapes

DMD Direct Metal Deposition

LMD Laser Metal Deposition

PLA Polylaktid

GPM Gallons per minute

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect

ANSYS Analysis System

5

Innehållsförteckning

SAMMANFATTNING ................................................................................................................... 1

ABSTRACT .................................................................................................................................... 2

NOMENKLATUR .......................................................................................................................... 4

INNEHÅLLSFÖRTECKNING ...................................................................................................... 5

1 INTRODUKTION ...................................................................................................................... 6

1.1 Bakgrund ....................................................................................................................... 6

1.2 Syfte .............................................................................................................................. 6

1.2 Avgränsning .................................................................................................................. 6

1.4 Metodik ......................................................................................................................... 7

2 REFERENSRAM ........................................................................................................................ 8

2.1 Additiv tillverkning ....................................................................................................... 8

2.2 Vattenkylning .............................................................................................................. 10

3 GENOMFÖRANDE .................................................................................................................. 12

3.1 Kravspecifikation ........................................................................................................ 12

3.2 Konceptgenerering ...................................................................................................... 13

3.2 Utvärdering av koncept ............................................................................................... 15

3.3 Grundmodell ................................................................................................................ 16

3.4 Värmetransport från processorn .................................................................................. 19

3.5 Flödesdimensionering ................................................................................................. 20

3.6 Anslutningar ................................................................................................................ 22

3.7 Värmeöverföring till omgivningen .............................................................................. 23

4 RESULTAT .............................................................................................................................. 24

5 REFLEKTION OCH SLUTSATSER ........................................................................................ 26

5.1 Reflektion .................................................................................................................... 26

5.2 Slutsatser ..................................................................................................................... 27

6 REKOMMENDATIONER ....................................................................................................... 27

7 REFERENSER ........................................................................................................................... 28

BILAGA A: EXTRA INFORMATION ....................................................................................... 29

CAD-modell av Koncept I ................................................................................................ 29

Tryckforlust.m ................................................................................................................... 30

Ritning av koncept II ......................................................................................................... 31

6

1 INTRODUKTION

1.1 Bakgrund

Additiv tillverkning är en tillverkningsprocess för att skapa prototyper eller färdiga

komponenter. Metoden går ut på att lägga lager på lager tills önskad form har uppnåtts istället för

subtraktiv tillverkning som till exempel skärning och gjutning. Möjligheten till komplexa

komponenter är stora med hjälp av additiv tillverkning. De främsta områdena idag är implantat

och flygindustrin men i takt med nya material och sjunkande tillverkningskostnader växer

marknaden ständigt och andra områden för tillverkningstekniken dyker upp.

Ett område som är intressant är kylsystem med möjligheter att få komplex utformning av

kylkanaler. För i kylsystem är hydrodynamiken och termodynamiken två viktiga områden. Med

additiv teknik finns möjlighet att skapa komplexa former och ytstruktur som kan förbättra

kylförmågan.

Bland annat skulle man kunna integrera kylkanaler direkt i chassiet på komponenter som

behöver kylning. Till exempel skulle kylblocken kunna anpassas till runda föremål som

elmotorer eller andra typer av cylinderformade behållare.

1.2 Syfte

Syftet med det här projektet är att ta fram ett vattenkylarkoncept. Kylarblocket ska användas till

att avleda den värme som processorer alstrar och tillverkningsmetoden som ska tillämpas är

additiv teknik. I projektet söks också svar på om det går att blanda material, vilka maskiner som

är lämpliga och vad blir tillverkningstiden och hur områden inom termodynamik och

hydrodynamik påverkar konceptets design.

1.2 Avgränsning

För att möta en bestämd processors kravspecifikation behöver konceptet analyseras och

optimeras i ett datorprogram. Detta kommer inte att göras i den här rapporten, eftersom

fokus ligger på att ta fram ett förslag till ett koncept som använder sig av additiv teknik

Rapporten använder sig av lagertjockleken, men kvalitéten på utskrifterna bör utredas

med prover och detaljerad data från tillverkaren eller med tillgång till en maskin för egna

tester.

En kostnadskalkyl tas inte upp. Det främsta skälet är att företagen inte redovisar

tillverkningskostnader för komponenter tillverkade med deras teknik.

7

1.4 Metodik

Vid framtagningen av kylarkonceptet har projektet delats upp i sex olika steg med stöd av boken

The Mechanical Design Process av David G. Ullman. Först gjordes en research inom ämnet och

problemet identifierades. Därefter togs en kravspecifikation fram och koncepten genererades

utifrån denna och utvärderades med Pughs Matris. Det konceptet som var mest lämpligt

utvecklades vidare och reviderades med relevanta antaganden och idealiserade beräkningar

vilket illustreras av loopen i figur 1. Till sist togs beslut om att tillverka en prototyp till konceptet

och hela projektet dokumenteras och kommuniceras i den här rapporten.

