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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Teststation für Kühler - Widerstandsdraht, Isolation und Temperatursensor


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Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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Hallo,

erstmal vorweg ich bin ein Noob in dem Gebiet der Elektrotechnik, aber 
ich brauche so eine Teststation und dummerweise find ich niemand der mir 
beim Anfertigen hilft, also muss ich das irgendwie selber schaffen

die Idee dahinter:

eine Station zum Testen von CPU-Kühler. Mit echten CPU geht das schlecht 
weil die Ungleichmäßigen Verbrauch haben selbst mit 100% Auslastung und 
die Temperaturerfassung auch schlecht ist. Also muss es eine Nachbildung 
werden. Das schwierigste ist, das der Chip einer CPU ja sehr klein ist 
aber genau dieser muss gleich Groß sein wie bei einer echten CPU weil 
sonst manche Kühler einen Vorteil hätten der in Echt nicht da wäre, 
Peltierelemente daher scheiden also aus. Ein Chip ist ungefähr 17mmx9mm 
Groß und 2-3mm dick und diesen baue ich für gute Wärmeübertragung aus 
Kupfer. Auf diesem Kupferblättchen kommt ein Originaler Intel 
Heatspreader und dazwischen Wärmeleitpaste... jetzt kommts zum 
Schwierigen Teil:

Das kleine Kupferblättchen muss erhitzt werden mit ca 60-80 Watt mit 
Hilfe eines Widerstandrahtes (dafür Nutze ich ein gutes Labornetzteil), 
habe hier an Titan gedacht mit 0,2mm Durchmesser, diesen Verlege ich mit 
ein paar Bahnen unter dem Blättchen um auf eine gescheite Länge zu 
kommen. An diesem Blättchen muss auch die Temperatur gemessen werden um 
die Kühlleistung zu ermitteln (vermutlich mit einem PT100 Sensor, die 
gibts mit der Klasse A schon mit 2x2mm), dazu wird in der Mitte des 
Chips ein Loch gebohrt wo der Temperatursensor reingesteckt wird. Nun zu 
meinen Fragen:


Widerstandsdraht aus Titan: geht das mit 0,2mm oder sind da 60 Watt 
einfach zu viel? Sollte ich nen Dickeren nehmen auch wenn da der 
Widerstand dann kleiner ist? Oder was anderes als Titan?

Isolation: Wie Isoliere ich den Strom vom Widerstandsdraht so das die 
Wärme noch geleitet wird, da gibts ja Glimmerschreiben, aber muss ich da 
auf bestimmte Merkmale von dem Glimmer achten (zwecks Leitfähigkeiten 
der Wärme und Isolation vom Strom?) oder doch ein anderes Material

Sensor: die Mini-PT100 Elemente haben ganz kurze Beinchen, diese muss 
ich um circa 15cm Verlängern - muss ich die auf eine bestimmte 
Kabelqualität achten weil sonst die Messergebnisse schlechter werden?

schonmal vielen Dank für die Antworten!

Autor: Teo D. (teoderix)
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Wie wäre es mit ein/zwei Leistungswiderständen?
https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=446&LA=446
Etwas mehr Leistung.
http://www.ebg-resistors.com/de/produktbereiche/ultra-hochleistungswiderstand/

Tim V. schrieb:
> Widerstandsdraht aus Titan: geht das mit 0,2mm oder sind da 60 Watt
> einfach zu viel?

Kommt doch nur auf die Temperatur an, die er erreichen kann. Solange er 
nicht schmilzt oder heftig Chemisch mit seiner Umgebung zu reagieren 
beginnt, ist noch alles OK.

Zur elektrisch Isolierung und mechanisch Befestigung, würde sich so 
etwas sicher gut eignen:
http://www.polytec-pt.com/de/produkte/hochtemperaturklebstoffe-und-keramische-materialien/hochtemperatur-epoxide/vergussmasse/

: Bearbeitet durch User
Autor: Bastian W. (jackfrost)
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Die Bahnen mit Quarzsand oder ähnlichem füllen. Schau dir das 
Füllmaterial bei Heizpatronen mal an ( Datenblatt )

Gruß JackFrost

Autor: oszi40 (Gast)
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Tim V. schrieb:
> Das kleine Kupferblättchen muss erhitzt werden mit ca 60-80 Watt mit
> Hilfe eines Widerstandrahtes

Sorry mir würden hierzu nur 2x 2N3055 auf einem Aluklotz einfallen, der 
an einer Stelle die Maße Deiner Wünsche hat. Den Rest dann dort anbauen 
...

