Früher war der Anteil an bearbeiteten Bauteilen in einem Rechenzentrum eher gering. Blechgehäuse, einige Halterungen, ein paar Lüftergehäuse. Die KI-Hardware hat das geändert, und der Grund dafür ist die Wärmeentwicklung.
Ein herkömmliches Unternehmens-Rack hat eine Leistungsaufnahme im Bereich von 5 bis 15 Kilowatt. Racks, die für KI-Trainings-Workloads ausgelegt sind, arbeiten mittlerweile mit um ein Vielfaches höheren Leistungsdichten, und ab etwa 30 bis 50 Kilowatt pro Rack ist die Wärmeabfuhr mittels Luftkühlung nicht mehr praktikabel. Die Branche hat darauf mit einer Direkt-auf-Chip-Flüssigkeitskühlung reagiert, und die Flüssigkeitskühlung ist ein Geschäft mit bearbeiteten Bauteilen. Kühlplatten, Verteilerblöcke, Schnellkupplungen und Dichtungsschnittstellen müssen alle gefräst werden – sie werden weder gestanzt noch gespritzt.
Dieser Leitfaden behandelt, welche Komponenten von Rechenzentren CNC-gefräst werden, wie sich die thermischen Anforderungen auf Ihre Toleranzen auswirken, wie sich Kupfer und Aluminium auf der Maschine unterschiedlich verhalten und welche Konstruktionsentscheidungen darüber entscheiden, ob eine Kühlplatte kostengünstig oder teuer zu kalkulieren ist.
Welche Komponenten von Rechenzentren werden CNC-gefräst?
Nicht alle Teile in einem Gestell müssen bearbeitet werden. Die Teile, die bearbeitet werden müssen, lassen sich in drei Gruppen einteilen, wobei die erste mit Abstand die größte ist.
| Bauteilgruppe | Beispiele | Typische Materialien | Warum maschinell bearbeitet? |
| Wärmemanagement | Kühlplatten, Kühlkörper, Deckel für Dampfkammern, Wärmeleiter | Kupfer C110, Aluminium 6061 und 6063 | Die Geometrie und Ebenheit des Innenkanals lassen sich nicht herstellen |
| Hardware für die Flüssigkeitskühlung | Rack- und CDU-Verteiler, Schnellkupplungskörper, Pumpengehäuse, Armaturen | Aluminium 6061, Edelstahl 303 und 316, Messing | Dichtflächen, Anschlüsse und leckagefreie, mit dem Medium in Berührung kommende Geometrie |
| Bau- und Elektrotechnik | GPU-Einschubrahmen, Rack-Schienen, Befestigungshalterungen, Sammelschienen, Gehäuse für optische Module | Aluminium 6061, Kupfer, Edelstahl | Enge Positionstoleranzen und schnelle Konstruktionsiterationen |
Auffällig ist, dass die Zerspanung aus zwei unterschiedlichen Gründen gewählt wird. Bei thermischen Bauteilen wird sie gewählt, weil kein anderes Verfahren die gewünschte Geometrie erzeugen kann. Bei Strukturbauteilen wird sie oft gewählt, weil sich die Konstruktion noch im Wandel befindet und niemand sich auf Werkzeuge für Bauteile festlegen möchte, die alle paar Monate überarbeitet werden.
Kühlplatten: Hier geht der größte Teil der Präzision verloren
Eine direkt auf den Chip aufgesetzte Kühlplatte sitzt auf dem Prozessor und leitet die Wärme über eine Flüssigkeit ab. Ihre Leistung hängt von zwei Faktoren ab, die eine Maschinenwerkstatt direkt beeinflussen kann: davon, wie gut die Basisfläche mit dem Chip oder dem Gehäusedeckel in Kontakt steht, und davon, wie effizient die interne Lamellenstruktur die Wärme an das Kühlmittel abgibt.
Warum die Ebenheit ausschlaggebend für die thermische Leistung ist
Zwischen der Kühlplatte und dem Chip befindet sich ein Wärmeleitmaterial. Seine Aufgabe ist es, die mikroskopisch kleinen Lücken auszufüllen, doch es leitet Wärme weitaus schlechter als beide Metalle. Je dünner also die Verbindungsschicht ist, desto geringer ist der gesamte Wärmewiderstand. Die Ebenheit der Kontaktfläche bestimmt die Dicke der Verbindungsschicht.
