Případová studie: Návrh a realizace chladiče s konformním chlazením (LPBF)

Abstract

Diplomová práce se zabývá inovativním přístupem k návrhu chladiče s konformním chlazením určeného pro aditivní výrobu technologií LPBF (Laser Power Bed Fusion). V práci je popsán proces od počátečního CAD (Computer Aided Design) návrhu až po generování složitých mřížkových struktur (Lattices) pomocí implicitního modelování v prostředí nTop (software nTopology). Vnitřní objem kanálku je vyplněn optimalizovanými TPMS (Triply Periodic Minimal Surfaces) buňkami (Gyroid a Diamond), které jsou plynule orientovány podél dráhy proudění, čímž se minimalizují tlakové ztráty. Práce zahrnuje numerickou CFD (Computational Fluid Dynamics) simulaci chování chladicího média, jejíž výsledky prokazují rozdíly v hydraulickém odporu obou struktur. Hlavním přínosem práce je ověření, že tyto složité vnitřní struktury lze efektivně využít pro zvýšení výkonu chladicích systémů. Praktickým výstupem jsou digitální podklady připravené přímo pro výrobu a funkční vzorek chladiče vytištěný z lehké hliníkové slitiny, který potvrzuje reálnou proveditelnost celého konceptu.

The Master's thesis is dealing with an innovative approach to the design of a conformal cooling heat sink intended for LPBF additive manufacturing. The thesis describes the process from initial CAD design to the generation of complex lattice structures using implicit modeling in the nTop environment. The internal volume of the channel is filled with optimized TPMS cells (Gyroid and Diamond), which are smoothly oriented along the flow path to minimize pressure losses. The thesis includes a numerical CFD simulation of the cooling medium's behavior, the results of which demonstrate differences in the hydraulic resistance of both structures. The primary contribution of this work lies in validating that such complex internal structures can be effectively utilized to improve cooling system efficiency. Practical outcomes include manufacturing-ready digital files and a functional heat exchanger prototype 3D-printed from a lightweight aluminum alloy, demonstrating the practical viability of the overall concept.