Reduzierung der KI-Prozessortemperatur um 18.5°C bei humanoiden Robotern

Überblick

Während sich humanoide Roboter von bewegungsfähigen Maschinen zu intelligenten autonomen Systemen entwickeln, ist das Wärmemanagement zu einer entscheidenden Herausforderung geworden. Hochleistungs-KI-Prozessoren, Motortreiber, Sensoren, Batterien und Leistungsmodule erzeugen in extrem kompakten mechanischen Strukturen erhebliche Wärme. Ziitek bietet umfassende Wärmemanagementlösungen, die die Systemzuverlässigkeit verbessern, thermische Drosselung verhindern und die KI-Rechenleistung maximieren.

Kundenprofil

Der Kunde ist ein führendes nationales Hightech-Unternehmen, das sich auf verkörperte KI und die Entwicklung humanoider Roboter spezialisiert hat. Das Unternehmen bedient Anwendungen in der kommerziellen Servicerobotik, für Heimassistenzroboter und in der industriellen Automatisierung.

Wichtige Kennzahlen:

• Über 300 Mitarbeiter
• Mehr als 60 % F&E-Personal
• Produktionsstätten in Shenzhen und Suzhou
• Geplante Jahreskapazität von über 50.000 Einheiten
• Humanoide Roboter mit über 41 Freiheitsgraden
• KI-Rechenleistung von über 200 TOPS
• Exportmärkte in Nordamerika, Europa, Japan und Südkorea

Mit zunehmender KI-Rechenleistung und Roboterfunktionalität wurde das Wärmemanagement zu einer der kritischsten Hürden für die Kommerzialisierung der Produkte.

Herausforderung 1: Thermische Überlastung des KI-Prozessors

Hochleistungs-KI-Prozessoren und NPUs erzeugen bei kontinuierlichen SLAM-, Wahrnehmungs- und Entscheidungsfindungsaufgaben Wärmedichten von über 150 W/cm². Herkömmliche Kühlmethoden können die Wärme in kompakten Roboterarchitekturen nicht effektiv abführen.

Lösung von Ziitek – TIF700RUS ultraweiches Wärmeleitpad

• Wärmeleitfähigkeit: 8.5 W/m·K
• Durchschlagsspannung: >5000 VAC
• Extrem geringe Härte für spannungsfreien Kontakt

Ergebnisse

• Sperrschichttemperatur des Prozessors von 98,5 °C auf 80 °C gesenkt
• Temperaturreduzierung um bis zu 18,5 °C
• Thermische Drosselung eliminiert
• Ermöglichte eine dauerhaft volle KI-Rechenleistung

Herausforderung 2: Überhitzung des Gelenkmotortreibers

MOSFETs und IGBTs des Motortreibers arbeiten bei kontinuierlich hohem Drehmoment, was zu einem schnellen Temperaturanstieg und einer verringerten Effizienz führt.

Lösung von Ziitek – Phasenwechselmaterial PCM-TIC800H

• Wärmeleitfähigkeit: 7.5 W/m·K
• Phasenwechseltemperatur: 50–60 °C
• Deutlich reduzierter thermischer Übergangswiderstand

Ergebnisse

• MOSFET-Temperatur von 112 °C auf 94 °C gesenkt
• Verlängerte Volllastbetriebszeit auf über 2 Stunden
• Verbesserte Motorzuverlässigkeit und Drehmomentstabilität

Herausforderung 3: Thermische Interferenz bei Sensoren

Präzisionssensoren und bewegliche Roboterhände enthalten dicht gepackte Mikromotoren und Signalkomponenten, die sehr empfindlich auf mechanische Belastung und Temperaturdrift reagieren.

Lösung von Ziitek – TIF090-11 Wärmeleitgel

• Einkomponentiges, dosierbares Wärmeleitgel
• Hervorragende thixotrope Eigenschaften
• Geeignet für Spalte im Mikrometerbereich
• Kein Pump-out-Effekt bei Vibrationen

Ergebnisse

• Verbesserte Sensorgenauigkeit
• Stabile Leistung bei kontinuierlicher Vibration
• Strenge Vibrationstests bestanden

Herausforderung 4: Wärmeansammlung im Akkupack und Gehäuse

Batteriesysteme und Leistungsmodule erzeugen erhebliche Wärme, während komplexe Roboterstrukturen unregelmäßige Spalte von 3–5 mm aufweisen.