Figur 1 – Faserna i projektet

Verktygen som användes för att utveckla konceptet var två datorprogram Solid Edge ST6 och

Keyshot Luxion. Vid tillverkning av prototypen användes en additiv maskin Makerbot

Replicator 2.

8

2 REFERENSRAM

2.1 Additiv tillverkning

Additiv tillverkning är en process där ett digitalt 3D-objekt används för att bygga en komponent

lager för lager, oftast i en miljö med en skyddsgas som Argon eller vakuum (Metal-AM, 2015).

Denna process skiljer sig tydligt från konventionella processer där man tar bort material från

komponenten. Istället för att till exempel fräsa ut en komponent kan man bygga upp en likadan

komponent genom att lägga till material lager för lager. Fördelarna är att spill inte förekommer

utan att pulvrets återanvänds.

Med tekniken kan nya produkter tas fram som konventionella processer inte klarar av. Till

exempel komplicerade strukturer och aerodynamiskt formade geometrier inuti block.

Det finns många olika tekniker för att sammanfoga metallpulver. Företaget Sandvik listar ett

antal tekniker som lämpar sig för deras metallpulver (Sandvik, 2015), deras lista blir

utgångspunkt för vilka tekniker som är användbara för metall. Det går att dela in teknikerna i två

områden för hur pulvret matas fram. Dessa redogörs för i två punkter nedan.

Pulverbädd: det är en teknik där pulvret förs ut i ett tunt lager som byggs på i z-

riktningen. Materialet sammanfogas med lämplig metod i x-, och y-planet och processen

återupprepas tills komponenten har fått en önskad form. När processen är klar tas

överblivet pulver bort.

Figur 2 – Teknik med pulverbädd

Pulverblåsning: denna teknik blåser pulver mot en punkt som sedan sammanfogas med

laser.

Figur 3 – Teknik med pulverblåsning

Inom pulverbäddstekniken finns det två olika metoder att sammanfoga pulvret, elektronstråle

och laser. Alla tekniker redovisas i tabellform. I tabellen kan man se tillverkare och lagertjocklek

där information finns att tillgå för tillverkarnas maskiner.

Tabell 1 – Lista över tekniker och deras specifikationer

Teknik Pulver Material Kommentar Tillverkar Lager- Bygg-

x

Lager

Laserstråle,

elektronstråle etc Komponent

Komponent Laserstråle

Pulver

y

z

y x

z

9

metod e

(källa)

tjocklek

(𝝁𝒎)

hastighet

𝑐𝑚3/ℎ

EBM Pulver-

bädd

Titan,

Kobolt-krom

Elektronstråle ARCAM

(Arcam)

(Arcam)

50 − 200 55/80

SLM Pulver-

bädd

Rostfritt stål,

verktygsstål,

Aluminium,

tian, Kobolt-

krom

Smälter materialet

fullt ut, ger andra

krisalliseringsegens

kaper och

porositeter.

RENISHA

W

(Renishaw)

Stage

(SLM

Solutions)

Realizer

(Realizer

SLM)

20 − 100

20 − 200

20 − 50

5/20

SLS Pulver-

bädd

Polymerer

Nylon

Sintring, främst

plaster

EOS

(EOS) 60 − 120 -

DMLS Pulver-

bädd

Rostfritt stål,

Kobolt-krom,

Nickellegering

Titanium-

legering

Aluminium-

legering

Sintring

främst metall

EOS

(EOS) 20 − 80 -

DLD Pulver-

blåsning

- - -

LENS Pulver-

blåsning

Främst reparering

av komponenter.

OPTOMEC

(Optomec)

- -

DMD Pulver-

blåsning

DM3D

- -

LMD Pulver-

blåsning

Laserpå-svetsning. TRUMPF

(Trumpf)

- -

Sammanfogning av två olika material är en utmaning, speciellt metall och polymer som har olika

kemiska, termiska och mekaniska egenskaper. Traditionellt sammanfogas metall och polymer

antingen mekaniskt eller adhesivt. Ingen av tillverkarna för pulverbädd visar på en metod att

kombinera metall och polymer i en tillverkningsprocess. Hos tillverkarna framgår det också att

metoden med pulverblåsning främst riktar sig mot reparation och påbyggnad av komponenter.

En rapport (Farazila, Fadzil, & Hamdi, 2012) som redogör för sammanfogningsmekanismerna

mellan polymer och metall med laser visar på att det fungerar och att de två olika materialen till

största delen hålls ihop mekaniskt. Metoden går ut på att använda en plastskiva som under högt

tryck pressas mot metallen. Ytan skannas sedan genom plastskivan med laser och smält plast

trycks ut över metallytan.

Slutsatsen i en annan rapport (Loeber, o.a.) som jämför metoderna för sammanfogning, visar på

att komponenter som består av en legering med titan och aluminium och som produceras med

EBM har högre densitet än komponenter producerade med SLM.

