Zusammenfassung
Das Forschungs- und Entwicklungsteam (F&E) von Ricoh 3D bei RICOH Company Limited nutzte ToffeeX, um eine innovative Kühlplatte für Wechselrichter zu entwerfen, die durch fortschrittliche Optimierungstechniken bemerkenswerte Leistungssteigerungen erzielte.
Das Projekt zeigte die leistungsstarke Kombination der physikgesteuerten generativen Designfähigkeiten von ToffeeX mit der hochmodernen Aluminium-Binder-Jetting-Technologie von Ricoh.
Die neu gestaltete Kühlplatte zeigte außergewöhnliche Ergebnisse bei mehreren Leistungskennzahlen:
- Verbesserte thermische Leistung mit einem um 6,9% niedrigeren Wärmewiderstand
- Verbesserte Strömungsverteilung, die zu einer 31%igen Reduzierung des Druckverlustes führt
- Eine deutliche Reduzierung des Gesamtgewichts um 68% im Vergleich zum traditionellen Kupferdesign
Der Erfolg dieses Projekts wurde durch einen innovativen hybriden Fertigungsansatz erreicht. Diese strategische Kombination lieferte eine erstklassige thermische Leistung bei gleichbleibender Kosteneffizienz. Dabei wurde die konventionelle Blechverarbeitung für die Grundplatte mit der additiven Fertigung für die optimierte Kernstruktur und dem Druckguss für den Gehäusedeckel kombiniert.
Der Designprozess nutzte den ToffeeX-Workflow, um die Entwicklungszeit erheblich zu verkürzen, da manuelle Iterationen zwischen CAD- und CFD-Tools (Computational Fluid Dynamics) nicht mehr erforderlich waren.
Das Endprodukt wurde durch physikalische Tests validiert, die die Vorhersagen der Simulationen bestätigten und die Praxistauglichkeit dieses innovativen Ansatzes demonstrierten.
Die folgende Fallstudie veranschaulicht, wie Design-Tools der nächsten Generation und fortschrittliche Fertigungstechniken das Wärmemanagement für kritische Anwendungen der Leistungselektronik revolutionieren können.
Einführung
Wechselrichter sind wichtige leistungselektronische Geräte, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln. Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedenen Anwendungen, von erneuerbaren Energiesystemen bis hin zu Elektrofahrzeugen.
Diese Geräte erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme und erfordern daher ausgeklügelte Wärmemanagementlösungen, um unter allen Bedingungen eine optimale Leistung und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Die steigenden Anforderungen an die Leistungsdichte moderner Anwendungen haben konventionelle Kühllösungen an ihre Grenzen gebracht und machen innovative Ansätze für das Wärmemanagement erforderlich.
In dieser Fallstudie wird eine optimierte Lösung vorgestellt, die diese Herausforderungen durch die fortschrittlichen Designfähigkeiten von ToffeeX in Kombination mit der innovativen Aluminium Binder Jetting Technology (BJT) von Ricoh angeht.
Die Anwendung
Diese Design-Herausforderung befasst sich mit einem häufigen Problem bei der Entwicklung von Kühlkörpern für Wechselrichter. Der Schwerpunkt liegt auf der Maximierung der Wärmeableitung bei gleichzeitiger Minimierung des Druckabfalls und des Gesamtgewichts des Systems.
Die Abbildung unten zeigt, dass das System über eine Kühlplatte verfügt, bei der der Ein- und Auslass direkt auf die Grundplatte auftrifft. An der Unterseite ist eine Wärmequelle angebracht. Üblicherweise werden Kühlkörper mit Stiftrippen verwendet, um die Oberfläche zu maximieren und die Wärmeübertragung zwischen der Quelle und dem Kühlmittel zu verbessern.
Das Forschungs- und Entwicklungsteam von Ricoh 3D wollte die Kühlplatte mit ToffeeX neu gestalten, um die Optimierung der Thermofluid-Topologie für diese Anwendung zu nutzen.
Das Design kombiniert mehrere Fertigungsmethoden: Die Grundplatte wird durch Blechverarbeitung hergestellt, der Gehäusedeckel durch Druckguss und der Kühlplattenkern durch additive Fertigung.
Dieser Ansatz kombiniert kostengünstige Fertigungsmethoden mit fortschrittlicheren AM-Prozessen für optimale Leistung.
Entwurfsverfahren
ToffeeX ist eine physikalisch basierte , generative Design-Software, die es Ingenieuren ermöglicht, durch die Kombination von CFD-Simulationen und proprietären Optimierungstechniken effizient Hochleistungsdesigns zu erstellen.
Die Software ermöglicht die gleichzeitige Optimierung mehrerer Leistungsparameter, wie z.B. die Reduzierung des Druckverlusts und die Maximierung der thermischen Leistung, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.
