ניו-טק פורטל ההיי-טק הישראלי

HDDC: תהליך יציקת לחץ לצפיפות גבוהה עבור גופי קירור מאלומיניום בעלי ביצועים משופרים

Aavid Thermalloy LLC

תקציר
טכנולוגיית יציקת הלחץ משמשת באופן נרחב בייצור של חלקים תלת-ממדיים מסובכים בעלות סבירה. בטכנולוגיה זו בוצעו שיפורים רבים לאורך השנים, ובכלל זה: יציקה במעיכה (squeeze casting), יציקה ריאולוגית במיצוק חלקי (semi-solid rheocasting), יציקה מתחת לטמפרטורת הנוזליות (sub-liquids casting) וכו'. במהלך השנים פותחו גם סגסוגות משופרות על מנת לעמוד ביעדים ספציפיים כגון עמידות בקורוזיה, חוזק בטמפרטורות גבוהות, עמידות בבלאי, מוליכות תרמית וכיו"ב. יישומי בקרת טמפרטורה כגון גופי קירור, מארזי אלקטרוניקה, משטחי קירור אטומים מקוררים בנוזלים (liquid cold plate), מחייבים מאפיינים כגון מוליכות תרמית גבוהה, אטימות בפני דליפה ויכולת לייצר קירות דקים וצלעות גבוהות. Aavid משקיעה בפיתוח טכנולוגיה אשר תאפשר ליצור גופי קירור בצורה קרובה לסופית (near net shape) בצפיפות גבוהה תוך שימוש בשיטה הקרובה ליציקת לחץ, אשר מכונה אצלנו HDDC. שיטה זו נראית מבטיחה לצרכים של עיבוד סגסוגות אלומיניום בנוזליות נמוכה. אף שהשיטה מזכירה את שיטת הזרקת הלחץ, היא צפויה לשלב מאפיינים של גישות אחרות לעיצוב מתכות.

