Modernste Fertigungstechnologien für Elektronikanwendungen
Hochleistungs-Flüssigkühlplatten für die Chipkühlung, ermöglicht durch den durchgängigen digitalen Siemens-Thread und Metall-AM von EOS
Hochleistungselektronik stellt immer höhere Anforderungen an das thermische Management. Steigende Leistungsdichten, kompakte Systemarchitekturen und wachsende Nachhaltigkeitsanforderungen bringen konventionelle Kühlkonzepte zunehmend an ihre Grenzen. In Bereichen wie Rechenzentren, Elektromobilität sowie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung sind effiziente und zuverlässige Flüssigkühlplatten entscheidend für Leistung, Lebensdauer und Betriebseffizienz.
In dieser Case Study zeigen Siemens, GKN Additive und EOS, wie die additive Fertigung für Elektronikanwendungen eine neue Generation von "Direct-to-Chip"-Flüssigkühlplatten ermöglicht. Das auf der Formnext 2025 von Siemens vorgestellte Beispiel demonstriert, wie ein durchgängiger End-to-End-Digital-Thread in Kombination mit industrieller Metall additiver Fertigung auf EOS-Systemen eine überlegene Kühlleistung für Hochleistungselektronik ermöglicht.
Herausforderung
Die Grenzen konventioneller Elektronik-Kühlung. Flüssigkühlplatten bieten bereits deutliche Vorteile gegenüber der Luftkühlung. Viele herkömmliche Lösungen basieren jedoch weiterhin auf Rohrstrukturen oder vakuumgelöteten Pin-Designs – mit wesentlichen Einschränkungen:
- Eingeschränkte Gestaltungsfreiheit und begrenzte thermische Optimierung
- Zuverlässigkeitsrisiken durch gelötete Verbindungen als potenzielle Leckstellen
- Hoher Energieverbrauch für die Kühlung, besonders kritisch in Rechenzentren
- Verringerte Systemlebensdauer, da hohe Temperaturen für rund 50 % aller Elektronikausfälle verantwortlich sind
Kühlentscheidungen beeinflussen somit direkt Effizienz, Nachhaltigkeit, Zuverlässigkeit und Gesamtbetriebskosten.
Lösung
Ein umfassender digitaler Prozessablauf von der Wärmeverteilung bis zur druckfertigen Kühlplatte. Um diese Herausforderungen zu lösen, entwickelte Siemens einen vollständigen End-to-End-Digital-Thread für Direct-to-Chip-Flüssigkühlplatten – von der thermischen Simulation bis zum produktionsreifen additiven Design.
Vom thermischen Bedarf bis hin zur Optimierung des Additiv-Designs
- Der digitale Workflow beginnt mit der Simulation des IGBT-Wärmeprofils mithilfe von Siemens Calibre 3D Thermal, wodurch detaillierte dreidimensionale Temperaturverteilungen (Heatmaps) erzeugt werden. Diese definieren die Kühlanforderungen und bilden die Grundlage für nachgelagerte Optimierungsschritte.
- Die thermischen Daten werden in Simcenter OptiStruct überführt, wo eine konvektive Topologieoptimierung durchgeführt wird, um die Wärmeübertragung zu maximieren und gleichzeitig den Druckverlust zu minimieren. Daraus entstehen hoch effiziente Kühlkanalarchitekturen, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht realisierbar wären.
- Die optimierte Topologie wird anschließend mithilfe des Implicit Modeling in Simcenter Inspire in eine druckbare Geometrie überführt. Dies ermöglicht echtes „Design for Additive Manufacturing“ (DfAM) und die Integration komplexer interner Strukturen wie Gitter oder optimierter Strömungskanäle.
- Zur Sicherstellung einer optimalen thermischen und strömungstechnischen Leistung werden die resultierenden Designs mittels CFD-Simulationen in Simcenter Flotherm validiert. Dadurch ist ein direkter Vergleich zwischen verschiedenen additiven Kühlkonzepten und klassischen pinbasierten Designs möglich.
- Die digitale Prozesskette wird mit der Vorbereitung des Baujobs in Siemens NX AM Fixed Plane abgeschlossen. Dies ermöglicht einen nahtlosen Übergang vom Design zur Fertigung ohne Medienbrüche. Automatisches Nesting sorgt für eine effiziente Platzierung einer großen Anzahl von Kühlplatten pro Baujob auf EOS-Metall-AM-Systemen. Dadurch werden eine hohe Maschinenauslastung, reproduzierbare Produktionsbedingungen sowie reduzierte Bauzeiten pro Bauteil erreicht – eine wichtige Voraussetzung für eine effiziente und skalierbare Serienfertigung.
Produktionsdruckauftrag in Siemens NX-Fixed-Plane Advanced vorbereiten
Additive Fertigung in der Serienproduktion mit EOS-Metallsystemen
Die optimierten Flüssigkühlplatten werden von GKN Additive gefertigt, einem Unternehmen mit umfassender Expertise in der industriellen additiven Metallfertigung und Serienproduktion. Mit einem breiten Materialportfolio – insbesondere hochwärmeleitfähigen Kupfer- und Aluminiumlegierungen – sowie einer großen installierten Basis an EOS-Metallsystemen unterstützt GKN eine Vielzahl industrieller AM-Anwendungen und fungiert als zuverlässiger Produktionspartner.
