WaKue X399M




Es ist mal wieder soweit. Nach über zehn Jahren baue ich mir wieder einen wassergekühlten Rechner.
Damit sich der Aufwand lohnt und der Rechner die nächsten 4-5 Jahre lang nutzbar ist, habe ich tief in die Tasche gegriffen und leistungsstarke Hardware ausgesucht. Um das Preis-/Leistungsverältnis zu verbessern wurde 1-2 Jahre alte Highend Hardware eingekauft. Diese ist deutlich stärker im Preis gefallen als die neuen Pendants an Leistung gewonnen haben. Ohnehin steigen die Preise neuer CPUs und Grafikkarten stärker als ihre Leistungen. Das hängt damit zusammen, dass die Strukturierung der Siliziumwafer bei kleineren Strukturweiten überprortional teurer wird. Auch sinkt die Ausbeute an heilen Chips pro Wafer mit wachsender Die Größe deutlich.

Hinweis:

Dies ist ein laufendes Projekt. Die Modelle sind noch nicht komplett. Ein Nachbau wird noch nicht empfohlen!


  • Eckdaten

    1. CPU: AMD Threadripper 1950x
    2. MBD: AsRock X399M Taichi (Mikro ATX)
    3. GFX: Zotac GTX 1080 Ti Mini
    4. RAM: 32 GB DDR4 3600MHz single rank (4 x 8 GB)
    5. SSD: Samsung 970 EVO 2TB NVMe M.2

  • Gehäuse

    Das Ziel des Projektes ist maximale Rechenleistung pro Volumen in einem luft- und staubdichten Gehäuse für den mobilen Einsatz.
    Die meisten wassergekühlten Rechner stecken immer noch voller lärmender und Staub ansaugender Lüfter. Abgesehen vom Lärmpegel dieser halbgaren Kühllösungen haben die meisten Nutzer anscheinend noch nie ein zwei Jahre altes Netzteil geöffnet. Der darin gesammelte Staub ist ein echter Brutplatz für Mikroben aller Art. Irgendwann gibt dann das Netzteil den Geist auf, weil die frische Luft nicht mehr die Bauteile erreicht.
    Dazu soll das Gehäuse komplett aus Acryl entworfen werden. Das Gehäuse soll so flach wie möglich sein um später wie ein Bild an der Wand hängen zu können.
    Die Stromversorgung soll wahlweise ein externes 12V oder ein 48V Netzteil übernehmen. 48V Servernetzteile mit 2kW Leistung werden günstig gebraucht angeboten. Die Auslegung auf eine niedrige Gleichspannung ermöglicht auch einen effizienteren USV-Betrieb wie beispielsweise in Kombination mit einer Solaranlage.

  • Kühlsystem

    Die Kühlung wird zum größten Teil als full custom Entwurf realisiert. Die meisten WaKü-Bauer platzieren die Pumpe irgendwo im Gehäuse. Dabei entstehen praktisch immer Schleifen im Wasserkreislauf.

    Mein Ziel bei Wasserkühlungen ist immer eine siphonfreie Wasserführung. Wenn mal etwas umgebaut werden soll, muss zuerst das Wasser raus. In den Siphons bleibt es aber stehen. Bei einer guten Wasserführung reicht das Öffnen eines Absperrventils und die gesamte Füllung läuft in einem Rutsch raus.
    Auch das Wiederbefüllen ist ohne Siphons einfacher. Wenn in einem Siphon noch Wasser steht, ist das Befüllen für die Pumpe deutlich anstrengender. Einfache Springbrunnenpumpen können den Kreislauf dann oft gar nicht mehr befüllen.