Autor: Stefan M. (derwisch)
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Könnte man nicht ein Heizelement eines 24V Lötkolbens benutzen?
Z.B. Weller ( 80 Watt )...

Autor: georg (Gast)
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Tim V. schrieb:
> mit ca 60-80 Watt mit
> Hilfe eines Widerstandrahtes

Das ist Unsinn, dafür gibt es Leistungswiderstände, und die sind auch 
zum Anschrauben an den Kupferblock, fertig ist die Heizung.

Es müssen ja auch keine 1000 Grad erzeugt werden, solche CPUs gibt es 
nicht. 200 Grad reicht, dafür braucht man nichts besonderes.

Georg

Autor: reihaus (Gast)
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Such mal nach Heizpatronen.
Da ist bestimmt was passendes dabei.
Oder wie schon gesagt Leistungswiderstände oder Lötkolben
da hat man Netzteil und Regelung schon dabei.

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Einzementierte Hochlastwiderstände zum Aufschrauben auf einen 
Kühlkörper.
Die dann auf einen Kupferblock und das Ganze an allen anderen Seiten 
ausser der zum zu testenden Kühlkörper isolieren.
Die Widerstände gut 30% überdimensionieren.

Autor: Henrik V. (henrik_v)
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Wie möchtest Du die Pt100 Sensoren auslesen?
Wenn Du ein Messgerät mit Vierleiteranschluß hast , dann an jedem 
Beinchen zwei Drähte anlöten. (Dabei aber das Sensorelement nicht 
Überhitzen!)

Ansonsten NTCs , die Kennlinie ist zwar nocht so linear, aber die 
Widerstandsänderung so groß, dass Leitungswiderstande (die sich auch 
durch Temperatur ändern) ignorierbar sind. Gibt's auch in Sandkorngröße 
und fast jedes Multimeter kann die genau genug auslesen.

Autor: ZF (Gast)
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Hallo Tim,

Du könntest 2 von diesen Widerständen
https://www.reichelt.de/Dickschichtwiderstaende-TO220/RTO-50F-22/3/index.html?ACTION=3&LA=2&ARTICLE=89484&GROUPID=4336&artnr=RTO+50F+22&trstct=pol_5
rückseitig auf einen 17x9x10 mm³ Kupferklotz montieren. Die 10mm Dicke 
sorgt für weitgehende Temperaturhomogenität am Heatspreader. Die 
überstehenden Teile der Widerstände thermisch Richtung Heatspreader 
isolieren, z.B. mit Glaswolle und Mylar (Rettungsdecke). Die beiden 
Widerstände elektrisch parallel schalten, bei 30 V hast Du dann 81 W 
Heizleistung.

Für die Anschlussleitung des Pt100 kannst Du dünnen Kupferlackdraht 
verwenden. Zwei solcher Drähte in der Mitte falten und gemeinsam 
vorsichtig verdrillen (Schraubstock + Akkuschrauber). Die gefaltete 
Mitte jeweils vorsichtig an ein Beinchen anlöten, fertig ist der 4-Draht 
Sensor.

Autor: ichbin (Gast)
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hallo

Besorge dir einen Leisungswiderstand der am Besten zu der vorhandenen 
Stromversorgung passt.
https://www.conrad.de/de/Search.html?searchType=REGULAR&search=TCP320F&category=%1Ft13%1Fc17441

Dazu baue einen Kupferkltz der die Abgabefläche von Widerstandsgröße auf 
die Kupferfläche des Kühlkörpers verringert.

Und als Übergang von Widerstand auf Kupferklotz und Kupferklotz zu 
Kühlkörper besorge dir je ein Stück pyrolitischer Grafitfolie.
http://www.hala-tec.de/products/interface-materials/graphite-foil-pyrolytic-anisotropic/tfo-y-pg-z18-x-y1600-wmknew.html

Darüber brauchts dann noch eine Wärmedämmhaube, damit die zugeführte 
Energie auch als Wärme über den Kühlkörper weg muss.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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Hallo,

danke für die vielen Antworten!

erstmal zum PT100 Sensor, dazu nehme ich ein Thermometer das einen 
direkten PT100 Eingang hat (kann mit Adapter angeschlossen werden), die 
Geräte haben eine Eigengenauigkeit von 0,03°c, rest ist da Ungenauigkeit 
vom Sensor, kosten ca 200-250€

zum Heizproblem: Ihr empfehlt ja Heizelemente die deutlich Größer sind, 
hat das einen Nachteil bei der Übertragung auf den kleinen Kupferchip? 
Auch sollte danach ja die Wärme der Heizelemente (Widerstände und was 
ihr alles Vorgschlagen habt) nicht auf den Heatspreader geleitet werden 
und der Abstand ist ja wirklich sehr gering zwischen Kupferchip und 
Heatspreader!

