7 процессов производства радиаторов

В этой статье мы рассмотрим несколько процессов производства радиаторов — важнейших компонентов системы охлаждения, которые предотвращают перегорание горячих электронных компонентов, таких как процессор и видеокарта компьютера. Мы покажем вам, как инженеры обеспечивают идеальную работу этих кулеров.

Что такое радиатор?

Радиатор – это устройство, отводящее тепло от оборудования для поддержания его нормальной работы и применяемое к таким компонентам, как центральные и графические процессоры компьютеров. В зависимости от способа охлаждения радиаторы делятся на несколько типов: воздушное, жидкостное и с тепловыми трубками. Основными материалами являются медные и алюминиевые сплавы, а также, конечно же, неметаллические материалы, такие как графеновые термопластики и керамика. Рассеивание тепла достигается за счёт совместного эффекта теплопроводности, конвекции и излучения. Производственные процессы включают такие технологии, как экструзия алюминия и медно-алюминиевая сварка. Конструкция и изготовление рёбер напрямую влияют на эффективность рассеивания тепла.

Материалы радиатора

Основными материалами, используемыми для радиаторов, являются медные и алюминиевые сплавы.

• Медь: Теплопроводность меди составляет 380–420 Вт/мК, что значительно лучше, чем у алюминиевых сплавов (теплопроводность алюминиевых сплавов составляет от 150 до 250 Вт/мК). Она в основном используется в высокотехнологичных системах терморегулирования, где производительность имеет первостепенное значение, например, в вычислительных серверах ИИ, мощных радиочастотных устройствах, премиальной потребительской электронике и системах охлаждения графических процессоров/центральных процессоров.
• Алюминиевые сплавы: Алюминиевые радиаторы в основном используются в крупномасштабных экологических приложениях с относительно низкими требованиями к тепловому режиму, но высокими требованиями к структурной целостности и легкости, например, в энергосистемах, фотоэлектрических (солнечных) системах, автомобильных и базовых станциях связи.
• Неметаллические материалы: Также используются другие материалы, включая термопластики и керамику на основе графена (например, карбид кремния, нитрид бора).

В последнее время появились новые композиционные материалы на основе металлической матрицы, включая алюминий на основе графена, композиты алмаз/алюминий и композиты алмаз/медь.

• Алюминий на основе графена: этот материал получают путём модификации алюминия методом плавки. Он не только повышает теплопроводность алюминиевого сплава, но и сохраняет его превосходные структурные свойства и лёгкость. Теплопроводность современного алюминия на основе графена может достигать 300–350 Вт/м·К.
• Композитный материал из алмаза и алюминия: теоретическая теплопроводность алмаза достигает 2000 Вт/м·К. Модификация алюминия алмазом значительно повышает теплопроводность композита, достигая в настоящее время 500–600 Вт/м·К. Однако для достижения более высокой теплопроводности требуется большее содержание алмазов, что отрицательно влияет на структурные и технологические свойства алюминия, а высокая стоимость алмазов снижает общую экономическую эффективность продукта.
• Композитный материал на основе алмаза и меди: использование высокой теплопроводности алмаза для модификации меди значительно повышает её тепловые характеристики. В настоящее время композитные материалы на основе алмаза и меди могут достигать теплопроводности 600–1000 Вт/м·К в зависимости от содержания алмазного наполнителя.

7 процессов производства радиаторов

Существует несколько технологий изготовления радиаторов, в том числе:

1. Обработка с ЧПУ

CNC-обработка Это не отдельный процесс, а целая технологическая платформа. Цифровая 3D-модель, созданная дизайнером, преобразуется в машиночитаемые инструкции (обычно G-код) с помощью специализированного программного обеспечения. Система ЧПУ затем точно управляет двигателями и режущими инструментами, автоматически выполняя резку, резьбу, сверление и другие операции с такими материалами, как металл, пластик или дерево, создавая физическую деталь, идентичную цифровой модели.

К основным процессам обработки на станках с ЧПУ относятся фрезерование с ЧПУ (инструмент вращается, заготовка закреплена) и точение с ЧПУ (заготовка вращается, инструмент закреплен и перемещается). К другим процессам относятся сверление, шлифование и проволочная резка на станках с ЧПУ.

