Processo di produzione di piastre fredde a liquido estruse

Le piastre di raffreddamento a liquido estruse sono componenti integrati per la gestione termica, realizzati mediante processi di estrusione di leghe di alluminio. Queste piastre utilizzano fluidi di raffreddamento liquidi, come acqua, miscele di acqua e glicole o fluidi fluorurati, per ottenere un efficiente scambio termico.

La caratteristica principale di questa tecnologia di raffreddamento a liquido a piastra fredda è la formazione di canali di flusso interni, chiusi o multicavità, all'interno di un singolo profilo di alluminio estruso. Questa struttura offre bassa resistenza al flusso, elevata tolleranza alla pressione, design compatto e costi contenuti, il che la rende ampiamente utilizzata in dispositivi elettronici ad alta densità di potenza, pacchi batteria, sistemi di raffreddamento a liquido per server e dispositivi elettronici di potenza.

Comprendere il funzionamento delle piastre di raffreddamento a liquido è fondamentale: il calore viene condotto dalla sorgente di calore al corpo della piastra di raffreddamento, trasferito ai canali interni di flusso del liquido e quindi disperso per convezione forzata. Rispetto alle piastre di raffreddamento tubolari o a quelle brasate, i modelli estrusi offrono una maggiore integrità strutturale e un rischio ridotto di perdite.

caratteristiche tecniche principali

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during estrusione eliminate weld seams and reduce leakage risk compared to brazed or tubed structures.

• high thermal conductivity materials
  typically manufactured from 6061 or 6063 aluminum alloys with thermal conductivity ≥ 180 w/m·k. while copper cold plates offer higher conductivity, aluminum provides a superior balance of weight, cost, and corrosion resistance.

• customizable progettazione del canale di flussos
  supports parallel channels, serpentine channels, and multi-cavity configurations, enabling flexible liquid cold plate design.

• high pressure capability
  typical operating pressure: 0.5–1.5 mpa
  pressione di scoppio: ≥ 3,0 mpa

• lightweight structure
  20–40% lighter than cnc-machined or plate liquid cooling solutions.

• excellent superficie treatment compatibility
  suitable for anodizing, electroless nickel plating, and functional coatings.

scenari applicativi tipici

• sistemi di raffreddamento a piastra ad acqua per pacchi batteria di veicoli elettrici

• Piastre di raffreddamento per CPU/GPU di server per componenti elettronici

• sistemi di raffreddamento laser ad alta potenza

• Raffreddamento a piastra fredda dell'IGBT e del modulo di potenza

• sistema di accumulo di energia gestione termica

processo di produzione di piastre fredde liquide estruse

1. Fase di preparazione delle materie prime

Selezione di billette di alluminio → analisi della composizione chimica (spettrometro) → test delle proprietà meccaniche (durezza, resistenza alla trazione) → pre-lavorazione (taglio, lavorazione delle superfici terminali) → stoccaggio del materiale

• leghe di grado: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• Diametro del lingotto: φ100–φ300 mm

• accuratezza della pre-elaborazione:

• tolleranza di lunghezza: ±1 mm

• Perpendicolarità della superficie terminale: ≤ 0,1 mm

2. Fase di progettazione e produzione dello stampo

Progettazione del canale di flusso (ottimizzazione tramite simulazione termica CFD) → Progettazione della matrice di estrusione (fori, camera di saldatura, superficie di appoggio) → Selezione dell'acciaio della matrice (acciaio per utensili per lavorazioni a caldo H13) → Lavorazione di sgrossatura CNC → Trattamento termico (tempra + triplo rinvenimento) → Lavorazione di precisione (elettroerosione, taglio a filo) → Lucidatura (superficie di appoggio RA ≤ 0,4 μm) → Validazione dell'estrusione di prova

Questa fase determina direttamente la geometria interna e le prestazioni delle piastre di raffreddamento a liquido estruse, distinguendole dalle strutture di piastre di raffreddamento a liquido brasate che si basano su un incollaggio post-assemblaggio.