10

2.2 Vattenkylning

Vattenkylning är en metod som transporterar bort värme från komponenter. Komponenterna är

till exempel kraftelektronikutrustning, processorer och MOSFET. Tillverkningen av kylarblock

kan se lite olika ut men oftast sker den med hjälp av pressning av plåtar och skärning i block.

Fluiden drivs runt med en pump och värmens som tas upp av kylblocket avges till omgivningen

hos värmeväxlaren (se figur 4). Volymflödet för pumpar till persondatorer ligger på ungefär

1 𝐺𝑃𝑀 det motsvarar 0.226 𝑚3/ℎ.

Figur 4 – Principskiss för kylsystemet

Vid pressning har plana ytor fördelen att plåtarna är billigare än rör per kvadratenhet. Plana ytor

har flera möjligheter att konstruera kanaler för värmeutbyte som är aerodynamiskt formade så att

tryckförluster kan minimeras. Nackdelen är att sömmarna inte klarar av höga tryck och kan

därför spricka (Fraas, 1989, p. 23)

Vid skärning används främst fräsning som gröper ur ett metallblock. (se Figur 2). Nackdelen

med den här metoden är att det blocket måste först fräsas i två delar och sedan monteras ihop.

Detta skapar fler steg i tillverkningen och möjligheten till aerodynamiskt formade kanaler är

begränsad.

Figur 5 – Typiskt exempel (Thermoelectric, 2013) på kylarblock med en kanal.

I figuren går det att se att samma fluid färdas längs en transportsträcka och fluidens temperatur

kommer att stiga med avståndet. Temperaturdifferansen har betydelse för hur stor effekt som

förs över genom konvektion.Vecklar man ut kanalerna från Figur 2 får man en figur med

sträckan L nedan. Den blåa färgen representerar kall fluid och den röda färgen representerar

varm fluid. Fluidens temperatur stiger på grund av den konstanta temperaturen utanför röret och

till slut har jämnvikt i temperaturen uppnåtts och ingen konvektion sker (Ekroth & Granryd,

1999, s. 11.07).

L

Pump Kylblock

Fluid

Värmeväxlare

11

Figur 6 – Försämrad kylförmåga med sträckan

12

3 GENOMFÖRANDE

En kravspecifikation ställdes upp med de krav och önskemål som finns på kylarblocket. Dessa

krav och önskemål grundar sig på researchen.

3.1 Kravspecifikation

Nr Förklaring Krav/Önskemål

1 Korta sträckor för fluiden nära processorn K

2 Kompakt design Ö

3 Lågt flödesmotstånd (utformning) Ö

4 Låg materialåtgång Ö

5 Avleda värme effektivt från kylarblocket K

6 Kontinuitet i kylytan

K

7 Tillverkas med additiv teknik K

8 Kvadratisk kylyta med sidan 25 mm Ö

13

3.2 Konceptgenerering

Konceptgenerering med mål att uppfylla kravspecifikationen speciellt kravet på korta sträckor

för de små rören närmast processorn. Detta för att undvika försämrad kylförmåga genom

minskad temperaturdifferans som förklaras i referenskapitlet. Olika former ritades som sedan

resulterade i två konceptskisser.

Koncept I - Gruppvis placering av rör.

Första konceptet är gruppvis placerade kanaler. Fluiden strömmar in de övre stora kanalerna och

förgrenar sig sedan i de undre kanalerna sig. Förgreningen går sedan ihop igen och fluiden leds

upp i de övre kanalerna.

Figur 7 – Kanaler i grupper som placeras omlott för att leda fram fluiden till processorn (grå) sedd ovanifrån.

Rören går ner till processorn och sänker temperaturen för processorn för att sen gå upp igen.

Figur 8- Grupperna av kanaler går ner mot ytan för att kyla processorn (grå) sedd från sidan.

Processor

Processor

Metallblock med kanaler

Kall fluid in Varm fluid ut

Övre kanaler

Undre kanaler Korta kanaler

14

Koncept II – Diagonala rör

Andra konceptet är diagonala förgreningsrör som går från inloppsröret (blå) till utloppsröret

(röd). På så sätt leds ny fluid fram genom varje förgreningsrör

Figur 9 – Små kanaler på diagonalen och stora kanaler över, sedd ovanifrån.

Figur 10 –Skiss från sidan.

Processor

Processor

Metallblock med kanaler

Kall fluid in

Varm fluid ut

Övre kanaler

Undre kanaler

Korta kanaler

15

3.2 Utvärdering av koncept

För att få en indikation på vilket koncept som är mest lämpligt att gå vidare med används en

metod som kallas för Pugh matris (Ullman, 2010, s. 221). Metoden listar ett antal kriterier som

produkten ska uppfylla där kriterierna viktas mot varandra. I kolumnerna placeras koncepten

som ska jämföras Baseline är koncept I. De andra två koncepten får en siffra som är högre eller

lägre än Baseline. Den totala poängen blir en riktlinje för vilket koncept som är lämpligast att gå

vidare med.

