Herstellungsverfahren für extrudierte Flüssigkeitskühlplatten

Extrudierte Flüssigkeitskühlplatten sind integrierte Wärmemanagementkomponenten, die durch Strangpressverfahren aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Diese Flüssigkeitskühlplatten nutzen flüssige Kühlmedien – wie Wasser, Wasser-Glykol-Gemische oder fluorierte Flüssigkeiten –, um einen effizienten Wärmeaustausch zu erzielen.

Das Kernmerkmal dieser Kühlplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie ist die Ausbildung geschlossener oder mehrkammeriger interner Strömungskanäle innerhalb eines einzigen stranggepressten Aluminiumprofils. Diese Struktur bietet geringen Strömungswiderstand, hohe Druckbeständigkeit, kompakte Bauweise und kontrollierte Kosten und findet daher breite Anwendung in Hochleistungselektronik, Akkus, Server-Flüssigkeitskühlung und Leistungselektronik.

Das Verständnis der Funktionsweise von Flüssigkeitskühlplatten ist entscheidend: Wärme wird von der Wärmequelle in den Kühlplattenkörper geleitet, an die internen Flüssigkeitskanäle abgegeben und anschließend durch erzwungene Konvektion abgeführt. Im Vergleich zu rohrförmigen oder gelöteten Flüssigkeitskühlplatten bieten extrudierte Konstruktionen eine höhere strukturelle Integrität und ein geringeres Leckagerisiko.

Kerntechnische Merkmale

• one-piece extruded flow channels
  seamless internal channels formed during Extrusion 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 Strömungskanaldesigns
  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
  Berstdruck: ≥ 3,0 MPa

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

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

typische Anwendungsszenarien

• Wasserkühlungssysteme für Akkus von Elektrofahrzeugen

• Server-CPU-/GPU-Kühlplatten für Elektronik

• Hochleistungslaser-Kühlsysteme

• Kühlung von IGBT und Leistungsmodul-Kühlplatte

• Thermisches Management des Energiespeichersystems

Herstellungsprozess für extrudierte Flüssigkeitskühlplatten

1. Rohmaterialvorbereitungsphase

Auswahl der Aluminiumbarren → Analyse der chemischen Zusammensetzung (Spektrometer) → Prüfung der mechanischen Eigenschaften (Härte, Zugfestigkeit) → Vorbearbeitung (Schneiden, Stirnflächenbearbeitung) → Materiallagerung

• Legierungssorten: 6061-t5 / t6, 6063-t5

• Rohlingsdurchmesser: φ100–φ300 mm

• Genauigkeit der Vorverarbeitung:

• Längentoleranz: ±1 mm

• Rechtwinkligkeit der Stirnfläche: ≤ 0,1 mm

2. Werkzeugkonstruktions- und Fertigungsphase

Strömungskanaldesign (CFD-Thermosimulationsoptimierung) → Extrusionswerkzeugdesign (Anschlusslöcher, Schweißkammer, Lagerfläche) → Werkzeugstahlauswahl (H13 Warmarbeitsstahl) → CNC-Schruppen → Wärmebehandlung (Abschrecken + dreifaches Anlassen) → Präzisionsbearbeitung (Erodieren, Drahterodieren) → Polieren (Lagerflächenrauheit Ra ≤ 0,4 μm) → Validierung der Extrusionsprobe

Diese Phase bestimmt unmittelbar die innere Geometrie und Leistungsfähigkeit extrudierter Flüssigkeitskühlplatten und unterscheidet sie von gelöteten Flüssigkeitskühlplattenstrukturen, die auf einer nachträglichen Verklebung beruhen.

3. Extrusionsformungsphase

Aluminium-Rohling-Vorwärmung (480–520 °C) → Werkzeugvorwärmung (450–480 °C) → Extrusionsparameter einstellen → ProfilExtrusion (Geschwindigkeit 1–5 m/min) → Online-Abschreckung (Luft- oder Nebelkühlung) → Ziehen und Richten → Ablängen → Aushärtungsbehandlung (Zustand t5 / t6)

Das Extrusionsverfahren ermöglicht gleichmäßige interne Strömungskanäle, die eine stabile Plattenflüssigkeitskühlung gewährleisten.

