Optimerade aluminiumkomponenter allt viktigare för kylning på systemnivå

Aluminiumbaserade komponenter används ofta som kylflänsar och kapslingshus där vikt- och kostnadsoptimering kan uppnås genom att komponenterna uppfyller flera funktioner t.ex genom att kombinera kapsling mot den yttre miljön, värmeavledning, skärmning, ingå som del av produktens mekaniska konstruktion eller ha en direkt elektrisk funktion som i telekomfilter.

Vid konstruktion av en komponent är det många parametrar som skall passa ihop för att uppnå hög värmeledningsförmåga, hög hållfastighet och låg vikt. Materialets egenskaper bestäms av mikrostrukturen som i sin tur är en funktion av legering, tillverkningsteknik och processparametrar. I grunden behöver man att kontrollera materialets mikrostruktur samtidigt som tillverkningstekniken måste vara kostnadseffektiv för att vara relevant.

Ytterligare skall komponenten kunna tillföras en korrosionsskyddande ytbehandling lämplig för den givna applikationsmiljön utan att det påverkar de termiska egenskaper nämnvärdigt. Slutligen är det önskvärd att komponenten kan ingå i ett cirkulärt ekonomisystem genom att legeringen innehåller en hög andel av återvunnen aluminium samt att den själv kan återvinnas på ett smidigt sätt. I praktiken blir det alltid en viktad kompromiss mellan de ingående parametrar som bestämmer hur komponenter skall konstrueras.

Normalt är aluminiumlegeringar utvecklade för att tillfredsställa krav på antingen mekaniska eller elektriska/termiska egenskaper, men behovet styr utveckling mot samoptimering av båda dessa egenskaper. Detta illustreras till exempel vid att Tesla nyligen har patenterat en ny aluminiumlegering som uppfyller behovet för både hög hållfastighet och bra elektrisk ledningsförmåga – och därmed också bra termisk ledningsförmåga. Vidare har legeringen fördelen att komponenter kan tillverkas kostnadseffektivt och med högt utbyte genom pressgjutning.

Just i elfordon används aluminium för kapsling av komponenter i drivlinan, och speciellt batterilådan är en stor komponent som skall leva upp till många krav. Den skall ge batterierna ett effektivt skydd och samtidigt vara en säkerhetsbarriär för omgivningen. Ofta bidra lådan också till att ge karossen styvhet och ingår i den termiska designen runt batteriet. Batterilådans storlek på upp till ett par meter ställer krav på kostnadseffektiv tillverkning. Extruderade proifler är relativt billiga men har designbegränsningar som kräver en del efterbearbetning och sammanfogning. Vid pressgjutning kan två halvor tillverkas men det kräver kostbara formverktyg och en mycket stor pressgjutningsmaskin för att tillverka så stora komponenter.

Maskinens storlek beror bland annat på det sluttryck som krävs för att reducera porositet som uppkommer vi pressgjutning. Ett mer lämpligt och modernt alternativ kan vara att rheogjuta lådan. Vid rheogjutning innehåller smältan en suspension av partiklar av samma legering som smältan. Detta ger helt andra gjuttekniska egenskaper där lägre tryck behövs för att tillverka en porfri komponent. Därmed kan mindre mera vanligt förkommande pressgjutningsmaskiner användas. Vid rheogjutning har smältan tixotropa egenskaper som möjliggör att både gjuta till tunnare godstjocklek och öppnar för att designa för att minska komponentvikten och därigenom skapa mer hållbara produkter. Lägre porositet gör också att delar kan svetsas ihop med högre precision och kvalitet, vilket i sin tur kan göra det lämpligt att designa stora komponenter i moduler som inte kräver lika kostbara formverktyg. Modulerna skulle kunna sammanfogas till batterilådor av varierande storlek. Eventuellt kan komplexa rheogjutna moduler svetsas ihop med plåt eller extruderade delar. Rheogjutna aluminiumprodukter har i allmänhet en mindre miljöpåverkan pga lägre gjutningstemperatur och mindre efterbearbetningsbehov.

Rheogjutning har två ytterligare fördelar. Möjligheten att gjuta legeringar som vanligtvis inte anses vara gjutbara kan defacto gjutas. Att kunna gjuta legeringar med lägre kiselhalt förbättrar värmeledningen, som kan optimeras ytterligare vid noggrann kontroll av mikrostrukturen ev med efterföljande värmebehandling. En ytterligare nytta med rheogjutning är att en legering som rheogjuts leder värme bättre än en pressgjuten legering. Denna förbättring är typiskt 10-20% och kan för vissa tillämpningar ge samma eller bättre egenskaper i rheogjutet tillstånd som pressgjutet material skulle ge i värmebehandlat tillstånd.

Fördelarna kan likaväl nyttjas inom telekom där det bland annat vid utbyggnaden av 5G-nätet är energieffektivt att montera flter och förstärker i masterna nära antennen. Trots den stationära placeringen är låg vikt essentiell vid montering i mast. Inte minst fltrens komplexa konstruktion är då idealisk att tillverka med rheogjutning.

Inom belysningsteknik har skiftet till LED öppnat för helt nya designmöjligheter. Även om LED är effektsnålare än gammal teknik gör litenheten ändå att effekttätheten kan bli mycket hög med krav på värmeavledning och bra temperaturkontroll då både färgspektrum och livslängd påverkas av temperaturen. Dessa komponenter är ofta relativt små men tillverkas i stället i stor volym. Extruderade profler uppfyller som oftast de tekniska kraven men inte nödvändigtvis de estetiska designkraven för en lampa.

Rätt val av legering, tillverkningsteknik och processparametrar för aluminiumkomponenter till elektriska och elektrotekniska produkter leder till konstruktionsfördelar och besparingar som rent av kan blir en möjliggörare för produkten. Ytterligare designoptimering kan görs med moderna datormodellering som simulerar den lokala mikrostrukturen och därmed de mekaniska och termiska egenskaperna lokalt i komponenten som funktion av design och tillverkningsteknik. Detta har vist sig att ha betydelse vid designoptimering av gjutna kylfänsar. Genom att ha bättre koll på de lokala egenskaperna i komponenter kan man designa med mindre säkerhetsmarginal och spara material.

I en tid som präglas av global leveransosäkerhet pga handelskonfikter och pandemi är det glädjande att konstatera att teknikerna som beskrivs i den här texten är tillgängliga i Sverige och att både svenska leverantörer och forskare anses vara världsledande. Teknikstöd och utveckling är därför både nära och av hög kvalitet.

Författare