Bas

elin

e

Referensmodell

Koncept II

Välja koncept för kylarblock

Lågt flödesmotstånd

(hydrodynamisk)

10

Dat

um

1 1

Kontinuitet kylyta 40 -1 1

Volym 5 -1 0

Massa 5 -1 0

Värmeledningsförmåga 20 0 0

Korta förgreningsrör 20 -1 1

Totalt -2 1

Totalt viktat -60 70

Utvärderingen pekar på att koncept II med diagonala rör är ett bättre alternativ än koncept I

(Baseline). Matrisen visar också att båda koncepten är bättre än referensmodellenfrån

referenskapitlet.

16

3.3 Grundmodell

I koncept II finns två huvudrör med stor diameter D och förgreningsrör med liten diameter d. Det

som främst dimensionerar kylarblocket är de små rören närmast processorn. Rördiametern kontra

lagertjockleken styr hur ytans struktur, den så kallade ytråheten ser ut invändigt. Ytråheten har

betydelse för friktionsfaktorn som tas upp i delkapitlet 3.6. I Solid Edge modelleras ett litet rör

med diametern 𝑑 = 1 𝑚𝑚 och lagertjockleken 𝑡 = 0.05 𝑚𝑚

Figur 11 – Rör d = 1 mm med lagertjocklek t = 0.05 mm

CAD-modellen visar att rören får en varierad struktur som närmast kan liknas vid en korrugerad

yta som ökar arean invändigt. Mindre diameter d eller tjockare lagertjocklek t kommer att ge en

grövre struktur.

Med skisserna för koncept II och vald diameter d har en modell tagits fram. Modellen har två

stora kanaler som inlopp respektive utlopp. Fluiden strömmar in i den vänstra kanalen och leds

sedan över till den högra kanalen via små rör.

Figur 12 – Rörpar med två grövre rör som fungerar som inlopp (blå) och utlopp (röd). Små kanaler leder över

fluiden från den vänstra till den högra kanalen.

För att få en överblick av tätheten av ytan som bildats av rören med diametern d, upprepas

rörparen tills en rektangulär yta har bildats.

d

t

17

Figur 13 – Vid upprepning av rörparen från Figur 3 fås en yta av tätt packade rör.

I Figur (14) och (15) går det att se att modellen har inlopp respektive utlopp omlott. För att öka

kanalens tvärsnittetsarea och minska på friktionen mot väggarna görs modifieringar i kanalerna

så att två inlopp (röd) kan slås ihop och likadant för två utlopp (blå).

Figur 14 – Vy över rörparen med vartannat inlopp respektive utlopp

Modifieringarna görs genom att spegla vartannat rörpar som gör att inlopp och i utlopp hamnar i

grupper om två.

Figur 15 – Kylblocket får en annan struktur.

18

Figur 16 – Vy över rörparen med inlopp respektive utlopp i gruppvis om två

Grupperna har nu en vägg som kan tas bort genom att slå ihop grupperna till ett gemensamt rör

för varje grupp av inlopp respektive utlopp.

Figur 17 – Justering och sammanslagning av rör

Kanaler och rör är modellerade med funktionen surface i Solid Edge. Modellen görs om från

surface till solid med anledningen att modellen ska bli enklare att bearbeta i fortsättningen.

Notera att modellen har rören synliga för att underlätta utvecklingen av konceptet.

Figur 18 – Grundmodell med rören tillfälligt synliga.

19

3.4 Värmetransport från processorn

Värmen som alstras från processorn transporteras på två olika sätt. Först genom ledning i

soliden. Därefter med konvektion mellan solid och fluid. Fluiden i rören med diametern d leder

bort värmen med påtvingad konvektion. Påtvingad konvektion gäller eftersom fluiden pumpas

runt mekaniskt. Värmeflöde per ytenhet beskrivs med Newtons avkylningslag (Ekroth &

Granryd, 1999, s. 11.07)

𝑄�� = 𝑘 ∙ 𝐴 ∙ ∆𝑇 (1)

Där 𝑘 är värmeövergångstalet och ∆𝑇 är temperaturdifferansen mellan fluiden och soliden.

Värmeövergångstalet är beroende av hur för flödet ser ut och fluidens termiska egenskaper.

Arean A är den yta där fluiden och soliden har kontakt (streckade linjen). Det finns ett samband

mellan totala ytarean och antalet rör per längdenhet L. Den totala ytarean för figur a) och b) med

cirkulärt tvärsnitt beskrivs med ekvationen

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑟ö𝑟 = 𝑛 ∙ 𝑑 ∙ 𝜋 ∙ 𝑙 (2)

Där n är antalet rör per längdenhet L och det maximala antalet rör ges av 𝐿/𝑑. d är lilla rörets

diameter och l rörets längd. Ytarean för figur c) med rektangulärt tvärsnitt beskrivs med

ekvationen

𝐴𝑡𝑜𝑡𝑟𝑒𝑘 = 2𝐿 + 2ℎ ∙ 𝑙

(3)

Figur 19 – Variaton av antalet rör.

