Technologievorhaben
AutoHeat
Gesamtziel:
Autonome Entwicklung individueller Miniatur-Hochleistung-Wärmeübertrager
Partner:
Laufzeit: 01.11.2019 - 31.09.2020
Additiv hergestellte Wärmeübertrager
Additive Fertigungsverfahren gewinnen stetig an Bedeutung und stellen eine interessante Alternative zu konventionellen Fertigungstechnologien dar. Durch das schichtweise Hinzufügen von Material ist die materialsparende Herstellung komplexer Bauteile möglich.
Zu den komplexen Bauteilen zählen hierbei auch Wärmeübertragerstrukturen. Das geplante Vorhaben AGENT-3D_AutoHeat nutzt dabei direkt F&E-Ergebnisse aus dem AGENT-3D-Vorhaben FunGeoS, die im Rahmen des Teilvorhabens FunGeoS_Fluid für das Demonstrator-Teilprojekt „Miniatur- und Mikro-Wärmeübertrager“ erzielt wurden. Im FunGeoS wurden Wärmeübertragerstrukturen entwickelt, erforscht und verglichen. Ergebnis der Forschungsarbeiten waren hocheffiziente, nur additive herstellbare Strukturvarianten. Darüber hinaus wurden Konzepte zur Gestaltung der (makroskopischen) Anschlussgeometrie und dem strömungstechnisch günstigen geometrischen Übergang auf die (mikroskopische) Wärmeübertragerstruktur entwickelt und strömungstechnisch optimiert. Außerdem wurden Untersuchungen zur Skalierungsfähigkeit derartiger miniaturisierter Wärmeübertragersysteme gemacht und grundlegende Erkenntnisse unter besonderer Beachtung der Effizienzkriterien (Wärmeübertragungsleistung pro benötigtem Bauraum, Druckverlust) gewonnen.
Ziel
Der Bedarf an einer industriellen Umsetzung der Miniatur-Wärmeübertrager ergibt sich grundsätzlich aus den vielversprechenden Zwischenergebnissen des AGENT-3D FunGeoS-Projektes, die weit über die ursprünglich formulierten Ziele hinausgehen und eine Effizienzsteigerung gegenüber dem als Referenz herangezogenen ersten additiven Wärmeübertragerkonzept des Fraunhofer IWU hinausgehen (vgl. Abbildung 1).
Abbildung 1: In FunGeoS erzielte Ergebnisse der entwickelten Miniatur-Wärmeübertrager
Das grundlegende Projektziel von „AGENT-3D_AutoHeat“ besteht in der autonomen Erzeugung kleiner, hoch leistungsfähiger Wärmeübertrager für spezifische Anwendungsfälle und deren Anpassung an die individuellen Randbedingungen (verfügbarer Bauraum) und Anforderungen (erforderliche Wärmeübertragungsleistung) des jeweiligen Anwendungsfalles. Dabei soll der erforderliche Konstruktionsaufwand signifikant reduziert und auf ein Minimum beschränkt werden, indem ein skalierbares Modell (vgl. Abbildung 1) und eine hocheffektive Basisstruktur als Grundlage verwendet werden. Damit soll ein im Rahmen des FunGeoS-Projekts identifizierter Kostentreiber, der einer betriebswirtschaftlich sinnvollen Industrialisierung im Wege steht, überwunden werden.
Eine weitergehende Steigerung der Kosteneffizienz der additiven Fertigung von Miniaturwärmeübertragern ist jedoch erforderlich, um im Wettbewerb zu nach heutigem Stand der Technik vorhandene Lösungen zur Kühlung, Wärmeabfuhr und -übertragung für eine weitere Nutzung der Wärme (Platten-/Folienwärmeübertrager, Heatpipes) additiv gefertigte Miniatur-Wärmeübertrager erfolgreich industrialisieren zu können. Deshalb und um für die Wärmeübertrager die optimale Funktionalität zu generieren, ist innerhalb des AutoHeat-Projektes eine Integration und Implementation der Wärmeübertrager in ähnliche Systeme geplant. Insbesondere die Integration weiterer Funktionalitäten, wie Sensoren oder durch elektromechanische Bauteile, erlaubt die Erstellung kompakter problemlösungs-orientierter Bauteile.
Im Vorhaben wird eine Konstruktionssystematik entwickelt und validiert, mit deren Hilfe es gelingt, sowohl die Übergangs-geometrie der miniaturisierten Wärmeübertragerstruktur auf die makroskopische Kühlmedienanschlüsse als auch die Umlenkung der Wärmeübertragerstruktur zur Anpassung an vorhandene Bauräume und zur anforderungsgerechten Skalierung mit minimalen Platzbedarf und additiv zuverlässig herstellbar umzusetzen. Dabei werden auch mögliche spätere Wartungen, z.B. zur Reinigung bzw. zum Austausch möglicher Verschleißteile, berücksichtigt.
Außerdem soll eine Methodik entwickelt werden, mit deren Hilfe die bis an die Grenzen der additiven Herstellbarkeit miniaturisierten Strukturen in Ihrer Maßhaltigkeit und zuverlässigen additiven Herstellung zu überprüfen und dazu die Einflüsse unterschiedlicher für die Fertigung potentiell einsetzbarer additiver Fertigungsanlagen adäquat zu berücksichtigen. Diese Methodik soll eine einzelmaschinenspezifische Kalibrierung des Fertigungsprozesses erlauben, um miniaturisierte Wärmeübertrager-strukturen zuverlässig fertigen und die im Entwicklung- und Auslegungsprozess berechneten Leistungsparameter zuverlässig erreichen zu können.
Partner
Bei den Konsortialpartnern von „AGENT-3D_AutoHeat“ handelt es sich sowohl um Partner aus dem AGENT-3D_FunGeoS-Konsortium (Fraunhofer IWU) als auch um gezielt hinzuge-kommene Projektpartner, die eine konkrete Vermarktungsabsicht in unterschiedlichen An-wendungsfeldern haben, wie z. B. Brennstoffzellen (AVL List GmbH), Hochleistungs-Computing-Systemen (Cloud&Heat GmbH) sowie mobilen Klimatisierungslösungen im Arbeits- und Büroumfeld. Damit sind die für die Erreichung der Projektziele relevanten Glieder der Prozesskette durch Partner mit langjähriger Expertise auf dem Gebiet besetzt.