1. מבוא
טכנולוגיית היציקה בלחץ של אלומיניום משמשת באופן נרחב ליציקה של מגוון מוצרים בתעשיות מגוונות: החל מצעצועים קטנים ובתי משאבות, בתי מדחסים ובוכנות ליחידות גדולות במנועים מתקדמים לרכב. התהליך עצמו הוא פשוט, ובמהלכו מתכת מותכת מוזרקת לתבנית פלדה באמצעות לחץ מכאני (ולא בכוח הכבידה), כאשר הלחץ נשמר במהלך התמצקות המתכת. לאחר מכן פותחים את התבנית ומוציאים את היציקה לעיבוד נוסף, כאשר התבנית עצמה מרוססת בחומר סיכה ונסגרת לצורך קבלת המנה הבאה של מתכת נוזלית. מוצרים המיוצרים בתהליך זה מתקבלים קרובים לצורתם הסופית (near net shape), אולם הם עשויים לדרוש עיבוד שבבי נוסף עבור הברגות, פרטים עם מידות מדויקות יותר, פני שטח חלקים או מחוספסים באזורים מסוימים וכו'.
גיאומטריות של גופי קירור, משטחי קירור מקוררים בנוזלים וצלעות קירור, המתוארות באיורים 1 עד 3 מעניינות אותנו במיוחד, ומהוות נושא לחקירה הנוכחית. דרישות המפתח ממוצרים אלה כוללות:
• צלעות גבוהות ודקות לביצועים תרמיים גבוהים ומסה קטנה
• עובי דופן דק במעטי הרכיבים האלקטרוניים עם צלעות אינטגרליות לקירור
• קירות ללא נקבוביות, חסינים מפני דליפה עבור משטחי קירור
• מגוון של צורות בצלעות, כגון צלעות משטח רציף, צלעות משטח מרווח, צלעות פין עגול או אליפטי, צלעות נטויות, צלעות רדיאליות וכו'.
• מגוון של פרטים משטחיים כגון צלעות, בליטות וכיסים בבסיס גוף הקירור, המתאימים לרכיבים האלקטרוניים ולציוד ההתקנה.
• עמידות בפני קורוזיה עבור מארזי אלקטרוניקה המותקנים בחוץ.
• עלות ייצור נמוכה.
יתר על כן, על מנת להגדיל ככל האפשר את פונקציית מעבר החום של גופי הקירור, רצוי מאוד להשתמש בסגסוגות עם מוליכות תרמית גבוהה.
יציקת לחץ [1] מאפשרת את יצורם של גופי קירור בעלי גיאומטריה תלת-ממדית מורכבת קרוב לצורתם הסופית (near net shape) בעלות נמוכה ביותר, אולם מסגסוגות בעלות מוליכות תרמית נמוכה יחסית, עם צלעות עבות המגדילות את המסה ועם פורוזיביות על פני השטח ובתוך החומר. אקסטרוזיית אלומיניום היא תהליך נפוץ אחר המאפשר לייצר גופי קירור ללא נקבוביות מסגסוגות חשילות בעלות מוליכות תרמית גבוהה, כגון 6063. אולם, גיאומטריות הנוצרות באקסטרוזיה מוגבלות לחתך קבוע בכיוון האקסטרוזיה, בעוד שהוספתם של פרטים כגון חורים, בליטות ושקעים מחייבים ביצוע של שלבי יעבוד שבבי נוספים. אקסטרוזיה בהלם (Impact extrusion) הוא תהליך עיבוד בקר המייצר באקסטרוזיה צלעות בכיוון האנכי מהבסיס משתמש גם הוא בסגסוגות בעלות מוליכות תרמית גבוהה, אולם הוא מוגבל לגופי קירור קטנים עם צלעות פינים או צלעות בצורת לוחות מרווחים. ניתן להשתמש בתהליך האקסטרוזיה בהלם על מנת ליצור כיסים בבסיס גוף הקירור. כל אחת מטכנולוגיות אלה מאפשרת לעמוד רק בחלק קטן מדרישות המפתח שצוינו לעיל. אף כי יציקה במעיכה ויציקת מתכות במיצוק חלקי
(semi-solid casting, SSM) [2] מקטינות את הפגמים השכיחים ביציקת לחץ, חומרי SSM יקרים ויציקה במעיכה משתמשת בסגסוגות יציקה בעלות מוליכות תרמית נמוכה. נדרשים תהליכים חדשים אשר יהיו מסוגלים לעמוד בדרישות פונקציונליות גבוהות יותר כלפי גופי הקירור.
במאמר זה אנו מתעמקים בדרישות המפתח כלפי גופי הקירור ובוחנים מספר תהליכים הדומים ליציקת לחץ לצורך ייצור המוצרים הנ"ל. תוצאות ראשוניות מוגבלות ביותר מתהליך ה- HDDC שלנו מדווחות כאן, שכן טווח היכולות המלא נמצא עדיין בפיתוח, וממתין להחדרתם של מוצרים מסחריים לשוק.