3. fase di estrusione

Preriscaldamento della billetta di alluminio (480–520 °C) → Preriscaldamento della matrice (450–480 °C) → Impostazione dei parametri di estrusione → Estrusione del profilo (velocità 1–5 m/min) → Tempra in linea (raffreddamento ad aria o a nebbia) → Tiratura e raddrizzatura → Taglio a lunghezza fissa → Trattamento di invecchiamento (condizione t5 / t6)

Il processo di estrusione consente di creare canali di flusso interni costanti che supportano prestazioni stabili di raffreddamento a liquido delle piastre.

4. Fase di lavorazione di precisione CNC

lavorazione della superficie di riferimento (impostazione del sistema di coordinate) → lavorazione della faccia terminale (apertura del canale di flusso) → lavorazione dell'interfaccia (porte di ingresso/uscita, fori di montaggio) → lavorazione della superficie di tenuta (planarità ≤ 0,05 mm) → sbavatura → controllo di pulizia

requisiti di lavorazione

• scanalature di tenuta sulla superficie terminale:

• tolleranza di larghezza ±0,02 mm

• tolleranza di profondità ±0,01 mm

• fori filettati:

• precisione 7 ore

• perpendicolarità ≤ 0,05 mm

• planarità della superficie di montaggio: ≤ 0,1 mm / 100 mm

• pulizia:

• particelle ≤ 100 pezzi/m²

• residuo di olio ≤ 10 mg/m²

5. Lavorazione e preparazione per la saldatura del tappo terminale

Selezione del materiale del tappo terminale (lega uguale o compatibile) → finitura CNC → finitura della superficie di tenuta (ra ≤ 1,6 μm) → lavorazione della scanalatura di saldatura → pulizia (pulizia a ultrasuoni) → posizionamento dell'assemblaggio (attrezzature dedicate)

parametri di progettazione del tappo terminale

• Spessore: 3–10 mm (in base ai requisiti di pressione)

• Metodi di sigillatura:

• guarnizione della scanalatura dell'o-ring

• guarnizione piatta

• saldatura completa sigillatura

• Opzioni di saldatura:

• saldatura per attrito (fsw)

• saldatura laser

• saldatura TIG

6. Fase di saldatura e sigillatura

Selezione del processo di saldatura → assemblaggio del dispositivo → impostazione dei parametri di saldatura → esecuzione automatizzata della saldatura → trattamento termico post-saldatura (distensione) → ispezione dell'aspetto della saldatura

Confronto dei processi di saldatura

• saldatura per attrito (fsw):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

• saldatura laser:
  small heat-affected zone, high precision, suitable for complex seams

• saldatura TIG:
  cost-effective, flexible, suitable for small-batch custom liquid cold plate production

7. prove di pressione e tenuta

• test di perdita di elio

• Prova di pressione idrostatica (1,5 volte la pressione di esercizio)

• Test di pressione di scoppio (≥ 3 volte la pressione di esercizio)

• Test di ciclo di pressione (100.000 cicli)

standard di prova

• Tasso di perdita: ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (elio)

• Mantenimento della pressione: 1,5 mpa × 5 min, caduta di pressione ≤ 0,01 mpa

• pressione di scoppio: ≥ 3,0 mpa

• Cicli di pressione: 0,2–1,0 MPa, 100.000 cicli senza perdite

8. Fase di trattamento superficiale (facoltativa)

pretrattamento (sgrassaggio, decapaggio) → anodizzazione (naturale/nera) → sigillatura → rivestimenti funzionali → cottura e polimerizzazione

opzioni di trattamento superficiale

• anodizzazione:

• spessore 10–15 μm

• rigidità dielettrica ≥ 500 V

• Nichelatura chimica:

• spessore 10–20 μm

• maggiore resistenza alla corrosione

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. processo di pulizia e asciugatura

Lavaggio con acqua deionizzata ad alta pressione → pulizia a ultrasuoni (con detergente neutro) → risciacquo a controcorrente a tre stadi → asciugatura ad aria calda (80–100 °C) → asciugatura sottovuoto (per applicazioni ad alta affidabilità) → riempimento con azoto per prevenire l'ossidazione

standard di pulizia

• dimensione delle particelle: ≤ 50 μm

• residuo non volatile: ≤ 10 mg/m²

• Contenuto di ioni cloruro: ≤ 1 ppm

• conduttività: ≤ 5 μs/cm

10. Montaggio accessori

Installazione della guarnizione (silicone / fkm / epdm) → Montaggio dei raccordi a innesto rapido → Installazione del sensore di temperatura (opzionale) → Installazione del sensore di pressione (opzionale) → Etichettatura (informazioni sul prodotto e direzione del flusso)

requisiti degli accessori

• Materiali di tenuta: EPDM, FKM, silicone (da -40 °C a 150 °C)

