Fabricación de disipadores de calor ventilados de acero

Un disipador térmico es un componente que se utiliza para la gestión térmica. Evita que los componentes de una máquina que generan calor se sobrecalienten. Los disipadores térmicos de alto rendimiento pueden fabricarse con cobre, aluminio y acero.

El mecanizado de disipadores térmicos de acero ventilados consiste en perforar la chapa de acero para permitir el paso del aire a través del metal, mejorando así la transferencia de calor por convección. Los disipadores térmicos de acero inoxidable se utilizan principalmente en entornos exigentes, entre los que se incluyen:

• Entornos con altas temperaturas – El acero inoxidable soporta mejor las altas temperaturas que el aluminio sin que ello afecte a su integridad estructural.
• Entornos con materiales corrosivos – Cuando las sustancias químicas o la humedad del entorno pueden dañar el aluminio, se puede utilizar el acero inoxidable como alternativa.
• Electrónica de potencia industrial – El disipador térmico de acero inoxidable se utiliza en aplicaciones de alta potencia, como módulos DC-DC, controladores de motores y soldadoras eléctricas, que se calientan mucho durante su funcionamiento.
• Función estructural – El disipador de calor de acero inoxidable también puede desempeñar una doble función: la de refrigerar y la de actuar como componente estructural de la carcasa.

Requisitos del cliente

Un fabricante de disipadores térmicos se puso en contacto con First Mold para solicitar la creación de prototipos rápidos de disipadores térmicos. El cliente aclaró que el material para el proyecto era el acero, ya que, además de la función de refrigeración, debía desempeñar un papel estructural.

Durante la primera reunión para revisar el anteproyecto, el cliente explicó que la tolerancia en la fabricación de prototipos del disipador térmico no debía superar los 0,01 mm. Según ellos, el proyecto estaba destinado a una aplicación de alto rendimiento.

“La alta tolerancia es necesaria para lograr la máxima eficiencia térmica, un rendimiento constante entre lotes y un montaje estructural fiable”, explicó el cliente.

Tras las conversaciones, el director de proyectos de First Mold, Bowen Huang, acompañó al cliente en un recorrido por la fábrica para mostrarle parte de la maquinaria de última generación, lo que le permitió convencerlo de la capacidad de First Mold para gestionar el proyecto de forma eficaz.

“Contamos con algunas de las máquinas CNC de 5 ejes más avanzadas del sector para la creación rápida de prototipos”, afirmó Huang. “Nuestro equipo de ingenieros cuenta con más de cien años de experiencia acumulada en mecanizado CNC. Siempre es un placer asumir proyectos que nos permiten poner de manifiesto nuestra amplia experiencia”.”

Retos y soluciones

El mecanizado de disipadores térmicos de acero plantea retos específicos, principalmente debido a las características del material. El acero tiene una baja conductividad térmica y un alto índice de endurecimiento por deformación, lo que dificulta su mecanizado. Algunos de los principales retos que plantea la fabricación de disipadores térmicos de acero son:

• Desgaste excesivo de la herramienta: El acero es abrasivo y duro, lo que acelera el desgaste de las herramientas. Un desgaste excesivo de las herramientas aumentará su coste y el tiempo de inactividad entre cada cambio de herramienta. Esto puede alargar el tiempo de mecanizado.
• Las vibraciones pueden afectar a la estabilidad estructural: La elevada fuerza de corte puede provocar vibraciones, lo que a su vez puede dar lugar a la deformación de estructuras finas y delicadas y a un acabado superficial deficiente.
• Deformación debida a una elevada tensión térmica: El acero retiene el calor en lugar de disiparlo durante el corte. Si no se enfría adecuadamente, esta concentración de calor puede provocar la deformación de la pieza de trabajo.
• Dificultades en la gestión de las fichas: El mecanizado del acero genera un volumen considerable de virutas calientes. Si no se controla adecuadamente, puede dañar las herramientas y dar lugar a un acabado superficial deficiente.

Para lograr un mecanizado satisfactorio de los disipadores térmicos de acero, los ingenieros de First Mold tuvieron que encontrar formas de superar estos retos únicos.

Cómo superar el endurecimiento por deformación y la baja conductividad térmica del acero

La elevada tenacidad y resistencia del acero requieren una fuerza de corte elevada para su mecanizado. Sin embargo, aumentar la fuerza de corte puede provocar vibraciones. Además de las vibraciones, la superficie puede endurecerse rápidamente durante el corte, lo que dificulta los cortes posteriores. Esto puede acelerar el desgaste de la herramienta de corte.

La baja conductividad térmica del acero también implica que, durante la fabricación de disipadores térmicos mediante mecanizado CNC, el calor generado en la superficie de corte no se disipa ni es expulsado por las virutas. Se concentra alrededor de la punta de la herramienta de corte, lo que acelera su desgaste y fallo.