    Zunächst war mein Plan 3D-Modelle von Kupferkühlern zu erstellen. Schon vor 15 Jahren habe ich gute Erfahrungen mit gebohrten 10mm Kupferplatten gemacht. Die Anschlüsse werden dann in Form von 10mm Kupferrohren mit Weichlot befestigt. Allerdings sind Vollkupferblöcke recht schwer. Eine erste Schätzung ergab ein Rohkupfergewicht von 2kg. Auch ist der Nachbau solcher Kupfer recht anspruchsvoll. Um ein 40mm langes Loch mit 8mm Durchmesser gerade in einen 10mm Block zu bohren braucht es schon eine Bohrlehre. Kupfer zieht beim Bohren lange Fäden. Diese lassen den Bohrer schnell ausbrechen und schon hat man ein Loch in der Seite.
    Aber inzwischen gibt es ja den fantastischen 3D-Druck. Darum sollen die Kühler jetzt aus dünnen (3-4 mm starken) Messingblechen bestehen die auf gedruckte Kunststoffblöcke geschraubt werden.
    Ein häufig eingesetztes Material im 3D-Duck ist PLA. Damit erziele ich bisher die präzisesten Druckergebnisse. Leider wird PLA ab 80°C weich. Ein Betrieb ohne funktionierenden Wasserfluss werden solche Blöcke daher nicht überstehen.
    Es gibt alternative Filamente mit höheren Einsatztemperaturen. Diese haben jedoch Nachteile:
    • ABS
      Biegt sich bei größeren Objekte gerne von der Druckplatte nach oben,
    • PETG
      Zieht bei mir noch immer viele Fäden. Die gedruckten Objekte weisen auf Löcher auf.

    Zunächst werde ich es mit PLA probieren und weitere Materialien testen.

  • Ablauf

    1. Besorgen der wichtigsten Teile: CPU, Mainboard und Grafikkarte.
    2. Demontage der originalen Luftkühler.
    3. Vermessen der zu kühlenden Oberflächen. Besonders die Spannungsregler und Leistungsinduktivitäten sind aufwändig zu vermessen.
    4. Konstruktion von 3D-Modellen für die zukünftigen Kühlkörper.
    5. 3D-Druck von Kühlerprototypen.
    6. Anpassen der Komponenten an die Realität durch wiederholtes Modifizieren und Drucken. Dieser iterative Prozess erlaubt es auch schwierig zu bestimmende Maße heraus zu finden.
    7. Platzieren der angepassten Kühlkörperprototypen.
    8. Bestellen des benötigten Kupfer und Messing Halbzeugs.
    9. Spanendes Fertigen der Kupferkühler.
    10. Herausätzen von Restspänen aus den neuen Kupferkühlern.
    11. Kupferkühler auf Bauteilen montieren.
    12. Planung und Entwurf des Gehäuses.
    13. Bestellen passend zugeschnittener Acrylglasplatten.
    14. Aufbau des Gehäuses
    15. Einbau aller Komponenten in das neue Gehäuse
    16. 1. Befüllen
    17. Testbetrieb
    18. LAN Party!

  • 3D-Objekte

    Der Ansatz, die Wasserführung möglichst optimal zu gestalten, machte es erforderlich viele Spezialteile zu konstruieren und zu drucken. Jedes Objekt durchlief mehrere Entwicklungsstadien bis die Wasserführung optimal war. Um die hier aufgelisteten Objekte zu drucken, dürfte ein Heimdrucker ca. 2 Wochen benötigen.
    Es ist also etwas Geduld nötig, falls man das Projekt nachbauen will.
    In der folgenden Tabelle sind links die Quelldokumente für die freie CAD-Software FreeCAD aufgeführt. Aus jeder FreeCAD Datei wurden ein oder mehrere STL-Objekte exportiert. Die STL-Objekte werden ein- oder mehrfach gedruckt. In der rechten Spalte finden sich Hinweise zu den einzeln STL-Objekten.