Aus diesem Grund werden in Zeichnungen für Kühlplatten routinemäßig weitaus strengere Anforderungen an die Ebenheit über die gesamte Kontaktfläche gestellt als an alle anderen Teile des Bauteils – üblicherweise im Bereich von 0,025 mm oder besser über die gesamte Chipfläche, wobei die Oberflächengüte mit etwa Ra 0,8 Mikrometer oder feiner spezifiziert wird. Diese Werte sind zwar erreichbar, aber nicht ohne Weiteres, und sie stehen in einem ungünstigen Zusammenhang mit einigen gängigen Konstruktionsentscheidungen:
- Eine große Platte mit einem dünnen Bodenbereich verzieht sich während der Bearbeitung, wenn Spannungen abgebaut werden; daher muss die Ebenheit erst im Schlichtdurchgang hergestellt werden und darf nicht bereits vom Schruppdurchgang vorausgesetzt werden.
- Wird die Platte nach der Bearbeitung hartgelötet, weichgelötet oder durch Reibrührschweißen verbunden, führt die Wärmezufuhr zu einer Verschiebung des Grundkörpers. Die Ebenheit muss im Endzustand festgelegt und hergestellt werden, was in der Regel einen abschließenden Schlichtschliff nach dem Fügen bedeutet.
- Wird die gleiche hohe Ebenheit auf die gesamte Platte und nicht nur auf den Kontaktbereich der Matrize angewendet, vervielfacht sich der Kostenaufwand, ohne dass dadurch ein thermischer Vorteil entsteht.
Es gilt der allgemeine Grundsatz, der für jedes bearbeitete Bauteil gilt: Die funktionsrelevanten Merkmale sind mit Toleranzen zu versehen, während für den Rest eine sinnvolle allgemeine Toleranz zugrunde gelegt wird. Unser Leitfaden zu Was Konstrukteure über Toleranzen bei CNC-Teilen wissen sollten erläutert, wie man das in einer Zeichnung darstellt.
Geometrie der internen Lamellen und Kanäle
Die Wärmeübertragungsfläche im Inneren einer Kühlplatte besteht in der Regel aus einer dichten Anordnung von Lamellen oder Mikrokanälen. Der Rippenabstand, die Rippenhöhe und die Kanalbreite bestimmen das Verhältnis zwischen thermischer Leistung und Druckverlust und beeinflussen zudem den Bearbeitungsaufwand. Schmale, tiefe Kanäle erfordern Fräser mit kleinem Durchmesser und hohem Seitenverhältnis, wobei hier eher die Durchbiegung und die Standzeit des Werkzeugs als die Maschine selbst die begrenzenden Faktoren sind.
Zwei praktische Aspekte haben einen großen Einfluss auf die Kosten. Erstens erfordert jede Verringerung der Kanalbreite einen kleineren Fräser und einen längeren Zyklus; daher sollten die Kanäle nicht schmaler sein, als es das thermische Modell tatsächlich erfordert. Zweitens stellen Grate im Inneren der Kühlmittelkanäle einen funktionalen und keinen kosmetischen Mangel dar. Lose Partikel zirkulieren durch den Kreislauf und setzen sich in Schnellkupplungen, Pumpen und anderen nachgeschalteten Kühlplatten fest. Anforderungen an die Entgratung und Sauberkeit gehören in die Zeichnung und sollten als verbindliche Vorgabe festgelegt werden, anstatt als Annahme zu gelten.
Bearbeitung von Kupfer im Kontrast zu Aluminium für thermische Bauteile
Kupfer leitet Wärme etwa zweieinhalb Mal besser als Aluminium, weshalb Hochleistungs-Kühlplatten in der Regel aus Kupfer bestehen, während Verteiler und Kühlkörper mit geringerer Leistung aus Aluminium gefertigt sind. Das Bearbeitungsverhalten ist sehr unterschiedlich.