L L

L

a) b)

c)

b) c)

L

a)

solid

fluid h

d

20

Ekvationerna visar att ju fler rör n desto större blir 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑟ö𝑟. Om höjden h och diametern d är lika

så är 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑟ö𝑟 > 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑟𝑒𝑘. Modellen justeras för att öka ytarean mot processorn. Detta görs genom

att öka antalet rör per längdenhet L i Figur (20)

Figur 20 – Modell med tätare placering av rör för ökning av

ytan mot processorn.

3.5 Flödesdimensionering

Hydrodynamiken har en stor betydelse för kylarens design. Ökat tryckfall ger större

effektförluster för pumpen som driver runt fluiden i systemet. Det finns olika parametrar som ger

tryckfall i rören, fluidens hastighet, rörens diameter, rörens ytstrået, fluidens viskositet, rörens

längd, rörböjar och övergångar (Nakayama & Boucher, 1999).

Tryckfallet på grund av friktion, i grundmodellen är rören med diametern d parallellkopplade

med 17 rör i två riktningar, totalt är 34 rör anslutna till huvudröret med diametern D (se figur

20). Genom att använda sig av massflöde, definerat som en massa som passerar en gränsyta per

tidsenhet och att massflödet är konstant i ett inkompressibelt flöde (Nakayama & Boucher, 1999,

s. 56). Detta ger summan av massflödet är lika i huvudrör och förgreningsrör.

Figur 21 – Principskiss med beteckningar.

Sambandet mellan rörens massflöde ges av

��𝑖𝑛 = 𝑛 ∙ ��𝑓 = ��𝑢𝑡 (4)

och sambandet mellan massflödet och volymflödet ges av

𝑚𝑓

𝑚𝑓

��𝑖𝑛

��𝑢𝑡 𝐷

𝑑

𝑑

𝐷

21

��𝑖 =

��𝑖

𝜌 (5)

Ekvation (2) och (3) ger

��𝑖𝑛

𝜌= 𝑛

��𝑓

𝜌 (6)

där n är antalet parallellkopplade rör. Då fluiden i det här fallet är vatten som är inkompressibelt

är det samma densitet 𝜌 på båda sidor vilket kan förkortas. Ekvationen skrivs om till

��𝑖𝑛 = 𝑛 ∙ ��𝑓 (7)

hastigheten i respektive rör ges då av

𝑣1 =

��𝑖𝑛

𝐴𝐷 (8)

och

𝑣2 =

��𝑖𝑛

𝑛 ∙ 𝐴𝑑 (9)

där tvärsnittsarean bestäms av diametern hos rören. Reynolds tal beräknas med

𝑅𝑒𝑖 =

𝜌𝑣𝑖𝐷𝑅𝑒𝑖

𝜇 (10)

Relativa ytråheten beräknas med lagertjockleken genom diametern

𝜀𝑟𝑒𝑙 = 𝜀/𝐷 (11)

Friktionsfaktorn f är empiriskt bestämd och kan erhållas ur handböcker. För att uppskatta

friktionsfaktorn används Reynolds tal tillsammans med relativa ytråheten i Moodys Diagram

(Nakayama & Boucher, 1999, s. 117). Med friktionsfaktorn och övriga variabler kan tryckfallet

per längdenhet L för ett rakt horisontellt rör beräknas med ekvationen

∆𝑝𝑓 = 𝑓

𝐿

𝑑

𝜌𝑉2

2 (12)

Tabell 2

Beteckning Värde Enhet

Volymflöde (𝑄𝑝𝑢𝑚𝑝) 6.31 ∙ 10−5 𝑚3/𝑠

Förgreningsrör diameter (d) 1 𝑚𝑚 Huvudrör diameter (D) 3.2 𝑚𝑚

Ytråhet (𝜀) 50 𝜇𝑚

Densitet vatten (𝜌) 1000 𝑘𝑔/𝑚3

Dynamisk viskositet (𝜇) 0.001 𝑃𝑎 ∙ 𝑠

Huvudrör (L) 25 𝑚𝑚

Förgreningsrör (l) 4 𝑚𝑚

Antal rör (n) 34

22

Insättning av data från Tabell 2 i ekvation (8) ger att tryckfallet orsakat av friktion blir för

huvudröret ungefär 10 𝑘𝑃𝑎 och för varje föregreningsrör ungefär 1 𝑘𝑃𝑎. (Beräkningarna i sin

helhet finns i bilaga). Ekvation (4) visar att en större area ger en lägre hastighet och lägre

tryckfall. I Figur 22 visas hur arean ökas för CAD-modellen för att minska tryckfallet.

Figur 22 – Ökning av arean för figur b) jämfört med a)

3.6 Anslutningar

Till CAD-modellen kopplas rören samman och anslutningar för pumpen skapas. Fluiden

transporteras mellan de stora rören med diametern D genom de små rören med diametern d. Se

figur nedan.

