Additive manufacturing components for thermal management using reactive materials

Abstract

Para além das boas propriedades térmicas, o fabrico aditivo metálico permite uma grande liberdade geométrica na conceção de componentes para gestão térmica. Assim, o principal objetivo deste projeto doutoral é o estudo de componentes para gestão térmica produzidos por fusão de pó, com materiais reativos e termicamente condutores, como o alumínio, respondendo à pergunta de investigação “Em que medida o fabrico aditivo contribui para melhorar o desempenho de componentes para gestão térmica?”. Inicialmente, como o principal objetivo inclui obter peças conforme a custos mais baixos, é abordado o tópico do fabrico híbrido, que combina tecnologias aditivas e subtrativas. Para tal, são testados provetes produzidos por fabrico aditivo com a liga de alumínio AlSi10Mg, por maquinação convencional com a liga de alumínio AW-6082 e por fabrico híbrido, combinando ambos os materiais. Nas amostras com AlSi10Mg, é descrita a influência do tratamento térmico de alívio de tensões, recomendado pelo fornecedor. Em cada caso, as propriedades físicas, mecânicas e térmicas são avaliadas para corroborar a eventual perda de propriedades causada pelo fabrico híbrido. De seguida, aplicam-se os dados e conhecimentos obtidos no desenvolvimento de dissipadores de calor ativos, através de simulações numéricas, considerando diferentes tipos de arrefecimento. Os melhores dissipadores de calor foram validados experimentalmente num sistema de teste, de modo a validar o acordo numérico-experimental. No final, numa estratégia de investigação-ação, foi otimizado um dissipador de calor real, que é parte de um computador central automóvel, de modo a reduzir a sua massa e as emissões de calor. No final, todo o conhecimento previamente adquirido, é aplicado na conceção de insertos moldantes com canais de arrefecimento conformados. Considerando a melhor geometria de canais, produziram-se os insertos moldantes em AlSi10Mg (posteriormente concluídos via maquinação) para avaliar experimentalmente o seu desempenho na injeção de peças amorfas e semi-cristalinas. No final, considerando a abordagem híbrida estudada ao longo deste trabalho, o melhor de ambos os métodos de fabrico pode ser combinado, para uma produção mais rápida e com menos desperdício de material.

Besides the good thermal properties, metallic additive manufacturing (AM) allows a great geometric freedom in the design of components for thermal management. Thus, the main goal of this philosophy doctor (PhD) thesis is the study of components for thermal management produced by powder bed fusion (PBF), with reactive materials, such as aluminium, answering the research question " How much additive manufacturing contributes to improve the performance of thermal management components?". First, as the main goal includes obtaining compliant parts at lower costs, the topic of hybrid manufacturing (HM), which combines additive and subtractive technologies, is addressed. For this purpose, specimens produced by AM with AlSi10Mg aluminium alloy, by conventional machining with AW-6082 aluminium alloy and by HM, combining both materials, are tested. In the samples with AlSi10Mg, the influence of the stress relief heat treatment, recommended by the supplier, is described. In each case, physical, mechanical and thermal properties are evaluated to corroborate the eventual loss of properties caused by HM. Next, the data and knowledge obtained are applied to the development of active heat sinks (HS), through numerical simulations, considering different types of cooling. The best HS were experimentally validated using an apparatus, in order to validate the numerical-experimental agreement. At the end, in an action-research strategy, a real HS, which is part of an automotive central computer, was optimised in order to reduce its mass and heat emissions to air. At the end, all the knowledge previously acquired is applied to design moulding inserts with conformal cooling channels (CCC). Considering the best channel geometry, AlSi10Mg moulding inserts were produced (later finished via machining) to experimentally evaluate their performance in the injection moulding (IM) of amorphous and semi-crystalline parts. In the end, considering the hybrid approach studied throughout this work, the best of both manufacturing methods can be combined, for faster production and with less material waste.