4. CNC-Präzisionsbearbeitungsstufe

Bearbeitung der Bezugsfläche (Einstellung des Koordinatensystems) → Stirnflächenbearbeitung (Öffnung des Strömungskanals) → Schnittstellenbearbeitung (Einlass-/Auslassöffnungen, Befestigungslöcher) → Bearbeitung der Dichtfläche (Ebenheit ≤ 0,05 mm) → Entgraten → Sauberkeitsprüfung

Bearbeitungsanforderungen

• Stirnflächen-Dichtungsnuten:

• Breitentoleranz ±0,02 mm

• Tiefentoleranz ±0,01 mm

• Gewindelöcher:

• Genauigkeit 7h

• Rechtwinkligkeit ≤ 0,05 mm

• Ebenheit der Montagefläche: ≤ 0,1 mm / 100 mm

• Sauberkeit:

• Partikel ≤ 100 Stück/m²

• Ölrückstand ≤ 10 mg/m²

5. Bearbeitung und Schweißvorbereitung der Endkappen

Auswahl des Endkappenmaterials (gleiche oder kompatible Legierung) → CNC-Bearbeitung → Oberflächenbearbeitung der Dichtfläche (Ra ≤ 1,6 μm) → Bearbeitung der Schweißnaht → Reinigung (Ultraschallreinigung) → Montagepositionierung (spezielle Vorrichtungen)

Auslegungsparameter der Endkappe

• Dicke: 3–10 mm (abhängig von den Druckanforderungen)

• VersiegelungsVerfahrenen:

• O-Ring-Nutabdichtung

• Flachdichtung

• vollständige Schweißabdichtung

• Schweißoptionen:

• Reibrührschweißen (FSW)

• Laserschweißen

• WIG-Schweißen

6. Schweiß- und Dichtungsphase

Auswahl des Schweißverfahrens → Vorrichtungsmontage → Einstellung der Schweißparameter → automatisierte Schweißausführung → Wärmebehandlung nach dem Schweißen (Spannungsarmglühen) → Prüfung der Schweißnahtoberfläche

Vergleich der Schweißprozesse

• Reibrührschweißen (FSW):
  no filler material, high joint strength, ideal for long straight seams

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

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

7. Druck- und Dichtheitsprüfungen

• Heliumleckprüfung

• hydrostatische Druckprüfung (1,5-facher Betriebsdruck)

• Berstdruckprüfung (≥ 3× Betriebsdruck)

• Druckzyklusprüfung (100.000 Zyklen)

Prüfstandards

• Leckrate: ≤ 1×10⁻⁷ mbar·l/s (Helium)

• Druckhaltung: 1,5 MPa × 5 min, Druckabfall ≤ 0,01 MPa

• Berstdruck: ≥ 3,0 MPa

• Druckwechselprüfung: 0,2–1,0 MPa, 100.000 Zyklen ohne Leckage.

8. Oberflächenbehandlungsschritt (optional)

Vorbehandlung (Entfetten, Beizen) → Anodisieren (naturfarben/schwarz) → Versiegeln → Funktionsbeschichtungen → Einbrennen und Aushärten

Oberflächenbehandlungsoptionen

• Anodisieren:

• Dicke 10–15 μm

• Durchschlagsfestigkeit ≥ 500 V

• stromlose Vernickelung:

• Dicke 10–20 μm

• verbesserte Korrosionsbeständigkeit

• ptfe coating:
  improved chemical resistance

• insulating coatings:
  for electrical isolation requirements

9. Reinigungs- und Trocknungsprozess

Hochdruckspülung mit deionisiertem Wasser → Ultraschallreinigung (neutrales Reinigungsmittel) → dreistufige Gegenstromspülung → Heißlufttrocknung (80–100 °C) → Vakuumtrocknung (für Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen) → Stickstofffüllung zur Oxidationsverhinderung

Sauberkeitsstandards

• Partikelgröße: ≤ 50 μm

• nichtflüchtiger Rückstand: ≤ 10 mg/m²

• Chloridionengehalt: ≤ 1 ppm

• Leitfähigkeit: ≤ 5 μS/cm

10. Zubehörmontage

Dichtungseinbau (Silikon / FKM / EPDM) → Schnellkupplungsmontage → Temperatursensoreinbau (optional) → Drucksensoreinbau (optional) → Kennzeichnung (Produktinformationen und Durchflussrichtung)