Figur 23 – Ihopkoppling av rören för kylytan och anslutningar till pumpen, pilarna visar flödets riktning.

Anslutning till

pumpen

a)

b)

23

3.7 Värmeöverföring till omgivningen

Kylblockets funktion att leda bort värmen från processorn sker genom transport med fluiden.

Värmen som leds bort i fluiden ska inte avges till omgivningen genom ledning och naturlig

konvektion på kylblockets ovansida.

Figur 24 – Värme avges till omgivningen.

Värmen som transporteras ut ur blocket med ledning till omgivningen beskrivs med Fouriers lag

(Ekroth & Granryd, 1999, s. 11.05) där värmeflödet ges av

𝑄𝑙

= 𝑘𝑆∆𝑇

∆𝑥 (13)

Där k är värmeledningsförmågan, S är blockets yta, ∆𝑇 temperaturdifferansen och ∆𝑥 är

tjockleken i den övre delen av blocket. Genom att titta på olika värmeledningsvärden för olika

material så framgår det att ett lägre värmeledningstal minskar värmeflödet via ovansidan av

blocket.

Tabell 3- Tabellen visar värmeledningsförmågan hos olika material

Ämne Värmeledningsförmåga

𝑊 ∙ 𝑚−1 ∙ 𝐾−1

Luft 0.026

Koppar 398

Aluminium 238

Polymer ~0.3

För att minska värmeavgivningen till omgivningen får modell 1 får två olika strukturer, i den

övre halvan finns en struktur med lägre densitet än den under som därmed som ger en lägre

värmeledning. Modell II får två olika material, förslagvis aluminium i den nedre halvan och

polymer i den övre halvan.

Figur 25 – Modell 1 med olika material och modell 2 med olika strukturer.

Värme till

omgivningen

24

4 Resultat

Här presenteras datan från CAD-modellen, som material valdes aluminium till hela modellen.

Utskriftstiden beräknas utifrån den lägsta bygghastigheten för respektive tillverkningsmetod.

Tabell 4 – Sammanställning från CAD-modell

Beteckning Värde Enhet

Materialvolym 1.38 𝑐𝑚3

Vikt 4 g

Yttermått (LxBxH) 33.77x33.3x4.3 mm

Kylyta (LxB) 25x25 mm

Utskriftstid (EBM) 2 min

Utskriftstid (SLM) 17 min

En renderad konceptbild som visar kylarblocket placerad på processorn.

Figur 26 – Konceptbild med kylarblocket placerad på processorn.

Figur 27 – Visuell jämförelse av blockens storlek.

25

Eftersom det inte finns möjlighet att producera en prototyp i aluminium. Används istället plast

(PLA) för att få en fysisk känsla av modellen. Prototypen förenklades något med anledning att

3d skrivaren har begränsade möjligheter att hantera överhäng. Prototypen fick även skalas upp i

storlek till dubbla volymen för att lagertjockleken ska motsvara lagertjockleken för metall på

0.05 mm. Prototypen är utskriven med två olika färger. En övre del som är transparent för att

synliggöra hur förgreningsrören ser ut och det är den ytan som är i kontakt med processorn. En

undre del i svart plast som innehåller huvudrören.

Figur 28 – En fysisk prototyp med synliga kylarkanaler.

Nedan följer en sammanställning över prototypen som är tillverkad i Makerbot Replicator 2.

Tabell 5 – Sammanställning om prototypen.

Beteckning Värde Enhet

Lagertjocklek 0.1 mm

Yttermått (LxBxH) 67.3x66.2x8.6 mm

Kylyta (LxB) 50x50 mm

Utskriftstid 90 min

Vikt 14 g

26

5 REFLEKTION OCH SLUTSATSER

5.1 Reflektion

I projektet gjordes antagandet att det är lagertjockleken styr ytråheten. Några av tillverkarna har

dock metoder för att minska ytråheten genom att till exempel återsmälta materialet. Men i rör

och kanaler försvåras uppgiften eftersom rören sluter och därför inte är tillgängliga för den typen

av efterbehandling. Därför användes lagertjockleken som grund för storleken av de små rören.

Om man vill minska ytråheten kanske man kan spola rören med keramiska partiklar som på så

sätt våtslipar ytorna. Men det är svårt att styra hur olika delar av systemet kommer att påverkas

av behandlingen.

Den största barriären för värmeöverföring är skiktet närmast rörväggen. Boken (Fraas, 1989, p.

57) visar att om man stoppar in en spiral i ett rör som tillåts expandera mot väggarna. Så orsakar

detta turbulens som induceras av spiralen, denna turbulens kan också orsakas av ojämnheterna

som bildats av lagertjockleken. Turbulensen som blir av ojämheten ökar värmeutbytet för

konvektion så det finns en viss fördel med att ha ojämn yta . Men det leder också till ökat

tryckfall så det är en avvägning hur ojämn ytan ska vara med avseende på värmeutbyte och

tryckfall.