Würdet ihr generell davon abraten Widerstandsdraht zu nehmen oder würde 
das auch gehen?

Autor: Dieter (Gast)
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Bei Konstantan wäre die Regelung einfacher. Wäre eine 60W 
Minihalogenlampe eingebaut, dann würde aus U*I die Leistung gemessen und 
errechnet werden für die Regelung auf feste Verlustleistung.
17*9*3mm sind sehr wenig. Ein Array von smd-Leistungshableitern mit 
kleinen Widerständen zur Symmetrierung fielen mir da ein. Oder viele 
smd-Dioden in Reihenschaltung mit viel Strom belastet. Im Prinzip 
entsteht die Verlustleistung im Prozessor auf ähnliche Art. Das ganze 
wird in einen Cu-Körper der passenden Größe eingegossen.

Wie würden es Profis machen? Mit kleinen Elementen und kleineren 
Leistungen die Wärmeverteilung messen und dann hochinterpolieren.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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mit weniger wirds schwieriger wegen messungenauigkeit, wenn ich nur noch 
eine range vom schlechtesten zum besten kühler von 10°c habe fällt das 
halt stärker ins gewicht

Autor: Wolfgang (Gast)
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Tim V. schrieb:
> Das schwierigste ist, das der Chip einer CPU ja sehr klein ist

Das ist eine Frage der Bezugsgröße. Ein Haswell ULT GT3 2C hat eine 
Die-Fläche von 181mm², also um die 13mm Kantenlänge

Autor: Udo S. (urschmitt)
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Tim V. schrieb:
> Würdet ihr generell davon abraten Widerstandsdraht zu nehmen oder würde
> das auch gehen?

Und wie willst du die gewünschte 80W auf den Kühlkörper übertagen?
Als Beispiel: Ein ungeregelter 50Watt Lötkolben würde locker 500°C 
heiss.

Dein Problem ist die Wärme reproduzierbar zu übertragen ohne daß deine 
Widerstandsdrähte durchschmelzen.

Ein fertiges Heizelement oder Lastwiderstände bestehen auch aus 
Widerstands/Konstantandraht, nur sind die schon so in ein Gehäuse/Kapsel 
einzementiert daß man eine Chance hat die Wärme gut abzuführen.

Autor: F. F. (foldi)
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Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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Udo S. schrieb:
> Und wie willst du die gewünschte 80W auf den Kühlkörper übertagen?

isoliert ein 2mm-3mm kupferblättchen so stark das der Widerstandsdraht 
so heiß wird im Gegensatz zum Kupferblättchen? Weil die Temperaturen 
beim des Kupferblättchen sollten so 50-100°c heiß sein - ich stell den 
Strom jedenfalls so ein das eine Temperatur von 90°c bei einem Intel 
Boxed Kühler gemessen werden

was heißt denn einzementiert? Das hat wohl nichts mit Zement zu tun 
oder?

Wolfgang schrieb:
> Das ist eine Frage der Bezugsgröße. Ein Haswell ULT GT3 2C hat eine
> Die-Fläche von 181mm², also um die 13mm Kantenlänge

nehme den neuen 8700k als Bezug

Autor: Stefanus F. (Firma: Äppel) (stefanus)
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> was heißt denn einzementiert?
> Das hat wohl nichts mit Zement zu tun oder?

Doch. Impressionen dazu:
https://www.google.com/search?q=zement+widerstand&client=firefox-b&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiN_b7dwPraAhVRyqQKHbZpDNIQ_AUICygC&biw=1376&bih=658

: Bearbeitet durch User
Autor: Dieter (Gast)
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Also die Zuleitung des Stromes zieht auch schon Wärme ab. Um das 
möglichst identisch zu machen, müssen ein paar Beinchen in 
Parallelschaltung den Strom ran schaffen.
Mehr als maximal 500mA sollte ein Pin nicht an Strom liefern.

Das IC-Modell besteht aus einem 17*9*3mm (2mm) Konstantanblock. Dieser 
ist an den kleinen Enden mit einer Kontaktfläche versehen an der die 
Pins angeschlossen sind. Wärmeleitende Keramik und oben eine 
Kupferschicht bilden die Oberfläche zum Kühlkörper. Daher verbleiben nur 
noch 2mm für den Konstantanblock als Dicke.