    Teil FreeCAD-Modell STL-Modell Bemerkung
    Grafikkarte Zotac GTX 1080Ti Mini E0J0009a_X399M_Stuetze_Zotac1080TiMini.fcstd E0J0009a_Stuetze.stl Für den Druck so orientieren das Schriftzug nach oben zeigt
    E0J0009b_X399M_Stuetze_Zotac1080TiMini.fcstd E0J0009b_Stuetze.stl
    E0J0009d_X399M_Stuetze_Zotac1080TiMini.fcstd E0J0009d_Stuetze.stl
    E0J000R_KBlock_Zotac1080TiMini.fcstd E0J000Ra_KBlock_1080TiMini.stl Kunststoffblock
    E0J000Rb_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 80x20x3 mm
    E0J000Rc_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 8x9x91 mm
    E0J000Rd_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 66x20x3 mm
    E0J000Re_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 66x20x3 mm
    E0J000Rf_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 66x20x3 mm
    E0J000Rg_Kuehler_1080TiMini.stl Messing oder Kupferblech 60x60x3 mm
    Ausgleichbehälter 50x150 mm E0J000T_Tankdeckel_50mm.fcstd E0J000T_Tankdeckel.stl Für den Druck so orientieren das Schriftzug nach oben zeigt
    E0J000S_Tankboden_50mm.fcstd E0J000S_Tankboden.stl Nach dem Druck die beiden dünnen Hilfsringe abbrechen und mit stabilem Messer abschneiden so dass der Dichtring gleichmäßig aufliegen kann.
    Pumpenhalter E0J000Z_X399M_Stuetze_Pumpe_50x50.fcstd E0J000Za_Pumpe_Basis.stl Basisplatte mit drei Mainboard Befestigungslöchern und vier M4 Mutterfallen zur Befestigung an Gewäsewand.
    E0J000Zb_Pumpe_Feder.stl Federelement 4x ausdrucken und mit Sekundenkleber zwischen Basis und Plattform kleben.
    E0J000Zc_Pumpe_Plattform.stl Die Pumpe kann mittels Kabelbinder an diese federnd gelagerte Plattform gestrapst werden.
    E0J000Zd_Pumpe_Ring.stl Dieser Abstandsring wird auf das zu nutzende Befestigungsloch geklebt und stützt das Mainboard
    Chipsatz X399M E0J0010_X399M_KBlock_Chipsatz.fcstd E0J0010a_X399M_Chipsatz.stl Kunststoffblock für Mainboardchipsatz. Dazu die zwei Schrauben des Chipsatzkühlers auf der Unterseite entfernen.
    E0J0010b_X399M_Chipsatz.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingplatte 4mm
    Spannungsregler unten E0J0012_X399M_KBlock_VRMs_unten.fcstd E0J0012a_VRMs_unten.stl Kunststoffblock für Spannungsregler unterhalb des CPU-Sockel.
    E0J0012a_VRMs_unten.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingplatte 4x23x88 mm
    E0J0012c_VRMs_unten.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingstab 6x7x64 mm
    E0J0012d_VRMs_unten.stl Der linke und rechte Schraubsockel werden von unten durch das Mainboard per M2 Schraube befestigt. Eine eingeklebte M3 Mutter bietet ein Gewinde an welchem der Kühler von oben aufgeschraubt werden kann.
    E0J0012e_VRMs_unten.stl
    Spannungsregler rechts E0J0016_X399M_KBlock_VRMs_rechts.fcstd E0J0016a_X399M_KBlock_VRMs_rechts.stl Kunststoffblock für Spannungsregler rechts vom CPU-Sockel.
    E0J0016b_X399M_KBlock_VRMs_rechts.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingplatte 4x29x129 mm
    E0J0016c_X399M_KBlock_VRMs_rechts.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingplatte 3x29x129 mm
    E0J0016d_X399M_KBlock_VRMs_rechts.stl Säge- und Bohrvorlage für Messingplatte 3x29x129 mm
    Schraubsockel E0J0013_Schraubscheibe_M3-08.fcstd E0J0013_Schraubscheibe_M3-08.stl Unterlegscheibe für M3 Zylinderkopfschrauben.
    E0J0017_Mutternscheibe_M3-09.fcstd E0J0017_Mutternscheibe_M3-09.stl Aufnahme für M3 Muttern. Wird für den rechten Spannungsreglerkühler und den Chipsatzkühler mit Sekundenkleber auf der Mainboardunterseite festgeklebt.
    E0J000Q_SockelM4.fcstd E0J000Q_SockelM4.stl Befestigungssockel mit Mutternfalle M4. Die Sockel dienen zur Befestigung des Mainboards mittels M4x8 mm Zylinderkopfschrauben.