2. יעדי התהליך
בטבלה 1 מתוארות כמה מהיכולות של תהליכי היצור האמור של גופי קירור, עבור צלעות בגובה 60 מ"מ. אנו מצפים שההנחיות הרגילות הישימות ליציקת לחץ [1, 3] תהיינה ישימות גם ב- HDDC, אולם עם יכולת משופרת לצלעות דקות יותר וקירות מארז דקים יותר, יחד עם זווית היצרות בצלעות ובקירות, ועם פרטי פני שטח כגון שקעים, בליטות וצלעות.
על מנת לאפשר ביצועים תרמיים יעילים, גופי הקירור זקוקים למוליכות חום טובה על מנת לשפר את יעילות הצלעות ופיזור החום. כפי שניתן לראות מטבלה 1, יעד תהליך ה- HDDC הוא להשתמש הן בסגסוגות יציקת לחץ והן בסגסוגות חשילות המבוססות על הדרישות המיוחדות של היישום. בטבלה 2 מתוארים היסודות העיקריים והתכונות המתאימות של מספר סגסוגות פוטנציאליות עבור גופי קירור. עקב טמפרטורת ההתכה הגבוהה, תהליך היציקה במעיכה זקוק לסגסוגות בעלות נוזליות גבוהה כדי למנוע "קריעה חמה" (hot shortness) עקב ההתכווצות במהלך ההתמצקות וכדי למזער את ההלחמה אל פלדת התבנית. מאחר והסגסוגת המותכת המשמשת בתהליך היציקה במיצוק חלקי היא בעלת אחוז ניכר של מוצקים, הטמפרטורה שלה נמוכה בהרבה מטמפרטורת הנוזליות, ולפיכך ההתכווצות במהלך ההתמצקות היא קטנה וההלחמה אל התבנית נמנעת. יתר על כן, הצורה הכדורית של החלק המוצק בתערובת המותכת המוצקה-חלקית מאפשרת תנועה של נוזל במהלך ההתמצקות אפילו עבור סגסוגות אלומיניום חשילות. למידע נוסף בנוגע לפוטנציאל ולמגבלות של תהליכים אלה ותהליכים מתקדמים אחרים, ראה מקור [4].
בבדיקות של תהליך ה-HDDC שבוצעו לאחרונה, התקבל מבנה גרעיני עדין עם רמת נקבוביות הקרובה לאפס. איור 4 מתאר את המיקרו-מבנה ואת רמת הנקבוביות בגוף קירור קטן (קוטר ~60 מ"מ, גובה 50 מ"מ), אשר יוצר בתהליך HDDC בהשוואה למבנה הדנדריטי ולרמת הנקבוביות המתקיימים במבנה בגוף קירור דומה אשר יוצר ביציקת לחץ. מאחר ובוצע שימוש בסגסוגת חשילה לייצור גוף הקירור בשיטת HDDC, הגרעינים הקטנים והעדר הנקבוביות הם מעודדים במיוחד עבור משטחי קירור מקוררים בנוזלים המשמשים ביישומים תעשייתיים, באלקטרוניקה של רשת החשמל וביישומי EV. ביישומים אלה, משטחי מעבר חום המיוצרים בשיטת ה- HDDC יכולים להיות מורכבים עם כיסויים מאלומיניום חשיל, ומולחמים ליצירת מכלול של משטח קירור אטום ואמין.
בפרט, משטחי קירור מקוררים בנוזלים המיוצרים בתהליך ה- HDDC צפויים ליהנות משורה של תכונות חיוביות:
פילוג אחיד של הטמפרטורה: בדומה ליציקות לחץ, היכולת ליצור צלעות תלת-ממדיות ותעלות קירור ולהכניס שיפורים בפרטים גיאומטריים כגון עובי הצלע, זוויות ההיצרות והסגסוגות בעלות המוליכות התרמית הגבוהה צפויים לאפשר אופטימיזציה של מסלול הזרימה עבור טמפרטורה אחידה יותר.
נפח ייצור גבוה יותר: בדומה ליציקת לחץ, התהליך צריך להתאים לייצור בקנה מידה גדול יותר, כולל החדרת תוספים מוכנים מנחושת, פלדת אל-חלד או מתכות אחרות לשם פיזור החום, או החדרת תוספים מתוברגים או מתאמים לחיבור נוזלים.
אמינות מלאה: חלקים המיוצרים מסגסוגות Al 6XXX ניתנים בקלות להלחמה מסוג CAB או הלחמת ואקום, ליצירת משטח קירור אטום לחלוטין. באותו התהליך ניתן יהיה להלחים גם מחברי נוזלים מפלדת אל-חלד או מטיטניום, אם הללו לא הוכנסו מבעוד מועד במהלך תהליך העיצוב בשיטת HDDC. השילוב של מבנה הגרעיני, הקירות חסרי הנקבובויות, והמבנה המולחם צריכים להבטיח העדר נזילות, חוזק מכאני הרבה יותר גבוה ועמידות בלחצים גבוהים.
מחיר תחרותי: מאחר והם נהנים מחלק מהתכונות החיוביות של יציקות הלחץ, משטחי קירור המיוצרים בשיטת HDDC צפויים להיות תחרותיים מבחינת מחירם, בהנחה וניתן יהיה להגיע לתפוקות התהליך הנדרשות.

3. ביצועים תרמיים
האיורים להלן מציגים את ההבדלים בין הביצועים התרמיים של גוף קירור המקורר באוויר ומשטח קירור המקורר בנוזלים בתהליך יציקת לחץ מסורתי ובתהליך יציקת הלחץ בצפיפות גבוהה (HDDC). פיזור החום "Q" של מקור החום הוא 100 W עבור גוף קירור מקורר אוויר
ו-1000 W עבור גוף קירור מקורר בנוזלים. טמפרטורת הקירור בכניסה היא Tin = 30°C בכל המקרים. ספיקת האוויר היא 230 m3/h והנוזל במשטח הקירור המקורר בנוזל הוא מים, הזורמים בספיקה של 10 ליטר לדקה. הסימולציות המתוארות לעיל מראות כי משטחי קירור בנוזל המיוצרים בשיטת HDDC המיוצרים מסגסוגות בעלות מוליכות תרמית גבוהה יותר עשויות לאפשר צמצום משמעותי (35% בדוגמה לעיל) בהתנגדות התרמית בהשוואה לגופי קירור אחרים המיוצרים ביציקת לחץ.