La máquina CNC de 5 ejes que utiliza First Mold está equipada específicamente con cuatro sistemas de refrigeración por boquilla que proyectan líquido refrigerante a alta presión (más de 1.000 psi) sobre la superficie de corte. Estos sistemas de refrigeración no solo son eficaces para disipar el calor generado por la punta de corte, sino que también rompen y eliminan las virutas para evitar la deformación de la superficie del prototipo del disipador de calor.

Mecanizado de la superficie de un prototipo de disipador térmico de acero curvado

El plano del disipador térmico curvo del cliente planteaba un reto especial para el mecanizado. Las superficies planas permiten trazos de herramienta sencillos, pero una superficie curva requiere trazos especiales. Entre los principales retos del mecanizado de acero curvo se incluyen:

• Programación compleja en CAM: La fabricación de disipadores térmicos con acero curvado requiere el uso de software sofisticado para controlar la orientación de las herramientas y las velocidades de avance a lo largo de contornos variables.
• La necesidad de una máquina multieje: Las superficies curvas requieren movimientos complejos y múltiples, con pasadas de acabado precisas. La máquina CNC de 5 ejes de First Mold ayuda a eliminar el reposicionamiento manual constante de la pieza de trabajo, lo que puede dar lugar a errores.

El equipo de ingenieros de First Mold utilizó el fresado trocoidal, una técnica en la que la máquina CNC de alta velocidad emplea una trayectoria de herramienta circular y en espiral para cortar ranuras. Al mantener el contacto radial y una gran profundidad axial, este movimiento reduce las fuerzas de corte, el calor y las vibraciones. Esto permite una eliminación más rápida del material y una mayor vida útil de la herramienta. Esta técnica también contribuye a acelerar el tiempo de creación de prototipos de disipadores térmicos.

Optimización de la eficiencia en el mecanizado de disipadores térmicos

La combinación de una elevada tenacidad del material, una velocidad baja y herramientas especializadas hace que el proceso de mecanizado del acero sea lento y requiera mucho tiempo.

Para subsanar estas deficiencias, el equipo de ingenieros de First Mold aplicó los principios del diseño orientado a la fabricabilidad (DFM). Por ejemplo, utilizamos herramientas recubiertas con alta resistencia al calor y ángulos de inclinación positivos para reducir las fuerzas de corte.

Se aumentó ligeramente el grosor de las aletas y se limitó su profundidad para mejorar la rigidez durante el mecanizado. Además, el equipo utilizó trayectorias de herramienta especializadas en la programación CAM y empleó máquinas rígidas para minimizar las vibraciones y las deformaciones.

La importancia de mantener una tolerancia de 0,01 mm en el proyecto de fabricación de disipadores térmicos

Durante el mecanizado del disipador térmico, los ingenieros de First Mold prestaron especial atención a la programación CAM para cumplir el requisito de tolerancia de 0,01 mm. Alcanzar la tolerancia deseada era fundamental por varias razones, entre ellas:

• Montaje de precisión: Lograr la precisión adecuada permite una alineación perfecta entre los tornillos y los orificios de las superficies de montaje. De este modo se evitan tensiones estructurales en los componentes.
• Mejorar la integridad estructural: Una tolerancia de 0,01 mm permite que el prototipo del disipador térmico actúe también como soporte estructural. Gracias a la resistencia del acero, puede utilizarse en entornos de alta presión, alta temperatura y fuertes vibraciones sin que ello afecte a su rendimiento térmico.
• Rendimiento constante en todos los lotes: En la fabricación de disipadores térmicos a gran escala, mantener una tolerancia de 0,01 mm garantiza que todos los productos funcionen de forma idéntica. Esto resulta fundamental para sectores especializados como el de las imágenes médicas y el aeroespacial.

Lo que el cliente ganó con las soluciones de First Mold

El prototipo del disipador térmico fabricado en acero se entregó una semana antes de lo previsto, lo que el cliente valoró enormemente. Gracias al uso de una técnica de mecanizado innovadora, First Mold pudo fabricar el prototipo a un precio más competitivo que el presupuesto ofrecido por otros mecanizadores con los que el cliente había contactado anteriormente.

“Nos mantuvimos moderados en nuestras expectativas respecto a los plazos, basándonos en nuestras experiencias anteriores”, afirmó el cliente, tras comprobar que el prototipo del disipador térmico se ajustaba al plano. “No esperábamos recibir el prototipo hasta dentro de una semana”.

Al asociarse con First Mold, el cliente se ha asegurado un proveedor de confianza que le ayudará a ampliar su capacidad según la demanda cuando sea necesario. “Siempre nos comprometemos a dar prioridad al éxito y la satisfacción de nuestros clientes”, afirmó Huang.  

PREGUNTAS FRECUENTES

Este cliente apoyó tanto nuestros esfuerzos promocionales que nos sugirió que mostráramos un vídeo del proceso de fresado CNC de la pieza.