• Передовая обработка: многокоординатная обработка представляет собой высококлассное ЧПУ. 3-координатный станок является основой, обрабатывая только верхнюю и боковые поверхности детали и не способен обрабатывать сложные криволинейные поверхности или выточки. 5-координатный станок с осью A (вращение вокруг оси X) и осью C (вращение вокруг оси Z) позволяет инструменту приближаться к заготовке с любого направления, что позволяет обрабатывать детали высокой сложности (например, рабочие колеса, детали аэрокосмической промышленности) с исключительной точностью и эффективностью.
• Преимущества: ЧПУ обеспечивает чрезвычайно высокую точность и повторяемость, легко достигая микронных допусков и производя идентичные детали. ЧПУ обычно используется на этапе прототипирования радиаторов и для фрезерования основания литых или кованых радиаторов для обеспечения плоскостности по отношению к источнику тепла.
• Недостаток: поскольку это процесс «субтрактивного производства», при резке образуется определенное количество отходов материала.

2. Алюминиевая экструзия

В этом процессе алюминиевая заготовка нагревается до размягченного состояния (примерно на 400–500 °C ниже температуры плавления 660 °C). Под действием огромного гидравлического усилия (до тысяч тонн) размягченный алюминий продавливается через матрицу с определённой формой поперечного сечения (отверстие матрицы), в результате чего получается бесконечно длинный профиль, соответствующий сечению матрицы. Затем профиль нарезается на отрезки необходимой длины и подвергается последующей обработке (например, резке, фрезерованию с ЧПУ, нарезанию резьбы).

• Преимущества: Алюминиевый профиль Низкая стоимость и подходит для массового стандартизированного производства. Это самый распространённый на рынке процесс изготовления радиаторов, используемый для изготовления рёбер большинства маломощных процессорных воздушных кулеров и распространённых радиаторов с алюминиевым профилем.
• Ограничение: соотношение сторон (высота/толщина) ребер ограничено, что делает невозможным создание очень тонких и высоких ребер.

3. Литье под давлением

Умрите литье Алюминиевый сплав нагревается в печи до полного расплавления. Затем жидкий алюминий с высокой скоростью и высоким давлением впрыскивается с помощью дозирующего устройства в прецизионную двухкомпонентную стальную форму, где он быстро охлаждается и затвердевает.

• Преимущества: Его преимущество заключается в возможности цельного литья, позволяющего изготавливать радиаторы сложной формы и плотной конструкции, например, корпуса кулеров графических процессоров и высокоинтегрированные модули охлаждения чипов.
• Ограничение: процесс подвержен дефектам, таким как пористость и усадка, что приводит к несколько худшей теплопроводности.

4. Ковка

Ковка, аналогичная кузнечной ковке железа, представляет собой механизированный процесс, осуществляемый с помощью пресс-форм. Заготовка из алюминиевого сплава нагревается до температуры ковки (обычно ниже температуры плавления, но при этом достигается высокая пластичность) и помещается в нижнюю половину штампа. Верхняя половина штампа быстро смыкается под огромным давлением (от ковочной машины), ударяя или сжимая заготовку, заполняя всю полость пресс-формы, тем самым придавая ей желаемую форму и размер.

Преимущества: Поскольку процесс подразумевает пластическую деформацию, а не плавление, внутренние зерна металла текут и измельчаются вдоль направления деформации, образуя плотную структуру. Кованые детали, как правило, обладают более высокой механической прочностью и теплопроводностью по сравнению с литыми.

5. Штамповка

Штамповка — это процесс холодной обработки, при котором с помощью пробивного пресса и специальных штампов оказывается давление на металлические листы (обычно рулоны или заготовки), в результате чего они разделяются или пластически деформируются для достижения желаемой формы и размера.

Основные области применения в радиаторах:

Изготовление рёбер радиатора: это наиболее важная и распространённая область применения. Плотные рёбра большинства воздушных охладителей среднего и высокого класса изготавливаются методом штамповки. Штамповка позволяет оснащать рёбра различными функциональными элементами, такими как фиксаторы (для рёбер с защёлками), направляющие воздушного потока и отверстия для снижения веса, что невозможно при экструзии алюминия.

Изготовление конструктивных и вспомогательных деталей: сюда входят металлические кронштейны для крепления радиатора к процессору/материнской плате, основания пружинных винтов (часто изготавливаемые из высокопрочной или нержавеющей стали), зажимы для крепления вентилятора и декоративные крышки.