    Einkaufliste

    Anzahl Artikel Bezug (Beispiel)
    Schraube Zylinderkopf M3x16 Innensechskant Amazon
    Schraube Senkkopf M3x16 Torx Amazon
    Schraube Zylinderkopf M4x16 Innensechskant Amazon
    Schraube Zylinderkopf M4x25 Innensechskant Amazon
    1 Ausgleichbehälter Phobya 45151 50x150 mm Amazon
    Fitting 90° G1/4" Amazon
    1 Alphacool Eisrohr 13/10mm PETG (4 Stück) Aquatuning
    1 Silikonbiegeeinsatz 10mm Aquatuning
    1 Phobya DC12-220 12Volt Pump Aquatuning
    1 Korrosionsschutz AntiCorro-Fluid 50ml Aquatuning
    ? 10mm (3/8") Schlauchanschluss G1/4 mit O-Ring (8 Stück) Aquatuning
    1 Alphacool NexXxoS Monsta 280mm Radiator Aquatuning
    ? Alphacool Eiszapfen 13mm HardTube Anschraubtülle G1/4 (6 Stück) Aquatuning
    1 Aquacomputer Temperatursensor Innen-/Außengewinde G1/4 Aquatuning
    1 Durchflusssensor GMR Transparent G1/2 AG Highflow - inkl. Elektronik, LED und 3Pin Stecker Aquatuning
    ? Alphacool Eiszapfen Doppelnippel G1/4 AG auf G1/4 AG Aquatuning
    1 Fensterthermometer Amazon
    1 ARCTIC Thermal Pad 145x145x0,5 mm Amazon
    1 ARCTIC Thermal Pad 50x50x1,5 mm Amazon
    1 ARCTIC MX-4 Wärmeleitpaste Amazon
    1 Digital LCD Thermometer Amazon
    1 85C1 DC Kunststoff Analog Zeiger Amperemeter 100A Amazon
    1 DC Voltmeter, rechteckig, analoge Anzeige 15V Amazon

    PC-Komponenten

    Die Komponenten wurden ausgesucht um maximale Rechenleistung in kleinstem Volumen zu erreichen. Ein optisches Laufwerk wäre mir zu groß und würde die Optik stören. Für die seltenen Fälle in denen ich es brauche, verwende ich ein externes USB-Laufwerk.
    1 MBD M-ATX ASRock X399M Taichi Amazon
    1 CPU AMD Ryzen Threadripper 1950x (16 Cores 32 Threads 180W TDP) Amazon
    1 RAM 4 x 8GB DDR4 Speicher kit (3600MHz DDR4 CL17 DIMM) Amazon
    1 GFX ZOTAC GeForce GTX 1080 Ti 11GB Mini Amazon
    1 SSD Samsung 970 EVO 2TB NVMe M.2 Amazon
    1 PWR KFZ 12V ATX Netzteil 250W Amazon
    1 PWR Netzteil Corsair HX1000 Amazon
    ? Riser 90° für PCI Express 16x Amazon
    1 PCI Express Riser Cable 10cm Amazon
    1 Adapter-Kabel ATX12-P4-Stecker auf 8-Polig Amazon
    1 PCI-E PCI Express ATX 6-poliger Stecker auf Dual 8-polige und 6-polige Buchse Amazon

    Werkzeug / Verbrauchsmaterial

    1 3D Drucker CTC Bizer
    Meiner Meinung nach der Drucker mit dem besten Preis-/Leistungsverhältnis.
    Amazon
    1 3D Printer Filament PLA Silberfarben (Spule / 1Kg / 1,75mm) Amazon
    1 3-28mm Mini Rohrschneider Amazon
    1 Gewindeschneider BSP G1/4" Amazon
    1 Inbusschlüssel oder Sechskantbit 7mm (für) Eiszapfen) Amazon
    1 Schleifpapier 400er Körnung (Rohrenden anfasen) Amazon
    1 m Silikonschlauch 8 x 12 mm Amazon
    1 m Silikonschlauch 8 x 10 mm Amazon
    ? Silikonschlauch 10 x 15 mm Amazon
    1 120mm Kapton Band Amazon
    ? Amazon