Für die Kühlexperimente der viereckigen Prozessoren (486er, Pentium) 
bediente man sich der Dickschichttechnik auf Keramik. Auf der Unterseite 
wurden viele smd-Widerstände oder Dioden angebracht und damit geheizt.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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hallo,

hab jetzt nochmal ein bisschen weiter Leute befragt und mir wurden 
Mineralisolierte Manteilheizleiter noch empfohlen, was haltet ihr davon? 
Dann könnte ich den Chip 3mm dick machen und 1mm Tiefe und Breite Bahnen 
Fräsen lassen und so den Leiter verlegen, wäre das gut? Die haben auch 
nen Widerstand von 15ohm/m also ganz gut

ach und noch ne Grundsatzfrage: Eignet sich ein Kupferblättchen am 
besten für das Vorhaben oder doch ein anderes Material?

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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kann mir keiner was dazu sagen?

Autor: Mr. Obvious (Gast)
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Was spricht denn dagegen einen ausgemusterten Prozessor als Heizelement 
zu benutzen?

Der hat doch alle Voraussetzungen:
- der Die der Warm wird hat die richtige Größe
- Heatspreader schon dran
- passt in die originale Fassung (d.h. Montage des Kühlers unter 
Originalbedingungen)
Usw.

Früher(tm) haben wir uns aus alten 486ern Kaffewärmplatten gebaut. Warum 
sollte also eine aktuellere CPU nicht auch warm werden wenn man an den 
Pins oder Pads genug Strom zuführt? Ich mein getestet hab ichs nicht, 
aber spricht was dagegen? Ich meine nicht eine funktionierende CPU die 
rechnet, sondern tatsächlich stumpf das Netzteil aufdrehen bis die CPU 
"glüht"...

Autor: Petra (Gast)
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Alternativ, etwas komplizierter wäre mit heissen Öl eine 
Wärmeübertragung. Mittels Durchfluss und Temperaturdifferenz kann man 
die eingebrachte Leistung sehr genau nachweisen. Einen Wärmeübergang 
kann man sich sehr genau anfertigen (lassen). Braucht es nur mehr einen 
Industriethermostat, der die Temperatur und Durchfluss erzeugt und 
konstant hält.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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das mit dem alten Prozessor würde zwar mein Problem mit dem wärme 
erzeugen lösen, aber dann weiß ich nicht wie ich die temperatur vom chip 
messen soll... ich kann ja schlecht von unten durch ein loch in den chip 
reinbohren, von der seite oder so geht ja auch nicht

Autor: Dieter (Gast)
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Um die Temperatur des Chips zu bestimmen muß Deine Heizung NTC oder PTC 
Eigenschaften aufweisen. Du mußt I*U genau auf Dein P regeln. Aus U(I,T) 
bekommst Du die Temperatur ausreichend genau heraus.
Dazu wird ein defekter Prozessor ausgefräßt und das ganze mit mit einer 
guten wärmeleitfähigen Masse ausgefüllt.

Angesehen wird das Ganze mit einer IR-Kamera. Sehr viel mehr Aufwand 
treiben die Profis übrigens auch nicht, denn Aufwand kostet mehr Zeit 
und mehr Geld. Wenn noch etwas mehr gemacht wird, dann wird ein ganz 
dünnes Drähtchen als Thermoelement eingeklemmt zwischen Prozessor und 
Kühlkörper.

Und dann gibt es noch die EMV-Box in die man sich begibt, wenn man den 
Übergang von der Metallfläche zum Alukörper, d.h. diese Gesamtfläche als 
"Thermoelement" verwendet.

Die Ideen liegen so weit hier das möglich ist auf dem Tisch.

Dein Problem ist nun folgendes:
https://de.wikipedia.org/wiki/Buridans_Esel

Die Auswahl, welche Vorschläge durch Deine technischen Ausrüstungen vor 
Ort möglich sind, kann Dir keiner abnehmen. Wenn als Ergebnis am Ende 
keiner mehr übrig bleiben sollte, dann musst Du das so akzeptieren.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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zwischen Prozessor und Kühlkörper darf man nicht messen^^

egal, ich gehe jetzt nach dem Prinzip einfach auszuprobieren

frage bei nem CNC unternehmen nach wie wir das realisieren Könnten mit 
der Halterung für das ganze (also damit man die Kühler befestigen kann) 
und wie wir eine Ähnliche Nachbildung hinbekommen

mache einen 2 oder 3mm dicken Kupferblättchen mit den genau gleichen 
Maßen wie den 8700k, Lasse 1mm Breite Bahnen reinfräßen um einen 
Mineralisolierten Heizleiter reinzumachen und in der Mitte vom Chip 
kommt ein 2mmx2mmx2mm Großer PT100 Sensor

wenns Klappt hab ich wohl die beste Kühlerteststation überhaupt, wenn 
nicht dann halt ein neuer Anlauf!