• Standard dei connettori: DIN, SAE, JIS, BSPP

• Precisione del sensore:

• temperatura ±0,5 °C

• pressione ±1% fs

11. Test delle prestazioni del prodotto finito

Test di resistenza termica (metodo standard con sorgente di calore) → Test di resistenza al flusso (curva flusso vs. caduta di pressione) → Test di uniformità del flusso (progettazioni multicanale) → Test di durabilità (cicli termici e di pressione) → Reispezione finale per perdite di elio (ispezione al 100%)

indicatori di prestazione

• resistenza termica: 0,01–0,05 °C/W (dipendente dal progetto e dalla portata)

• resistenza al flusso: ≤ 50 kPa a 10 l/min (tipica)

• Deviazione dell'uniformità del flusso: ≤ 10%

• Intervallo di temperatura di funzionamento: da -40 °C a 120 °C

12. Ispezione finale e confezionamento

Ispezione visiva → campionamento dimensionale (cmm) → preparazione della documentazione → imballaggio anticorrosione (vci) → imballaggio antiurto → etichettatura del cartone esterno

specifiche di imballaggio

• Protezione singola: sacchetto in PE + carta VCI

• Orientamento dell'imballaggio: posizionamento verticale

• Contenuto dell'etichetta: ID prodotto, data di produzione, direzione del flusso, contrassegno di fragilità

• Condizioni di conservazione: da -10 °C a 40 °C, ≤ 70% UR

13. documentazione e tracciabilità

certificato di conformità → certificati dei materiali → rapporti di prova delle prestazioni → registri di processo → etichette di tracciabilità (codice QR / codice a barre) → manuale di installazione e funzionamento

punti di controllo critici per la qualità (ctq)

capacità di processo e capacità produttiva

• Larghezza di estrusione: 30–300 mm

• altezza: 10–100 mm

• lunghezza: 500–6000 mm

• spessore minimo della parete:

• Spessore della parete del canale: 1,0 mm

• parete esterna: 1,5 mm

• rugosità superficiale:

• superficie estrusa: ra ≤ 3,2 μm

• superficie lavorata: ra ≤ 1,6 μm

linee guida di progettazione e migliori pratiche

progettazione del canale di flusso

• diametro idraulico: 4–8 mm

• rapporto d'aspetto: ≤ 10:1

• raggio di curvatura: ≥ 1,5× larghezza del canale

• design di ingresso/uscita a campana

• Alette interne opzionali per un migliore trasferimento di calore

progettazione strutturale

• spessore uniforme della parete

• nervature di rinforzo nei punti critici

• schema di montaggio senza stress

• margine di dilatazione termica

strategia di selezione dei materiali

• Applicazioni generali: 6063-t5

• applicazioni ad alte prestazioni: 6061-t6

• ambienti difficili: rivestimenti aggiuntivi

ottimizzazione dei costi

• sezioni trasversali standardizzate

• migliore utilizzo dei materiali

• lavorazione secondaria ridotta

• economie di scala nella produzione di massa

Grazie alla loro struttura estrusa monoblocco, al basso rischio di perdite, all'elevata affidabilità e all'eccellente rapporto costo-efficacia, le piastre di raffreddamento a liquido estruse svolgono un ruolo insostituibile nelle applicazioni di raffreddamento a piastra fredda ad alta densità di potenza. Con la continua crescita di settori come i veicoli elettrici, i data center, le comunicazioni 5G e le energie rinnovabili, le piastre di raffreddamento personalizzate e le soluzioni di raffreddamento a liquido personalizzate si evolveranno verso prestazioni superiori, peso ridotto e una gestione termica più intelligente, fornendo soluzioni robuste e scalabili per i sistemi di raffreddamento a liquido di nuova generazione.