Lösung von Ziitek

• Hochkomprimierbares Wärmeleitpad TIF100-30-11S
• TIF090-11 Wärmeleitgel

Ergebnisse

• Verbesserte Temperaturgleichmäßigkeit im gesamten Roboterkörper
• Reduzierte Temperaturunterschiede der Batterie
• Erhöhte Batterielebensdauer um ca. 20 %
• Verbesserte elektrische Isolierung und Sicherheit

Herausforderung 5: Schutz der Steuerung und Umgebungszuverlässigkeit

Motorsteuerungen erfordern während des Betriebs in Umgebungen mit starken Vibrationen sowohl Wärmeableitung als auch elektrische Isolierung.

ZIITEK-Lösung – TIG680 Serie wärmeleitende Vergussmasse

• Weich und elastisch
• Stoßdämpfend
• Wärmeleitfähigkeit: 2.8 W/m·K
• Flammschutzklasse UL94 V-0
• Nachbearbeitbar

Ergebnisse

• Integriertes Wärmemanagement und Umweltschutz
• Verbesserte Beständigkeit gegen Stöße und Vibrationen
• Erhöhte Langzeitzuverlässigkeit

Projekthintergrund

Im Jahr 2023 stieß der Kunde während der Prototypentests auf schwerwiegende thermische Probleme. Nach etwa 45 Minuten Dauerbetrieb mit Hockbewegungen, Objektumschlag und autonomer Navigation kam es beim Roboter aufgrund von Überhitzung zu Bewegungsverzögerungen, Gelenkblockaden und einer Abschaltung der Steuerung.

Tests ergaben:

• Temperatur des KI-Prozessors: 98.5°C
• Temperatur des Motortreiber-MOSFETs: 112°C

Der Kunde benötigte eine thermische Lösung, die:

• Kompaktes mechanisches Design beibehält
• Strukturelle Festigkeit erhält
• Zuverlässigen Betrieb von -20°C bis 60°C gewährleistet
• Unterstützung für langanhaltende KI-Arbeitslasten

Die dreistufige thermische Architektur von Ziitek

Ebene 1: Kühlung von Gelenken und Leistungsmodulen

Material: PCM-TIC800H Phasenwechselmaterial

• Absorbiert thermische Spitzen
• Reduziert den thermischen Widerstand um über 70 %
• Stabilisiert den Betrieb unter hoher Last

Ebene 2: Kühlung für KI-Computing und Energiemanagement

Material: TIF700RUS Wärmeleitpads

• Effiziente Wärmeübertragung
• Hervorragende elektrische Isolierung
• Ultraweicher Schutz der Schnittstelle

Ebene 3: Wärmeleitung für Struktur und Batterie

Materialien: TIF100-30-11S Wärmeleitpads · TIF090-11 Wärmeleitgel

• Überbrückt große Toleranzspalte
• Nutzt den Roboterrahmen als Wärmespreizer
• Verbessert das thermische Gleichgewicht der Batterie

Validierungstests

Thermischer Leistungstest:

• 72-stündiger Dauerbetrieb
• Volle KI-Rechenlast
• Alle kritischen Temperaturen blieben unter den Auslegungsgrenzen

Zuverlässigkeitsprüfungen:

• 1.000 Thermoschockzyklen
• Temperaturbereich: -40°C bis 85°C
• Keine Rissbildung, Leckage oder thermische Zersetzung beobachtet

Zeitplan der Zusammenarbeit

Empfohlene Produkte

Fazit

Da humanoide Roboter immer intelligenter und leistungsfähiger werden, ist das Thermomanagement nicht mehr nur eine unterstützende Funktion – es ist ein entscheidender Faktor, der die Systemzuverlässigkeit, die KI-Leistung und die Produktlebensdauer bestimmt.

Mit seinem umfassenden Portfolio an Wärmeleitmaterialien, Phasenwechselmaterialien, Wärmeleitgelen und Vergussmassen liefert Ziitek zuverlässige thermische Lösungen für KI-Prozessoren, Motorsteuerungen, Sensoren, Batteriesysteme und Robotersteuerungseinheiten.

Ziitek engagiert sich weiterhin für die Zukunft der Embodied-KI und der intelligenten Robotik mit fortschrittlichen Technologien für das Thermomanagement.