    Entwurf Gregor Rebel im Früjahr 2019









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#001: 3D-Entwurf mit FreeCAD unter KUbuntu
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#002: Vorbereitung des 3D-Drucks mit Cura unter KUbuntu
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#003: 3D-Druck und Nudeln in der Kueche









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#004: Kuehlkoerperprototypen im Druck
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#005: Wenn Objekte sich von der Druckplatte loesen hilft ein umlaufendes Brim
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#006: CAD-Modell eines Kupferkuehlers fuer die Grafikkarte Zotac 1080Ti-Mini. Dieser Ansatz wurde jedoch verworfen zugunsten von gedruckten Kunststoffbloecken mit angeschraubten Metallplatten









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#007: Stuetzen Zotac 1080Ti Mini in der Druckvorbereitung
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#008: Der Kunststoffblock fuer die Grafikkarte ist bei weitem das komplexeste Objekt in diesem Projekt. Die gelben Objekte werden aus Kupfer oder Messingblechen gefertigt und angeschraubt
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#009: In der Druckvorbereitung des Grafikkartenblocks darauf achten das die Gewinde im Ein- und Auslass exportiert wurden









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#010: Beim Exportieren der STL-Datei des Tankdeckels muessen alle fuenf Final Objekte markiert werden
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#011: Oberer Tankdeckel in der Druckvorbereitung Von unten muessen alle vier Gewinde sichtbar sein
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#012: Beim Exportieren der STL-Datei des Tankbodens muessen alle drei Final Objekte markiert werden









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#013: Beim unteren Tankdeckel hatte ich zwei Fehldrucke weil sich der rechts liegende Fuss geloest hatte Ein Brim verbessert die Haftung
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#014: Die Pumpenplattform besteht aus einer Basis, einer Plattform und vier dazwischen geklebten Federn um die Vibrationen vom Gehaeuse fern zu halten
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#015: Die Federn fuer die Pumpenplattform muessen als Vollmaterial gedruckt werden um stabil genug zu sein. Niedrige Temperaturen und langsames Drucken erhoehen die Qualitaet









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#016: CAD-Modell des TR4 CPU-Blocks mit Druckhilfering
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#017: Der CPU-Kuehler wird mit vierlagigen Waenden gedruckt. Beide Gewinde muessen sichtbar sein
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#018: Die Vorlage fuer die CPU-Kuehlplatte kann mit duennen Waenden gedruckt werden









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#019: Fuer die unteren Spannungsregler ist eine mehrfach abknickende Wasserfuehrung mit stetigem Gefaelle noetig um Restwasser im Kuehler zu vermeiden
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#020: Die Platinen fuer die unteren Spannungsregler werden mit dem Schriftzug nach oben gedruckt
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#021: Bei der Druckvorbereitung fuer die unteren Spannungsregler sollte nochmal kontrolliert werden das beide Gewinde vorhanden sind. Das wird so gedruckt, dass die Dichtungsrinne oben liegt









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#022: Die rechten Spannungswandler werden durch viel Messingbleche auf ein Niveau gebracht und dann mit einem Kunststoffblock verschraubt
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#023: Unterlegscheiben und Schraubsockel braucht es in groesseren Mengen
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#024: Die Platinenvorlagen werden mit ihrer Beschriftung nach oben gedruckt









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#025: Beim Exportieren des rechten Spannungswandlerkuehlers muessen alle drei Final-Objekte markiert sein
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#026: Nochmal kontrollieren ob die Gewinde im Ein- und Auslass exportiert wurden
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#027: Bohrplan der Messingbleche fuer die rechten Spannungswandler









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#028: Der Chipsatzkuehler liegt im Nebenzweig des Wasserkreislaufes zusammen mit den Spannungsreglern und RAM-Modulen
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#029: Der Chipsatzkuehler wird mit drei Final-Objekten gemeinsam exportiert
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#030: Den Chipsatzkuehler kopfueber auf der Druckplatte orientieren damit die Dichtungsseite moeglichst sauber gedruckt wird



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#031: Die Bohrvorlage auf der Druckplatte mit dem Label nach oben platzieren