Преимущества: Штамповка обеспечивает чрезвычайно высокую эффективность производства. Современные высокоскоростные прессы способны производить сотни и даже тысячи высокостабильных деталей в минуту. После изготовления оснастки себестоимость одной детали очень низкая, что делает этот метод идеальным для массового производства.

Ограничения: Высокая стоимость проектирования и изготовления прецизионных штампов последовательного действия делает их пригодными только для крупносерийного производства. Этот процесс ограничен деталями из тонкого листового металла и не позволяет производить массивные, тяжёлые трёхмерные компоненты (например, основания радиаторов).

6. Резка проволоки

Услуги по резке проволоки, или электроэрозионная обработка проволокой (ЭЭО), использует в качестве электрода непрерывно движущуюся, чрезвычайно тонкую металлическую проволоку (обычно молибденовую или медную). Между проволокой и заготовкой возникает импульсный искровой разряд, создающий мгновенные высокие температуры, которые локально расплавляют и испаряют металл, обеспечивая резку.

Между электродной проволокой и заготовкой сохраняется небольшой разрядный зазор, что исключает прямой физический контакт. Это обеспечивает минимальные усилия резки, предотвращает деформацию заготовки и позволяет обрабатывать очень тонкие или легко деформируемые детали. Кроме того, резка возможна любым токопроводящим материалом, независимо от его твёрдости.

• Применение в радиаторах: наиболее распространённое и важное применение — инструментальное производство. Электроэрозионная электроэрозионная обработка (ЭЭО) — предпочтительный метод изготовления сложных, высокоточных вставок пуансонов и матриц в штампах прогрессивного типа, используемых для штамповки рёбер. Эти вставки изготавливаются из чрезвычайно твёрдой и износостойкой инструментальной стали (например, SKD11, DC53), которую традиционные механические методы обработки плохо обрабатывают, особенно при формировании острых углов и мелких зазоров.
• Ограничения: Скорость обработки ниже, чем у крупносерийных процессов, таких как штамповка или экструзия. Кроме того, наблюдается износ электродов, который более заметен при быстром движении проволоки, хотя при медленном движении проволоки этот износ компенсируется многорезными методами.

7. Скошенный плавник

Сковинг (или сковинг) — это специальный процесс резки для изготовления тонких металлических ребер. В отличие от штамповки (разделения материала) или экструзии (продавливания материала через матрицу), сковинг использует специальное лезвие для точной обработки неподвижной базовой пластины. В процессе резки лезвие подхватывает и сгибает удаляемый металл, формируя вертикальный ребро, а не срезает его на лом. Этот процесс имеет ряд преимуществ, в том числе:

Нулевое контактное тепловое сопротивление: ребра и основание «выращены» из цельного куска материала, образуя монолит. Это обеспечивает бесперебойную передачу тепла от основания к кончику ребра, исключая контактное тепловое сопротивление от механических соединений или сварки. Это основная причина превосходной эффективности радиаторов со скошенными ребрами.

Высокие, тонкие и плотные рёбра: регулируя параметры инструмента и процесса, можно получать рёбра с очень большим соотношением высоты к толщине. Например, можно легко создать плотный массив рёбер толщиной всего 0.2 мм и высотой более 20 мм, что недостижимо при экструзии алюминия. Минимальная толщина/зазор между рёбрами, как сообщается, составляет около 0.08 мм, хотя высота будет ограничена 2–3 мм.

Отличная прочность и жесткость конструкции: монолитная структура делает основание ребра очень прочным и менее подверженным деформации от вибрации или ударов, обеспечивая гораздо большую устойчивость, чем сборки «сквозное ребро» или «ребро с пряжкой».

Гибкость конструкции: на одном радиаторе можно разместить ребра разной высоты и с разным шагом, чтобы оптимизировать воздушный поток и тепловую эффективность, например, сделав ребра выше и плотнее над основным источником тепла.

Применение: Радиаторы со скошенными ребрами в основном используются в приложениях, требующих экстремальных тепловых характеристик и надежности, таких как мощные воздушные охладители чипов и микроканальные охлаждающие пластины в жидкостных охлаждающих головках.