| Faktor | C110-Kupfer | 6061 Aluminium |
| Wärmeleitfähigkeit | Etwa 390 W/m·K | Etwa 167 W/m·K |
| Bearbeitungsverhalten | Zäh und klebrig, neigt zu Kantenablagerungen und Gratbildung | Leicht zerspanbar, hervorragende Spanbildung |
| Werkzeugkonzept | Scharfer, starker positiver Spanwinkel, poliertes oder unbeschichtetes Hartmetall, großzügige Kühlmittelzufuhr | Standardbeschichtetes Hartmetall, hohe Drehzahlen |
| Kostentreiber | Materialkosten, Gratbekämpfung und Bearbeitungszeit | Vor allem die Zykluszeit |
| Gewicht | Schwer – was bei Rack-montierten Baugruppen eine Rolle spielt | Licht |
| Oberflächenschutz | Oxidiert leicht, oft vernickelt | Eloxiert oder unbehandelt |
Kupfer belohnt scharfe Werkzeuge und bestraft abgenutzte. Ein Schneidwerkzeug, das bereits stumpf geworden ist, verschmiert das Material, anstatt es abzuschneiden, und hinterlässt an jeder Kanalkante gerollte Grate sowie eine Kontaktfläche, auf der sich keine feine Oberfläche erzielen lässt. Bei einer Lamellenanordnung mit Hunderten von Kanten bedeutet dies einen erheblichen Aufwand an manueller Entgratung.
Bei Mischmetallkreisläufen gibt es zudem eine Konstruktionsfalle. Kupfer-Kühlplatten, die innerhalb desselben Kühlmittelkreislaufs an Aluminiumverteiler angeschlossen sind, bilden ein galvanisches Paar, und bei Verwendung eines leitfähigen Kühlmittels korrodiert das Aluminium. Konstrukteure begegnen diesem Problem durch eine Vernickelung des Kupfers, durch den Einsatz von Korrosionsinhibitoren im Kühlmittel oder indem sie den mit Kühlmittel in Berührung kommenden Teil aus einer einzigen Metallgruppe bestehen lassen. Es ist wesentlich kostengünstiger, dieses Problem bereits bei der Konstruktionsprüfung zu beheben als nach einem Ausfall im Einsatz.
Falls Sie noch dabei sind, Materialien abzuwägen, finden Sie in unserer Übersicht über welche Legierungen verwendet werden sollen und wie sie sich bearbeiten lassen vergleicht die Zerspanbarkeit und die Kosten der gängigen technischen Metalle.
Verteiler, Schnellkupplungen und andere medienberührte Teile
Alles, was sich stromabwärts der Kühlplatte befindet, weist eine andere Ausfallart auf. Thermische Komponenten fallen durch Überhitzung aus. Mit Flüssigkeit in Berührung kommende Teile fallen durch Undichtigkeiten aus, und eine Undichtigkeit in einem unter Spannung stehenden Rack ist weitaus kostspieliger als ein Problem mit der thermischen Reserve.
Dadurch verschieben sich die Prioritäten bei der Bearbeitung:
- Dichtflächen und O-Ring-Nuten erfordern eine genaue Kontrolle von Breite und Tiefe, eine korrekte Oberflächenbeschaffenheit und saubere Kanten. Eine zu flach gefräste Nut führt zu einer übermäßigen Kompression der Dichtung, und eine Nut mit einer scharfen Einlaufkante kann die Dichtung bei der Montage beschädigen.
- Anschlussgewinde müssen genau dem vorgegebenen Standard entsprechen, unabhängig davon, ob es sich um NPT-, G-, SAE-Geradgewinde oder eine metrische Gewindeform handelt. Gewindenormen sind bei internationalen Projekten häufig eine Quelle für Verwirrung, und ein konisches Gewinde, das anstelle eines geraden Gewindes verwendet wird, dichtet gegenüber einer O-Ring-Fläche nicht zuverlässig ab.
- Die Wandstärke um die innenliegenden Bohrkanäle herum muss ausreichend Material für den Betriebsdruck sowie eine Sicherheitsreserve aufweisen, insbesondere an den Schnittpunkten der Kanäle.
- Durchbohrte Schnittstellen führen zu inneren Graten, die schwer zu erreichen sind. Die Anordnung der Durchgänge sollte so gestaltet sein, dass jede Schnittstelle tatsächlich entgratet werden kann.