Autor: Dieter (Gast)
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Ein Array von 36 SMD Dioden im SOD 323 Gehäuse oder SMD-Widerständen 
kann diese Verlustleistung auch aufbringen. Im Normalbetrieb gingen nur 
0,2...0,4W je Diode, aber mit wärmeleitenden Gießharz gefüllt und darauf 
eine Kupferkühlfläche mit dem Harz zugleich geklebt kann auch merklich 
mehr erreicht werden.

kyocera.de:
Kyocera bringt temperaturbeständiges Epoxid-Gießharz mit hoher 
Wärmeleitfähigkeit auf den europäischen Markt
Das innovative Gießharz zeichnet sich durch unerreichte 6 W/mK und eine 
hohe Fließfähigkeit aus. Zu den Anwendungsbereichen zählen neben 
Antriebsmodulen auch BGA-Packages mit langen Kupferdrähten.

Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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Hallo,

kleines Update: Hab nun alles Geplant und Fräspläne mit einem 
Maschinenbauingeneur erstellt. Nun bleibt noch eine Frage offen:

Welche Kupferligierung?

Welche Kupferligierung leitet am besten Wärme? Reines kann man ja nicht 
nehmen laut meinem Ingenieur, deswegen welche Ligierung wäre dafür am 
geeignetsten? Preis ist völlig Wurscht da es sich um einen sehr kleine 
Chip handelt.

Grüße

Autor: Werner H. (werner45)
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Autor: Tim V. (baronvonvestholm)
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da sind irgendwie tausende pdfs mit fachbegriffen und diagrammen die ich 
nicht raffe und ich finde irgendwie keine auflistung sortiert nach 
wärmeeigenschaften :(

Autor: Metallograf (Gast)
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Wähl die Kupferlegierung nach Bearbeitbarkeit, nciht nach 
Wärmeleitfähigkeit aus. Dass das Zeug beim bearbeiten nicht schmiert 
weil es butterweich ist, ist viel wichtiger als die 1% unterschiedliche 
Wärmeleitfähigkeit.

Dafür nimmst Du dann das hier zur Hand:
https://www.kupferinstitut.de/fileadmin/user_upload/kupferinstitut.de/de/Documents/Shop/Verlag/Downloads/Verarbeitung/i018.pdf

Wenn Du jetzt noch lange weile hast, kannst Du ja von den gut 
zerspanbaren das raussuchen das am besten Wärme leitet...

Autor: Metallograf (Gast)
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OK, das war vielleicht etwas viel. Man vergisst schnell dass 
Datenblätter lesen für jemand der sich mit dem speziellen Thema nicht 
gut auskennt wie böhmische Dörfer ist.

Aus Informationsdruck I018 "Spanende Bearbeitung" S.28ff sucht man sich 
die gut zerspanbaren also Gruppe 1 und schaut dort nach den 
niedriglegierten. Niedriglegiert weil es das Kupfer ist das so gut Wärme 
leitet, je mehr Legierungselemente man dazu kippt umso mehr wird die 
Wärmeleitfähigkeit gemindert. Wenn man sich dann noch aus der Ausbildung 
anno dazumal erinnert dass elektrische und Wärmeleitfähigkeit stark 
korellieren, hat man schon was wo man nachschauen kann.
S.29 oben CuPb1P, CuSP, CuTeP

Also holen wir uns I008 "Niedriglegiert Kupferwerkstoffe". Ganz am 
Anfang finden wir Bild 1, wo Cu* und Cu** die beste elektrische 
Leitfähigkeit haben. Also schauen wir uns die näher an, welche davon gut 
bearbeitbar ist. Eine Suche nach Wärmeleitfähigkeit fördert außerdem 
wieder CuSP und CuAg-Legierungen zu Tage. CuAg ist aber zerspanend 
schlecht zu bearbeiten. Aber die drei Legierungen von oben sind gut 
zerspanbar.

Ich würde mir eine von denen aussuchen: CuPb1P, CuSP, CuTeP

Autor: Metallograf (Gast)
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Werte für die Wärmeleitfähigkeit bei 20 °C‎:

hochreines Kupfer (>99,998%): ‎394 W/m*K
CuSP (W.Nr. CW114C): 374 W/m*K

Dafür ist es aber ein Standardwerkstoff für Automatendrehteile - also 
gut zerspanend zu bearbeiten.

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