En del av tryckfallet beror på en ökning av tjockleken för gränsskiktet. Detta minskar

tvärsnittsarean och ökar hastigheten på flödet. Som i sin tur påverkar effektbehovet för pumpen

som driver runt flödet. Men har pumpeffekten ingen betydelse så kan man öka turbulensen och

därmed öka värmeutbytet.

Tryckfallet på grund av friktion mot rörväggarna beräknades till 10 kPa för huvudröret för ett

volymflöde på 1 GPM och 10 kPa detta motsvarar en vattenpelare på en meter.

Storleksordningen för trycket är rimligt och det talar för konceptet. Vill man minska tryckfallet

så kan rören göras större enligt figur 22 men då blir kylarblocket högre. Förutom ett tryckfall

som orsakas av friktion tillkommer tryckfall som beror på andra rörförluster som tas upp i början

av flödesdimensioneringen och som ska läggas på totala tryckfallet.

Densiteten i materialet har betydelse för värmeledningen. I delkapitel 3.7 ska densiteten vara låg

i den övre halvan av konstruktionen, det kan göras genom att skapa hålrum i materialet. Flera av

tillverkarna visar på att skapa ett ”mesh”-nät med öppna utrymmen är möjligt. Men att skapa

slutna utrymmen som sedan tömms på metallpulver går inte. Problemet uppstår när komponenten

är tillverkad och pulvret ska avlägsnas från komponenten då finns pulver kvar i hålrummen som

inte går att få bort.

Idag är det tveksamt om det går att blanda två olika material som metall och polyester med

additiv teknik. Ingen av tillverkarna tar upp att metoden går att tillämpa på deras maskiner. En

rapport i referenskapitlet visar på att det går att kombinera polymer med metall. Deras metod går

ut på att använda en plastskiva som under högt tryck pressas mot ytan på metallen som sedan

smälts. Det finns oklarheter i hur det ska tillämpas med additiv teknik. Om metallen läggs på

polymeren så uppstår termiska problem. Polymer har en lägre smältpunkt än metall och det

kommer försämra polymerens egenskaper.

Materialåtgången är låg dels för att modellen blir kompakt i sitt utförande och för att kylarblock i

allmänhet till processorer är små. Vilket gör att kylarblocket lämpar sig för tillverkning additiv

teknik i det avseendet. Det har betydelse eftersom det finns ett linjärt samband mellan

tillverkningstid och materialmängd. Med den materialvolym som cadmodellen visar så tar

27

utskriftstiden ungefär 2 minuter med EBM och en legering Ti6Al4Vo. Men alumnium finns inte

med på ARCAMs materiallista. Däremot klarar SLM aluminium och skriver ut på 17 minuter.

Dessa tider är uppskattade utifrån bygghastigheten som redovisas i tabell 1. Prototypen i PLA

hade en utskriftstid på en och en halv timme men ska tilläggas att den dubbelt så stor volym

jämfört med CAD-modellen. Att plastprototypen skrevs ut med dubbla volymen beror på att

lagertjockleken är dubbelt så tjock jämfört med metallskrivare på 0.05 mm.

5.2 Slutsatser

Koncept II bör väljas av alternativen, modellen har tätare placering av rören än koncept I

och är mer kompakt än modellen från referenskapitlet.

Med en additiv maskin som lägger lager på lager om 50 𝜇𝑚 och med vald diameter på

huvudrör och förgreningsrör blir tryckfallet ungefär 10 𝑘𝑃𝑎 respektive 1 𝑘𝑃𝑎.

Värmeutbytet och strömningsförluster är diametralt motsatta, till exempel turbulent

strömning ökar värmeutbytet men ger också ökade strömningsförluster.

Ingen av tillverkarna tar upp att blanda material, av referenskapitlet framgår det att

metoden kräver ett speciellt tillvägagångssätt som är svår att tillämpa med additiv teknik

för metall och polymer.

Första-handsvalet är SLM som smälter pulvret med laser och kan sammanfoga

aluminium. SLS är inte att föredra då materialet sammanfogas under smältpunkten med

den metoden och det ger en lägre densitet än de två förstnämda. EBM är att föredra vid

tillverkning med avseende på densitet och hastighet men har inte med aluminium som

material.

Modellen tar två minuter att skriva ut med EBM för Ti6Al4Vo. Byggtiden gäller om

företaget ARCAMs specifikationer för bygghastigheten avser komponentens material.

6 REKOMMENDATIONER & FRAMTIDA ARBETE

Projektet var att ta fram ett koncept som utnyttjar additiv teknik. För att få fram en kylarblock

som matchar en specifik processor behöver projektet fortsättas på följande punkter.

Ta fram en detaljerad kravspecifikation som möter en specifik processors egenskaper.