Besondere Aufmerksamkeit verdienen Schnellkupplungsgehäuse für das Blindstecken. Sie vereinen enge Positionstoleranzen für die Ausrichtung beim Blindstecken mit einer Dichtungsgeometrie und einer Druckwand in einem Bauteil, was sie zu den anspruchsvollsten Komponenten der gesamten Flüssigkeitskühlungsbaugruppe macht.
Befestigungselemente, Gehäuse und Sammelschienen
Die mechanischen Teile eines KI-Racks stellen zwar pro Funktion geringere technische Anforderungen, sind jedoch weitaus zahlreicher. Bei GPU-Einschubrahmen, Montageschienen, Abstandshaltern, EMI-Abschirmgehäusen und Gehäusen für optische Module kommt es vor allem auf die Positionsgenauigkeit der Lochmuster und eine wiederholbare Passgenauigkeit über viele Einheiten hinweg an.
Sammelschienen bilden in dieser Gruppe eine Ausnahme. Sie bestehen in der Regel aus Kupfer, führen sehr hohe Ströme und ihre bearbeiteten Oberflächen sind für die elektrischen Eigenschaften von Bedeutung. Kontaktflächen müssen eben und sauber verarbeitet sein, da Kontaktwiderstände genau dort Wärme erzeugen, wo man sie nicht haben möchte, und Kanten müssen frei von Graten sein, die den Abstand oder die Isolierung beeinträchtigen könnten. Die Spezifikation der Beschichtung ist hier ebenso wichtig wie die Bearbeitung.
Gehäuse- und Abschirmteile erfordern oft sowohl optische als auch funktionale Oberflächen, da ein Teil dieser Bauteile während des Betriebs sichtbar ist. Die Wahl der Oberflächenbehandlung sollte frühzeitig festgelegt und nicht erst am Ende hinzugefügt werden, da sie sich sowohl auf die Abmessungen als auch auf die Kosten auswirkt.
Anforderungen an Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit und Prüfung
Die Hardware von Rechenzentren liegt zwischen den Anforderungen der gewerblichen und der Luft- und Raumfahrtindustrie. Es sind zwar selten Unterlagen nach Luft- und Raumfahrtstandards erforderlich, doch die thermischen Eigenschaften und die Dichtungsmerkmale müssen tatsächlich streng kontrolliert werden.
| Objekttyp | Typische Anforderung | Was es steuert |
| Kontaktfläche der Kühlplatte | Ebenheit im Bereich von 0,025 mm, Ra 0,8 µm oder feiner | Wärmeleitwiderstand |
| O-Ring-Nuten | Geringe Breite und Tiefe, kontrollierter Kantenabbruch | Dichtheit |
| Bohrbild und Befestigungsmerkmale | Positionstoleranz für blindes Zusammenstecken und Stapeln | Montagepassung für viele Geräte |
| Allgemeine Merkmale | Allgemeine Standardtoleranzen | Alles, was keine Funktion erfüllt |
| Interne Kanäle | Gratenfrei mit einer festgelegten Reinheitsanforderung | Partikelverunreinigungen im Kreislauf |
Was die Prüfung betrifft, ist es sinnvoll, als Ausgangsbasis die Maßprüfung kritischer Merkmale mit einem Erstmusterbericht für die erste Produktionsserie sowie Druck- oder Dichtheitsprüfungen an allen Teilen vorzusehen, die Kühlmittel aufnehmen. Legen Sie die Prüfmethode und die Abnahmekriterien in der Zeichnung fest, anstatt davon auszugehen, dass der Lieferant denselben Standard anwendet, den Sie sich vorstellen.
Die Wahl der Oberflächenbehandlung wirkt sich nicht nur auf das Aussehen, sondern auch auf die Leistung aus. Eine Beschichtung auf Kupfer verhindert Oxidation und mindert galvanische Risiken, während eine Eloxierung auf Aluminium als Isolator wirkt und niemals auf einer Oberfläche angewendet werden sollte, die Wärme oder Strom leiten soll. Unsere Optionen zur Oberflächenveredelung Auf dieser Seite wird erläutert, welche Funktion die einzelnen Prozesse haben und wo sie angesiedelt sind.
Benötigen Sie eine 3-Achsen-, 4-Achsen- oder 5-Achsen-Ausführung?
Die meisten Komponenten für Rechenzentren benötigen keine fünf Achsen, und deren Spezifizierung verursacht zusätzliche Kosten, ohne die Leistungsfähigkeit zu steigern.
