エレクトロニクス向け先端製造技術
シーメンスのエンドツーエンド・デジタルスレッドとEOSの金属3Dプリンティング技術による高性能液体冷却プレート
高性能な電子機器の進化により、熱対策への要求はますます高まっています。電力密度の増加、装置の小型化、さらに環境配慮への要求の高まりにより、従来の冷却手法は限界に近づいています。データセンター、電動モビリティ、航空宇宙・防衛などの分野では、効率的で信頼性の高い液体冷却プレートが、性能向上、装置寿命の延長、そして運用効率の改善を実現する重要な技術となっています。
この事例では、シーメンス、GKN Additive、EOSが、エレクトロニクス分野における積層造形技術により、チップへ直接冷却できる新世代の液体冷却プレートを実現した事例を紹介します。Formnext 2025でシーメンスによって発表された本事例は、一貫したデータ連携の仕組みと、EOSの金属積層造形装置による工業的な製造を組み合わせることで、高性能なエレクトロニクス用途に求められる優れた冷却性能を実現できることを示しています。
課題
従来の電子機器冷却技術の限界。冷却プレートは、強制空冷と比べてすでに大きな利点を持っています。しかし、多くの従来方式は依然としてチューブ式や真空ろう付けによるピン構造に基づいており、次のような制限があります：
- 設計の自由度が制限され、熱設計の最適化に制約がある
- ろう付け接合部が漏れの原因となる可能性があり、信頼性に課題がある
- 特にデータセンターでは、冷却に伴うエネルギー消費が大きい
- 高温状態が電子機器の故障の約50％の原因となり、装置寿命が短くなる
その結果、冷却方法の選択は、効率性、持続可能性、信頼性、および総所有コストに直接的な影響を与えます。
ソリューション
ヒートマップから印刷可能なコールドプレートに至る包括的なデジタルスレッド。 これらの課題を克服するため 、シーメンスは、熱シミュレーションから量産可能な積層造形設計に至るまでの全プロセスを網羅する、ダイレクト・トゥ・チップ型液体コールドプレート冷却のための包括的なエンドツーエンドのデジタルスレッドを開発しました。
熱要件から最適化された積層造形設計まで
- デジタルワークフローは、Siemens Calibre 3D Thermal を使用した IGBT の熱分布シミュレーションから始まり、詳細な3次元熱分布マップが生成されます。これらの熱分布マップは冷却要件を定義し、その後の最適化の基礎となります。
- 熱データはSimcenter OptiStructに転送され、そこで対流トポロジー最適化が適用され、熱伝達を最大化しつつ圧力損失を最小限に抑えます。その結果、従来の製造方法では実現不可能な、高効率な冷却流路構造が得られます。
- その後、最適化されたトポロジーは、Simcenter Inspireのインプリシットモデリング機能を用いて印刷可能な形状に変換されます。これにより、真の「積層造形向け設計（DfAM）」が実現し、格子構造や最適化された流路といった複雑な内部構造の統合が可能になります。
- 最適な熱性能と流体性能を確保するため、得られた設計案はSimcenter Flothermを用いたCFDシミュレーションによって検証され、さまざまな積層冷却コンセプトと従来のピン式設計との直接的な比較が可能となります。
- このデジタルプロセスチェーンは、Siemens NX AM Fixed Plane でのビルドジョブの準備で完結し、データの断絶なく設計から製造へとシームレスに移行できます。自動ネスティング機能により、EOSの金属3Dプリンティングシステムにおいて、1回のビルドあたり多数のコールドプレートを効率的に配置することが可能です。これにより、高い設備稼働率、再現性の高い生産条件、および部品あたりのビルド時間の短縮が実現され、効率的で拡張性の高い量産を支えます。
Siemens NX-Fixed-Plane Advanced で製造用プリントジョブを準備する
EOSメタルシステムを用いた量産向け積層造形
最適化された液体冷却プレートは、産業用金属積層造形および量産における豊富な専門知識を活かし、GKN Additiveによって製造されています。銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料を中心とした幅広い金属応用ポートフォリオと、EOS製金属積層造形システムの豊富な導入実績を背景に、GKN Additiveは多岐にわたる産業用AMアプリケーションを支援し、多様なユースケースにおいて信頼できる生産パートナーとしての役割を果たしています。
GKNは、M2、M3、M4の各プラットフォームでEOSメタルシステムを導入しており、幅広い用途に対応した生産体制を構築しています。こうした多様なプラットフォーム機能により、GKNは、高導電性銅部品からステンレス鋼部品に至るまで、特定の性能や材料要件に合わせて製造構成を柔軟に調整することが可能です。