För att möta dessa kravspecifikationer behöver konceptet analyseras och optimeras i ett

program. Deta kan förslagsvis utföras med ANSYS. Kylarblocket behöver analyseras och

optimeras på följande områden:

- Termodynamik

- Hydrodynamik

- Hållfasthet

Kvalitén på utskrifterna bör utredas med prover och detaljerad data från tillverkaren eller

med tillgång en maskin för egna tester.

En kostnadskalkyl och PLM bör göras

28

7 Referenser

Arcam. (2012). Arcam A2X. Retrieved 4 3, 2015, from http://www.arcam.com/wp-

content/uploads/arcam-a2x.pdf

Arcam. (2012). Arcam. Retrieved 4 3, 2015, from http://www.arcam.com/new-50-um-process-

for-high-resolution-and-surface-finish/

Ekroth, I., & Granryd, E. (1999). Tillämpad termodynamik. Inst för Energiteknik.

EOS. (2013). EOSINT M 280. Retrieved 4 5, 2015, from http://ip-saas-eos-

cms.s3.amazonaws.com/public/e1dc925774b24d9f/55e7f647441dc9e8fdaf944d18416bdb

/systemdatasheet_M280_n.pdf

EOS. (2015). Retrieved 4 6, 2015, from

http://www.eos.info/systems_solutions/plastic/systems_equipment/formiga_p_110

Farazila, Y., Fadzil, M., & Hamdi, M. (2012). A brief review: laserjoining of polymer-metal

structures. Malaysia: Department of Engineering Design an Manufacture. Retrieved 3 25,

2015, from http://www.seed-

net.org/download/1.%20Invited%20Paper_A%20BRIEF%20REVIEW%20LASER%20J

OINING%20OF%20POLYMER-METAL%20STRUCTURES.pdf

Fraas, A. P. (1989). Heat Exchanger design (Second Edition ed.). Wiley.

Loeber, L., Biamino, S., Ackelid, U., Sabbadini, S., Epicoco, P., Fino, P., & Eckert, J. (n.d.).

COMPARISON OF SELECTIVE LASER AND ELECTRON BEAM MELTED TITANIUM.

Retrieved from http://sffsymposium.engr.utexas.edu/Manuscripts/2011/2011-43-

Loeber.pdf

Metal-AM. (2015). Metal Additive Manufacturing processes. Retrieved from Metal-AM:

http://www.metal-am.com/introduction_to_metal-additive_manufacturing/processes

Nakayama, Y., & Boucher, R. F. (1999). Introduction to fluid mechanics. Butterworth-

Heinemann.

Optomec. (2014). LENS Print Engine. Retrieved 4 3, 2015, from http://www.optomec.com/wp-

content/uploads/2014/04/LENS_print_-engine_datasheet_Final_5_May_2014.pdf

Realizer SLM. (2015). Selective Laser Melting. Retrieved from http://www.realizer.com/en/wp-

content/themes/realizer/Brochure.pdf

Renishaw. (2013). The power of Additive Manufacturing. Retrieved 4 3, 2015, from

http://resources.renishaw.com/download.aspx?lang=en&data=57719&btn=1

Sandvik. (2015). Sandvik. Retrieved 3 25, 2015, from

http://www.smt.sandvik.com/en/products/metal-powder/additive-manufacturing/additive-

manufacturing-techniques/

SLM Solutions. (den 5 4 2015). SLM® 125HL System Parameters. Hämtat från

http://www.stage.slm-solutions.com/index.php?slm-125_en

Thermoelectric, C. (2013). Water Blocks. Retrieved from

http://www.customthermoelectric.com/Water_blocks.html

Trumpf. (2015). Building shapes out of powder and wire. Retrieved 4 6, 2015, from

http://www.us.trumpf.com/en/products/laser-technology/solutions/applications/laser-

welding/deposition-welding.html

Ullman, D. G. (2010). The Mechanical Design Process. McGraw-Hill International Edition.

29

BILAGA A: EXTRA INFORMATION

CAD-modell av Koncept I

Figur 29 – CAD-modell av Koncept I, underlag för utvärderingen med Pughs matris.

Område med sämre kylning.

30

Tryckforlust.m

Q_pump = 6.31*10^-5 % m^3/s

D = 0.0032 % m

d = 0.001 % m

e = 50*10^-6 % m

ra = 1000 %kg/m^3

my = 0.001 % Pa*s

L = 0.025 % m

l = 0.004 % m

% Arean

A1 = pi*(D/2)^2

A2 = pi*(d/2)^2

v1 = Q_pump/A1

v2 = Q_pump/(A2*32)

Re1 = (ra*v1*D)/my

Re2 = (ra*v2*d)/my

e1rel = e/D

e2rel = e/d

% Friktionsfaktorn f uppskattas ur bok (Nakayama & Boucher, 1999, s. 117)

% med relativa ytråheten och reynoldstal.

f1 = 0.045

f2 = 0.08

deltap1 = (f1*L*ra*v1^2)/(D*2)

deltap2 = (f2*l*ra*v2^2)/(d*2)

31

Ritning av koncept II