Ricoh 3D konzentrierte sich bei diesem Projekt auf zwei Hauptziele: die Reduzierung der Druckverluste und die Minimierung des Wärmewiderstands der Kühlplatte.
Das Team untersuchte mehrere Design-Iterationen und implementierte Symmetriebeschränkungen, um die Symmetrie des ursprünglichen Designs zu nutzen.
Der Prozess führte zu einer Reihe von verschiedenen Designvarianten, von denen drei in der Abbildung unten zu sehen sind. ToffeeX erstellte diese Entwürfe innerhalb weniger Stunden und ermöglichte es den Ingenieuren, die beste Lösung aus der Reihe zu vergleichen und auszuwählen.
Dieser Ansatz verkürzte die Vorlaufzeit erheblich, da die Notwendigkeit manueller Iterationen zwischen CAD- und CFD-Tools entfiel.
Der Designprozess ist in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt.
Ergebnisse
Die Analyse der thermischen Leistung zeigte signifikante Verbesserungen bei dem optimierten Design.
Ricoh 3D verglich Varianten: das ursprüngliche Kupferdesign, eine Aluminiumvariante des Referenzdesigns und die topologieoptimierte Lösung ToffeeX.
Das optimierte Design erzielte eine bessere Wärmeableitung als das traditionelle Design und reduzierte gleichzeitig den Druckverlust um 2000 Pa.
Ein Sprecher von ToffeeX kommentierte:
“Da Kupfer eine fast doppelt so hohe Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium hat, erreichte das ToffeeX-Design eine bemerkenswerte thermische Leistung im Vergleich zum Referenzdesign.”
Die physische Validierung wurde mit Hilfe eines maßgeschneiderten Prüfstands mit präzisen Temperatursensoren und Durchflussmessern durchgeführt. Der gefertigte Prototyp, der herkömmlich gefertigte Teile mit der additiv gefertigten, optimierten Kernstruktur kombiniert, zeigte eine hervorragende Übereinstimmung mit den Simulationsvorhersagen.
Das Endprodukt zeigt die komplizierte interne Geometrie, die durch die fortschrittliche BJT-Technologie von Ricoh ermöglicht wird.
Die Leistungskennzahlen aus Simulationen und physischen Tests zeigen bemerkenswerte Verbesserungen:
- 68% weniger Gesamtgewicht im Vergleich zum Kupferdesign
- 6,9% geringerer Wärmewiderstand im Vergleich zum Kupferdesign
- 31% weniger Druckverlust
Dieser hybride Fertigungsansatz stellt ein strategisches Gleichgewicht zwischen Kosten und Leistung dar.
Die Grundplatte, die durch konventionelle Blechverarbeitung hergestellt wird, hält die Produktionskosten für große, einfache Geometrien überschaubar. Gleichzeitig ermöglicht die additiv gefertigte Kernstruktur komplexe interne Kanäle und optimierte Wärmeübertragungsflächen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht zu erreichen wären.
Diese Kombination liefert eine erstklassige thermische Leistung bei gleichzeitig angemessenen Produktionskosten.
Fazit
Diese Fallstudie zeigt die bedeutenden Vorteile der Verwendung von ToffeeX für das Wärmemanagement-Design.
Die physikgesteuerten generativen Designfunktionen der Software ermöglichten eine schnelle Iteration und Optimierung. Das Ergebnis war eine Kühlplatte, die bemerkenswerte Verbesserungen erzielte: 68 % weniger Gewicht, 6,9 % weniger Wärmewiderstand und 31 % weniger Druckverlust im Vergleich zu herkömmlichen Designs.
Die Fähigkeit von ToffeeX, mehrere Leistungsparameter gleichzeitig zu optimieren und gleichzeitig die Einschränkungen bei der Herstellung zu berücksichtigen, erwies sich als unschätzbar wertvoll für die Entwicklung einer innovativen Lösung, die Leistung, Kosten und Herstellbarkeit in Einklang bringt.
Der automatisierte Arbeitsablauf reduzierte die Designzeit erheblich, indem er manuelle Iterationen zwischen CAD- und CFD-Tools überflüssig machte und ToffeeX als leistungsstarkes Werkzeug für Wärmemanagementlösungen der nächsten Generation präsentierte.
Zeugnis
Masato Tsuji, Mechanical Designer bei RICOH Company Limited, kommentiert:
“Mit ToffeeX können wir unseren Designzyklus beschleunigen und effizientere Kühlkörper entwickeln. Wir brauchen nur ein paar Wochen, um vom ersten Konzept zur Herstellung unseres Designs zu gelangen.
Über ToffeeX
Erleben Sie die Zukunft des Ingenieurdesigns
ToffeeX ist eine Cloud-basierte, physikgesteuerte generative Design-Software, die den Konstruktionsprozess mit Hilfe von Physiksimulationen steuert und selbstständig optimierte Designs erstellt, die den Zielen des Benutzers entsprechen.