この高度に工業化された環境は、先進的なプロセスノウハウ、粉末の自動処理、機械の製造管理および後処理、さらにはデジタルプロセス監視と品質保証によって支えられています。数十年にわたる粉末冶金製造プロセスによって培われたこれらの能力が相まって、再現性の高い部品品質、高いプロセス安定性、そして様々な機械プラットフォームや材料にわたる拡張性を実現しています。
その結果、積層造形技術はプロトタイピングの枠を大きく超え、本格的な産業規模の生産へと発展し、要求の厳しい電子機器用途に合わせた高性能な冷却部品を提供しています。
結果
従来の真空ろう付けピン構造と比較して、積層造形技術で製造された液体冷却プレートは、性能面で明らかな向上をもたらします：
- チップのピーク温度が最大12%低下
- チップの平均温度が最大20%低下
- 最大46%の軽量化
- 温度の均一性の向上
- モノリシック設計により、リークリスクが低減
- 年間10万枚を超えるコールドプレートの生産規模に対応可能
さまざまな添加剤の設計コンセプトにより、最大熱伝達、最小圧力損失、あるいは部品重量の軽減のいずれを優先する場合でも、目的を絞った最適化が可能になります。
結論
このケーススタディでは、包括的なデジタルスレッドと産業用金属積層造形技術を組み合わせることで、電子機器向けの高性能かつ信頼性が高く、拡張性のある液体冷却プレートを実現する方法を示しています。シーメンスのデジタルエンジニアリング能力とEOSの金属積層造形技術を活用し、GKN Additiveとの緊密な連携を通じて、積層造形技術は次世代の高性能電子システムに向けた量産対応ソリューションとなっています。
企業について
シーメンス・デジタル・インダストリーズ（DI）
シーメンスDIは、プロセス製造業および離散製造業におけるあらゆる規模の企業が、バリューチェーン全体にわたるデジタル化とサステナビリティへの変革を加速できるよう支援します。シーメンスの最先端のオートメーションおよびソフトウェア製品群は、製品と生産の設計、実現、最適化に革新をもたらします。 さらに、オープンなデジタルビジネスプラットフォームである「Siemens Xcelerator」を活用することで、このプロセスはより容易に、迅速に、かつスケーラブルなものとなります。シーメンス・デジタル・インダストリーズは、パートナーやエコシステムと連携し、お客様が持続可能なデジタルエンタープライズへと変革することを支援します。シーメンス・デジタル・インダストリーズは、世界中で約7万人の従業員を擁しています。
シーメンスAG（ベルリンおよびミュンヘン）
シーメンスAGは、産業、インフラ、モビリティ、ヘルスケア分野に注力する大手テクノロジー企業です。同社の目的は、すべての人々の日常を変革する技術を創造することです。現実世界とデジタル世界を融合させることで、シーメンスは顧客がデジタルトランスフォーメーションとサステナビリティへの転換を加速できるよう支援し、工場の効率化、都市の住みやすさの向上、そして交通手段の持続可能性の向上を実現しています。 産業用AIのリーダーとして、シーメンスは深い専門知識を活かし、生成AIを含むAIを現実世界のアプリケーションに応用することで、多様な業界の顧客にとってAIを身近で影響力のあるものとしています。また、シーメンスは、医療分野における画期的な技術開発を先導する世界有数の医療技術プロバイダーであり、上場企業であるシーメンス・ヘルスニアーズの過半数の株式を保有しています。すべての人々のために。 あらゆる場所で。持続可能な形で。2025年9月30日に終了した2025年度において、シーメンス・グループは789億ユーロの売上高と104億ユーロの純利益を計上しました。2025年9月30日現在、継続事業ベースで世界中に約31万8,000人の従業員を擁しています。詳細については、www.siemens.comをご覧ください。
GKN アディティブ
GKNパウダーメタラジーは、高精度金属部品分野におけるマーケットリーダーであり、先進的な粉末冶金材料の主要メーカーです。同社は、GKN Additiveによる最先端のアディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）プロセスを含む、革新的な製品ソリューションと技術を提供しています。粉末の製造から部品生産までを垂直統合している唯一の企業です。同社は顧客と連携し、先進的な粉末冶金技術ソリューションを通じて、自動車および産業分野における複雑な課題の解決に取り組んでいます。 GKNパウダーメタラジーはDauchの一部門です。Dauch Corporation（旧American Axle & Manufacturing）は2026年2月にGKNパウダーメタラジーを買収しました。現在、両社は統合されたコーポレートブランド「Dauch」の下で事業を展開しています。詳細については、www.dauch.comをご覧ください。