- Mit der 3-Achsen-Fräsbearbeitung lassen sich die meisten Kühlplatten, Kühlkörper, Platten und Halterungen bearbeiten. Dabei handelt es sich um prismatische Teile mit Strukturen auf einer oder zwei Flächen – genau das, was eine 3-Achsen-Maschine am wirtschaftlichsten bearbeiten kann.
- Die 4-Achsen-Bearbeitung eignet sich besonders für Verteiler mit Anschlüssen an mehreren Seiten, da durch die Indexierung des Werkstücks eine separate Einrichtung vermieden wird und somit auch der Toleranzfehler, der durch eine erneute Referenzierung entsteht.
- Die 5-Achs-Bearbeitung macht sich bei Geometrien mit zusammengesetzten Winkeln, komplexen Gehäusen und Bauteilen bezahlt, bei denen die Toleranzen zwischen den einzelnen Merkmalen über mehrere Flächen hinweg so kritisch sind, dass sich die Maschinenkosten allein durch den Wegfall von Umrüstungen amortisieren.
Es hat sich bewährt, die Toleranz vorzugeben und die Wahl der Maschine dem Betrieb zu überlassen, anstatt die Maschine festzulegen und darauf zu hoffen, dass die Toleranz eingehalten wird. Unser Vergleich von 5-Achsen- und 3-Achsen-CNC-Bearbeitung erklärt, wo genau dieser Übergang liegt.
Konstruktionsentscheidungen, die die Kosten für Rechenzentrumskomponenten senken
- Beschränken Sie die strenge Ebenheit auf die Kontaktfläche. Eine Anwendung auf die gesamte Platte kann die Bearbeitungszeit vervielfachen, ohne dass dadurch thermische Vorteile entstehen.
- Die Kanäle dürfen nicht schmaler sein, als es das thermische Modell erfordert. Die Kanalbreite bestimmt den Fräserdurchmesser, der wiederum die Zykluszeit bestimmt.
- Verwenden Sie großzügige Inneneckenradien. Eine maschinell bearbeitete Innenecke weist immer einen Radius auf, und ein größerer Radius ermöglicht es der Werkstatt, einen steiferen und schnelleren Fräser einzusetzen.
- Gestalten Sie die Passagen so, dass Kanten entgratet werden können. Wenn ein Werkzeug einen Grat nicht erreichen kann, wird jemand viel Zeit damit verbringen, es zu versuchen.
- Geben Sie die Ebenheit im Endzustand an, wenn das Teil gelötet oder geschweißt ist, und lassen Sie Material für einen abschließenden Schruppschliff zu.
- Standardisieren Sie Befestigungselemente, Gewinde und Anschlussformen in der gesamten Baugruppe. Weniger Werkzeugwechsel und weniger Gewindelehren senken sowohl die Kosten als auch die Fehlerquote.
- Senden Sie die Zeichnung zusammen mit dem Modell. Das Modell liefert zwar die Geometrie, aber nur die Zeichnung gibt einem Lieferanten Auskunft darüber, welche Maße funktionsrelevant sind und worauf sich die Prüfung konzentrieren sollte.
Vom Prototyp bis zur Serienfertigung in einem schnelllebigen Hardware-Zyklus
KI-Hardware unterliegt einer raschen Weiterentwicklung. Ein Cold-Plate-Design durchläuft möglicherweise mehrere Überarbeitungen in der Zeit, in der ein herkömmliches Produkt eine einzige Überarbeitung durchläuft. Dies hat praktische Auswirkungen auf die Beschaffung: In der Prototypenphase ist die Fähigkeit, eine Überarbeitung schnell umzusetzen, oft wichtiger als der Stückpreis, während nach Festlegung des Designs die Reproduzierbarkeit und die Dokumentation an Bedeutung gewinnen.
Die Zerspanung eignet sich für beide Enden dieser Kurve, was mit ein Grund dafür ist, dass sie in dieser Hardware-Kategorie dominiert. Es müssen keine Werkzeuge neu gefertigt werden, wenn eine Überarbeitung erfolgt, und derselbe Prozess lässt sich ohne Änderung der Methode auf die Produktion kleiner und mittlerer Stückzahlen skalieren. Insbesondere bei thermischen Bauteilen bleibt die Zerspanung oft das eigentliche Produktionsverfahren und nicht nur eine Übergangslösung zu einem anderen Verfahren, da es für die innere Geometrie bei diesen Stückzahlen keine kostengünstigere Alternative gibt.