4. מערכת הקירור בנוזל
במקביל להמשך השיפור במשטחי הקירור בנוזל ובהמשך לתמיכה ביישום הנרחב של הטכנולוגיה ללא סיכונים מצד היבטים בלתי ידועים, Aavid מפתחת מערכת מודולרית לקירור בנוזלים המשלבת את כל הרכיבים הנדרשים לקירור בנוזל: משאבה, מחליף חום, מניפה, מעטה, משטחי קירור בנוזל, צינורות, מיכל, מחברים, חיישנים, מערכת ניטור ובקרה, התראות. אנו מצפים ש HDDC תהפוך להיות אחת הטכנולוגיות העיקריות המבטיחות את אמינותה של מערכת הקירור כולה.

5. מסקנות
פיתוחם של גופי קירור המיוצרים בשיטת יציקת הלחץ בצפיפות גבוהה צפוי לטמון בחובו מספר יתרונות חשובים ביחס למקביליהם המיוצרים בעיבוד שבבי, ביציקת לחץ ובאקסטרוזיה. הביצועים התרמיים המשופרים, בשילוב היכולת להרחיב את תצורות הצלעות, עוביין וצורות גוף הקירור, מהווים יתרונות ייחודיים – למשל: צלעות פינים, צלעות מוטות או אליפטיות וכד', ומערכי צלעות רדיאליים. רבים ממאפיינים אלה לא ניתן לקבל באקסטרוזיה או בטכנולוגיות יציקת לחץ סטנדרטיות. יתר על כן, התהליך יאפשר ליצור צלעות לפיזור חום על מארזי אלקטרוניקה עם קירות דקים יותר וחללים עם פרטים מורכבים ומסה נמוכה. תהליך ה-HDDC צפוי לאפשר לקבל מוצרים עם תכונות מכאניות משופרות, מבנה נטול נקבוביות ועם ביצועים תרמיים משופרים. השימוש בסגסוגות חשילות יאפשר להלחים ולרתך את החלקים ליצירת מכלולים מורכבים יותר הן לקירור אוויר והן לקירור בנוזלים.
7. מילון
DC: יציקת לחץ מסורתית
HDDC: יציקת לחץ בצפיפות גבוהה
SSM: יציקת מתכת במיצוק חלקי
LCP: משטח קירור עם קירור בנוזל
LCS: מערכת קירור בנוזל
P: מפל לחץ הזורם דרך גוף הקירור
Q: קצב כניסת החום לגוף הקירור או למשטח הקירור (W)
Tin: טמפרטורת הכניסה של האוויר או הנוזל (°C)
Tmax: טמפרטורת פני השטח המקסימלית של גוף הקירור (°C)
Rth: ההתנגדות התרמית של גוף הקירור (Tmax-Tin)/Q (°C/W)
CAB: הלחמה בסביבת חנקן מבוקרת
הלחמה: תהליך חיבור של מתכות בו מתכת מילוי מחוממת מעל לנקודת ההתכה שלה ומפוזרת
בין שני חלקים מתאימים או יותר באמצעות פעולה קפילרית.

8. מקורות
1. NADCA Product Specification Standards for Die Castings, NADCA Publication #402, 7th Edition, 2009.
2. M. C. Flemings, R. G.Riek, and K. P.Young, “Rheocasting,” Materials Science & Engineering”, Vol. 25, pp. 103-117, 1976.
3. “Design of an Electronic Enclosure for Die casting Production,” Die Casting Development Council, Publication 9302/310, 1999 (accessed as “Application Brief No T010” at: http://www.cwmdiecast.com/resrce_briefs.cfm)
4. J. L. Jorstad, “Future Technology in Die Casting,” Die Casting Engineer, pp. 18-25, September 2006.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת אבנט ישראל

Share