GKN betreibt eine große Flotte von EOS‑Metallanlagen über die M2‑, M3‑ und M4‑Serie hinweg. Dadurch können Fertigungs‑Setups flexibel an unterschiedliche Leistungs‑ und Materialanforderungen angepasst werden – von hochleitfähigen Kupferteilen bis zu Edelstahlkomponenten.
Die industrialisierte Produktionsumgebung wird durch umfassendes Prozess-Know-how, automatisiertes Pulverhandling, optimiertes Maschinen- und Build-Management, Nachbearbeitung sowie digitale Prozessüberwachung und Qualitätssicherung ergänzt. Jahrzehntelange Erfahrung in pulvermetallurgischen Produktionsprozessen gewährleistet eine reproduzierbare Bauteilqualität, hohe Prozessstabilität und Skalierbarkeit über verschiedene Maschinenplattformen und Materialien hinweg.
Damit entwickelt sich die additive Fertigung weit über das Prototyping hinaus zu einer echten industriellen Produktionsmethode für leistungsfähige Kühlkomponenten in anspruchsvollen Elektronikanwendungen.
Ergebnis
Im Vergleich zu herkömmlichen vakuumgelöteten Pin-Designs bieten die additiv gefertigten Flüssigkühlplatten deutliche Leistungsverbesserungen:
- bis zu 12 % niedrigere maximale Chiptemperatur
- bis zu 20 % niedrigere durchschnittliche Chiptemperatur
- bis zu 46 % Gewichtsreduktion
- verbesserte Temperaturhomogenität
- reduziertes Leckagerisiko durch monolithische Bauweise
- Skalierbarkeit auf Produktionsvolumen von über 100.000 Kühlplatten pro Jahr
Verschiedene additive Designkonzepte ermöglichen eine gezielte Optimierung – je nach Priorität: maximale Wärmeübertragung, minimaler Druckverlust oder geringes Bauteilgewicht.
Fazit
Diese Case Study zeigt, wie ein durchgängiger digitaler Thread in Kombination mit industrieller Metall-AM leistungsfähige, zuverlässige und skalierbare Flüssigkühlung für Elektronikanwendungen ermöglicht. Durch die Kombination aus den digitalen Engineering-Fähigkeiten von Siemens, der EOS-Metall-AM-Technologie und der engen Zusammenarbeit mit GKN Additive wird additive Fertigung zu einer serienreifen Lösung für die nächste Generation der Hochleistungselektronik.
Über die Unternehmen
Siemens Digital Industries (DI)
Siemens DI unterstützt Unternehmen jeder Größe in der Prozess- und diskreten Fertigungsindustrie bei der digitalen und nachhaltigen Transformation entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Das Software- und Automatisierungsportfolio von Siemens revolutioniert die Entwicklung, Umsetzung und Optimierung von Produkten und Produktionsprozessen. Mit Siemens Xcelerator wird dieser Prozess noch einfacher, schneller und skalierbarer. Siemens Digital Industries beschäftigt weltweit rund 70.000 Mitarbeitende.
Siemens AG (Berlin und München)
Die Siemens AG ist ein führendes Technologieunternehmen mit den Schwerpunkten Industrie, Infrastruktur, Mobilität und Gesundheitswesen. Ziel des Unternehmens ist es, Technologien zu entwickeln, die den Alltag von Menschen nachhaltig verbessern. Durch die Verbindung der realen und digitalen Welt unterstützt Siemens seine Kunden dabei, ihre digitale und nachhaltige Transformation voranzutreiben, Fabriken effizienter zu betreiben, Städte lebenswerter zu gestalten und den Verkehr nachhaltiger zu machen. Als führendes Unternehmen im Bereich der industriellen KI nutzt Siemens sein fundiertes Fachwissen, um Künstliche Intelligenz – einschließlich generativer KI – in realen Anwendungen einzusetzen und für Kunden verschiedener Branchen zugänglich und wirkungsvoll zu machen. Siemens hält zudem eine Mehrheitsbeteiligung an dem börsennotierten Unternehmen Siemens Healthineers, einem weltweit führenden Anbieter von Medizintechnik, der innovative Lösungen für das Gesundheitswesen entwickelt. Im Geschäftsjahr 2025, das am 30. September 2025 endete, erzielte der Siemens-Konzern einen Umsatz von 78,9 Milliarden Euro und einen Jahresüberschuss von 10,4 Milliarden Euro. Zum Stichtag beschäftigte das Unternehmen auf Basis der fortgeführten Geschäftsbereiche weltweit rund 318.000 Mitarbeitende. Weitere Informationen finden Sie im Internet unter www.siemens.com
GKN Additive
GKN Powder Metallurgy ist ein Marktführer im Bereich hochpräziser Metallkomponenten und ein führender Hersteller fortschrittlicher pulvermetallurgischer Werkstoffe. Das Unternehmen bietet innovative Produktlösungen und Technologien, darunter modernste additive Fertigungsverfahren über GKN Additive. Als einziges Unternehmen mit durchgängiger vertikaler Integration – von der Pulverherstellung bis zur fertigen Komponente – unterstützt GKN Powder Metallurgy seine Kunden dabei, komplexe Herausforderungen in der Automobil- und Industriebranche mit fortschrittlichen, auf Pulvermetallurgie basierenden Lösungen zu meistern. GKN Powder Metallurgy ist Teil der Dauch Corporation (ehemals American Axle & Manufacturing), die das Unternehmen im Februar 2026 übernommen hat. Beide Unternehmen treten heute unter der gemeinsamen Marke Dauch auf. Weitere Informationen finden Sie unter www.dauch.com