Отделка поверхности радиатора

Необработанные металлические поверхности радиатора имеют шероховатую структуру, что затрудняет теплопередачу. Кроме того, оксидный слой действует как изолятор, а сам металл подвержен коррозии в агрессивных средах. Обработка поверхности решает эти проблемы.

анодирование

Анодирование Подходит для радиаторов из алюминия и алюминиевых сплавов. Обычно анодирование включает в себя подачу внешнего тока в среде серной кислоты для формирования оксидной пленки на поверхности радиатора. Это эффективно компенсирует недостатки поверхностной твердости и износостойкости алюминиевого сплава. В отличие от традиционного электростатического порошкового покрытия, анодирование не влияет на охлаждающий эффект радиатора, что делает его популярным среди производителей.

• Преимущества: Высокая твердость, износостойкость и коррозионная стойкость, хорошая изоляция (напряжение пробоя более 200 В), доступна в различных цветах (обычно черный). Процесс отработан, стабилен и позволяет контролировать затраты.
• Недостатки: оксидный слой создаёт некоторое тепловое сопротивление, что несколько ухудшает теплоотдачу (хотя общие характеристики превосходны). Цвет преимущественно чёрный, другие цвета могут иметь несколько худший эффект.
• Применение: основной выбор для радиаторов и оснований кулеров ЦП/ГП.

гальванопокрытие

гальванопокрытие Нанесение тонкого слоя другого металла или сплава на металлическую поверхность радиатора предотвращает окисление поверхности и повышает износостойкость, электропроводность, отражательную способность, коррозионную стойкость и эстетичность. Это экономичный и научно обоснованный подход к созданию защитной и декоративной поверхности.

• Никелирование: обеспечивает отличную коррозионную стойкость и серебристо-белый текстурированный вид. Обычно используется для защиты медных оснований и разъёмов. Покрытие равномерное, подходит для сложных форм, но слишком толстый слой может снизить теплопроводность (теплопроводность никеля составляет 90 Вт/м·К).
• Хромирование: обеспечивает высокую твёрдость и высокую отражательную способность (благоприятно влияет на тепловое излучение). Придаёт поверхности блестящий вид, часто используется для декоративных деталей.
• Серебряное покрытие: теоретически обеспечивает исключительную теплопроводность 429 Вт/м·К, близкую к 398 Вт/м·К чистой меди, но стоимость высокая. Используется в основном в высокопроизводительных или специализированных приложениях, таких как аэрокосмическая промышленность и радиочастотные устройства.

Микродуговое оксидирование

Микродуговое оксидирование Это усовершенствованный метод анодирования, позволяющий сформировать высококачественное покрытие. Благодаря согласованию параметров электролита и электрических характеристик, дуговой разряд мгновенно создает высокие температуры и давления, формируя модифицированное керамическое покрытие на поверхности вентильных металлов (таких как алюминий, магний, титан) и их сплавов. Это покрытие состоит в основном из оксида основного металла с добавлением компонентов электролита, а его антикоррозионные и износостойкие свойства значительно превосходят свойства обычных материалов. традиционное анодирование.

• Преимущества: Чрезвычайно высокая твёрдость (приближающаяся к керамике), высочайшая износостойкость и коррозионная стойкость, хорошая изоляция и прочное соединение плёнки с подложкой. Покрытие позволяет значительно повысить излучательную способность поверхности алюминиевых сплавов.
• Недостатки: Высокая стоимость. Пленка относительно толстая, поэтому её теплопроводность ниже, чем у анодирования, что отрицательно сказывается на эффективности охлаждения. Цвет обычно серо-белый или тёмно-серый.
• Применение: Часто используется в особых термических условиях с чрезвычайно высокими требованиями к износостойкости и коррозионной стойкости, например, в качестве радиаторов в некоторых военных, аэрокосмических или суровых промышленных условиях.

Как Getzshape может помочь?

Getzshape — ваш незаменимый партнер в производстве радиаторов из алюминия, меди и других современных материалов. Благодаря нашей сертифицированной сети и собственному производственному цеху, Getzshape может выполнять обработку на станках с ЧПУ, услуги литья под давлениемЭлектроэрозионная обработка проволокой необходима для изготовления высокоэффективных радиаторов, обеспечивая соответствие конечных деталей требованиям, необходимым для достижения эффективности теплоотдачи следующего поколения.