Ein genaues Angebot für eine Komponente eines Rechenzentrums einholen
Das Nützlichste, was Sie einem Lieferanten übermitteln können, ist nicht nur das Modell, sondern auch der Kontext: Welche Fläche kommt mit dem Werkzeug in Kontakt, welchem Druck wird das Bauteil ausgesetzt sein, welches Kühlmittel wird verwendet, ob es nach der Bearbeitung weiterverarbeitet wird und welches Volumen Sie innerhalb von zwölf Monaten erwarten. Diese fünf Antworten beeinflussen den Prozessplan stärker als die Geometrie.
Yicen Precision fertigt in seinem Werk in Shenzhen thermische und mechanische Komponenten für Elektronik und Infrastruktur-Hardware. Das Unternehmen setzt dabei 3-Achsen-, 4-Achsen- und 5-Achsen-Fräsmaschinen sowie Drehmaschinen, Drahterodiermaschinen und Präzisionsschleifmaschinen ein, wobei Toleranzen von plus/minus 0,005 mm eingehalten werden und die Prüfung mittels Koordinatenmessgerät (CMM) mit Erstmusterprotokollen zum Standard gehört. Sie können sich unsere CNC-Bearbeitungsdienstleistungen oder unser Maßgeschneiderte CNC-Fräsarbeiten für Kühlplatten, Verteiler und Gehäusebeschläge, und senden Sie uns ein Modell mit Ihren Anforderungen, damit wir Ihnen noch vor dem ersten Zuschnitt Feedback zur Fertigungsfreundlichkeit des Designs geben können.
Häufig gestellte Fragen
F: Warum kaufen Rechenzentren plötzlich so viele bearbeitete Teile?
A: Die steigende Leistungsdichte in Serverracks hat dazu geführt, dass bei KI-Hardware von der Luftkühlung auf eine direkte Flüssigkeitskühlung des Chips umgestellt wurde. Kühlplatten, Verteiler und Schnellkupplungen erfordern allesamt bearbeitete Innengeometrien und Dichtflächen, die nicht gestanzt oder gegossen werden können.
F: Sollte eine Kühlplatte aus Kupfer oder Aluminium bestehen?
A: Kupfer leitet Wärme etwa zweieinhalbmal besser und eignet sich daher für Prozessoren mit hoher Leistung. Aluminium ist leichter, kostengünstiger und einfacher zu bearbeiten, weshalb es üblicherweise für Verteiler, Kühlkörper mit geringerer Leistung und gewichtssensible Baugruppen verwendet wird.
F: Wie eben muss die Kontaktfläche einer Kühlplatte sein?
A: Dichter als die meisten Merkmale des Bauteils, üblicherweise etwa 0,025 mm über die gesamte Fläche der Matrize hinweg, mit einer feinen Oberflächengüte. Die Ebenheit bestimmt die Dicke der thermischen Schnittstellen-Klebeverbindung, die wiederum den Gesamtwärmewiderstand beeinflusst.
F: Können Kupfer und Aluminium denselben Kühlkreislauf nutzen?
A: Nur unter Einhaltung bestimmter Vorsichtsmaßnahmen. Die beiden Metalle bilden ein galvanisches Paar, und das Aluminium korrodiert in einem leitfähigen Kühlmittel. Dies lässt sich durch eine Vernickelung des Kupfers, den Einsatz von Korrosionsinhibitoren oder die Verwendung von Materialien derselben Metallgruppe für die mit dem Kühlmittel in Berührung kommenden Teile vermeiden.
F: Wird die Zerspanung noch in der Serienfertigung eingesetzt oder nur für Prototypen?
A: Beides. Strukturteile werden bei hohen Stückzahlen oft an andere Prozesse weitergegeben, aber Kühlplatten und Verteiler werden in der Regel ebenfalls in der Fertigung bearbeitet, da es für ihre interne Kanalgeometrie bei diesen Qualitäten keine kostengünstigere Alternative gibt.