Zubehörbedarf

• Dichtungsmaterialien: EPDM, FKM, Silikon (−40 °C bis 150 °C)

• Steckverbinderstandards: DIN, SAE, JIS, BSPP

• Sensorgenauigkeit:

• Temperatur ±0,5°C

• Druck ±1% fs

11. Leistungsprüfung des fertigen Produkts

Thermische Widerstandsprüfung (Standard-WärmequellenVerfahrene) → Strömungswiderstandsprüfung (Durchfluss-Druckabfall-Kurve) → Prüfung der Strömungsgleichmäßigkeit (Mehrkanal-Designs) → Dauerhaftigkeitsprüfung (thermische und Druckzyklen) → abschließende Helium-Leckageprüfung (100%-Prüfung)

Leistungsindikatoren

• Wärmewiderstand: 0,01–0,05 °C/W (auslegungs- und strömungsabhängig)

• Strömungswiderstand: ≤ 50 kPa bei 10 l/min (typisch)

• Abweichung der Fließgleichmäßigkeit: ≤ 10 %

• Betriebstemperaturbereich: −40 °C bis 120 °C

12. Endkontrolle und Verpackung

Sichtprüfung → Dimensionsprüfung (CMM) → Dokumentationserstellung → Korrosionsschutzverpackung (VCI) → Stoßfeste Verpackung → Etikettierung des Umkartons

Verpackungsspezifikationen

• Einzelverpackung: PE-Beutel + VCI-Papier

• Verpackungsausrichtung: vertikale Platzierung

• Etiketteninhalt: Produkt-ID, Produktionsdatum, Fließrichtung, Hinweis auf zerbrechliche Beschaffenheit

• Lagerbedingungen: −10 °C bis 40 °C, ≤ 70 % relative Luftfeuchtigkeit

13. Dokumentation und Rückverfolgbarkeit

Konformitätsbescheinigung → Materialzertifikate → Leistungsprüfberichte → Prozessaufzeichnungen → Rückverfolgbarkeitsetiketten (QR-Code/Barcode) → Installations- und Bedienungsanleitung

Qualitätskritische Kontrollpunkte (ctq)

Prozessfähigkeit und Produktionskapazität

• Extrusionsbreite: 30–300 mm

• Höhe: 10–100 mm

• Länge: 500–6000 mm

• Mindestwandstärke:

• Kanalwandstärke: 1,0 mm

• Außenwandstärke: 1,5 mm

• Oberflächenrauheit:

• extrudierte Oberfläche: ra ≤ 3,2 μm

• bearbeitete Oberfläche: ra ≤ 1,6 μm

Designrichtlinien und bewährte Verfahren

Strömungskanaldesign

• hydraulischer Durchmesser: 4–8 mm

• Seitenverhältnis: ≤ 10:1

• Biegeradius: ≥ 1,5 × Kanalbreite

• trichterförmiges Einlass-/Auslassdesign

• optionale interne Kühlrippen für verbesserte Wärmeübertragung

Tragwerksplanung

• gleichmäßige Wandstärke

• Verstärkungsrippen an kritischen Stellen

• stressfreies Montagelayout

• Wärmeausdehnungszugabe

Strategie zur Materialauswahl

• Allgemeine Anwendungen: 6063-t5

• Hochleistungsanwendungen: 6061-t6

• raue Umgebungen: zusätzliche Beschichtungen

Kostenoptimierung

• standardisierte Querschnitte

• verbesserte Materialnutzung

• reduzierte Sekundärbearbeitung

• Skaleneffekte in der Massenproduktion

Dank ihrer einteiligen, extrudierten Struktur, des geringen Leckagerisikos, der hohen Zuverlässigkeit und der hervorragenden Kosteneffizienz spielen extrudierte Flüssigkeitskühlplatten eine unverzichtbare Rolle in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte. Da Branchen wie Elektrofahrzeuge, Rechenzentren, 5G-Kommunikation und erneuerbare Energien weiter wachsen, werden sich kundenspezifische Kühlplatten und Flüssigkeitskühlplattenlösungen in Richtung höherer Leistung, geringerem Gewicht und intelligenterem Wärmemanagement weiterentwickeln – und so robuste und skalierbare Lösungen für Flüssigkeitskühlsysteme der nächsten Generation bieten.