Resumen
El equipo de Investigación y Desarrollo (I+D) de Ricoh 3D en RICOH Company Limited utilizó ToffeeX para diseñar una innovadora placa fría para inversores, consiguiendo notables mejoras de rendimiento mediante avanzadas técnicas de optimización.
El proyecto mostró la poderosa combinación de las capacidades de diseño generativo basado en la física de ToffeeX con la vanguardista tecnología de inyección de aglutinante de aluminio de Ricoh.
La placa fría rediseñada demostró unos resultados excepcionales en múltiples parámetros de rendimiento:
- Rendimiento térmico mejorado con una resistencia térmica un 6,9% menor
- Mejora de la distribución del caudal, con una reducción del 31% de la pérdida de presión
- Una reducción significativa del 68% del peso total en comparación con el diseño tradicional de cobre
El éxito de este proyecto se logró gracias a un innovador enfoque de fabricación híbrida. Esta combinación estratégica proporcionó un rendimiento térmico superior manteniendo la rentabilidad, combinando el procesamiento convencional de chapas metálicas para la placa base con la fabricación aditiva para la estructura optimizada del núcleo y la fundición a presión para la cubierta de la carcasa.
El proceso de diseño aprovechó el flujo de trabajo de ToffeeX para reducir significativamente el tiempo de desarrollo, eliminando la necesidad de iteraciones manuales entre el diseño asistido por ordenador (CAD) y las herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD).
El producto final se validó mediante pruebas físicas, confirmando las predicciones de la simulación y demostrando la viabilidad práctica de este enfoque innovador.
El siguiente caso práctico ejemplifica cómo las herramientas de diseño de nueva generación y las técnicas de fabricación avanzadas pueden revolucionar las soluciones de gestión térmica para aplicaciones electrónicas de potencia críticas.
Introducción
Los inversores son dispositivos electrónicos de potencia fundamentales que convierten la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA), desempeñando un papel vital en diversas aplicaciones, desde los sistemas de energías renovables hasta los vehículos eléctricos.
Estos dispositivos generan un calor considerable durante su funcionamiento y, por tanto, requieren soluciones sofisticadas de gestión térmica para mantener un rendimiento y una fiabilidad óptimos en todas las condiciones.
Las crecientes demandas de densidad de potencia de las aplicaciones modernas han llevado al límite las soluciones de refrigeración convencionales, necesitando enfoques innovadores para la gestión térmica.
Este estudio de caso presenta una solución optimizada que aborda estos retos mediante las avanzadas capacidades de diseño de ToffeeX combinadas con la innovadora tecnología de inyección de aglutinante de aluminio (BJT) de Ricoh.
La solicitud
Este reto de diseño aborda un problema habitual en el diseño de disipadores de inversores, centrándose en maximizar la disipación de calor al tiempo que se minimiza la caída de presión y el peso total del sistema.
La figura siguiente muestra que el sistema presenta una placa fría en la que la entrada y la salida inciden directamente en la placa base. En la parte inferior se aplica una fuente de calor, y suelen utilizarse disipadores de aleta de espiga para maximizar la superficie y mejorar la transferencia de calor entre la fuente y el refrigerante.
El equipo de I+D de Ricoh 3D se propuso rediseñar la placa fría utilizando ToffeeX para aprovechar la optimización topológica de termofluidos para esta aplicación.
El diseño combina múltiples métodos de fabricación: la placa base se fabrica mediante procesamiento de chapa metálica, la cubierta de la carcasa se fabrica mediante fundición a presión y el núcleo de la placa fría se fabrica mediante fabricación aditiva.
Este enfoque combina métodos de fabricación rentables con procesos de AM más avanzados para obtener un rendimiento óptimo.
Proceso de diseño
ToffeeX es un software de diseño generativo basado en la física que permite a los ingenieros crear diseños de alto rendimiento de forma eficiente, combinando simulaciones CFD y técnicas de optimización propias.
El software permite la optimización simultánea de múltiples parámetros de rendimiento -como la reducción de la pérdida de presión y la maximización del rendimiento térmico- para satisfacer requisitos específicos.
Ricoh 3D se centró en dos objetivos clave en este proyecto: reducir las caídas de presión y minimizar la resistencia térmica de la placa fría.
El equipo exploró múltiples iteraciones del diseño, aplicando restricciones de simetría para aprovechar la simetría del diseño original.
El proceso generó una serie de variaciones de diseño distintas; tres de ellas se muestran en la imagen de abajo. ToffeeX produjo estos diseños en cuestión de horas, lo que permitió a los ingenieros comparar y seleccionar la solución de mejor rendimiento entre el conjunto.
Este enfoque redujo significativamente el plazo de entrega al eliminar la necesidad de iteraciones manuales entre las herramientas CAD y CFD.
El proceso de diseño se ilustra esquemáticamente en la imagen siguiente.
Resultados
El análisis del rendimiento térmico mostró mejoras significativas en el diseño optimizado.
Ricoh 3D comparó variantes: el diseño original de cobre, una variante de aluminio del diseño de referencia y la solución optimizada topológicamente ToffeeX.
El diseño optimizado consiguió una mejor disipación del calor que el diseño tradicional, reduciendo al mismo tiempo la pérdida de presión en 2000 Pa.
Un portavoz de ToffeeX comentó:
“Como el cobre tiene casi el doble de conductividad térmica que el aluminio, el diseño ToffeeX consiguió un rendimiento térmico notable en comparación con el diseño de referencia”.
La validación física se realizó utilizando un banco de pruebas personalizado con sensores de temperatura y caudalímetros precisos. El prototipo fabricado, que combinaba piezas de fabricación tradicional con la estructura central optimizada de fabricación aditiva, demostró una excelente concordancia con las predicciones de la simulación.
El producto final muestra la intrincada geometría interna, posible gracias a la avanzada tecnología BJT de Ricoh.
Las métricas de rendimiento tanto de las simulaciones como de las pruebas físicas demuestran mejoras notables:
- 68% de reducción del peso total en comparación con el diseño de cobre
- Resistencia térmica un 6,9% inferior en comparación con el diseño de cobre
- 31% de reducción de la pérdida de presión
Este enfoque de fabricación híbrida representa un equilibrio estratégico entre coste y rendimiento.
La placa base, fabricada mediante procesado convencional de chapa metálica, mantiene unos costes de producción manejables para geometrías grandes y sencillas. Mientras tanto, la estructura del núcleo fabricada aditivamente permite canales internos complejos y superficies de transferencia de calor optimizadas que serían imposibles de conseguir con los métodos de fabricación tradicionales.
Esta combinación proporciona un rendimiento térmico de primera, manteniendo unos costes de producción razonables.
Conclusión
Este caso práctico demuestra las importantes ventajas de utilizar ToffeeX para el diseño de la gestión térmica.
Las capacidades de diseño generativo basado en la física del software permitieron una rápida iteración y optimización, lo que dio como resultado una placa fría que logró mejoras notables: 68% de reducción de peso, 6,9% menos de resistencia térmica y 31% de reducción de la pérdida de presión en comparación con los diseños tradicionales.
La capacidad de ToffeeX para optimizar simultáneamente múltiples parámetros de rendimiento, teniendo en cuenta al mismo tiempo las limitaciones de fabricación, resultó inestimable para crear una solución innovadora que equilibra el rendimiento, el coste y la fabricabilidad.
El flujo de trabajo automatizado redujo significativamente el tiempo de diseño al eliminar las iteraciones manuales entre las herramientas CAD y CFD, mostrando a ToffeeX como una potente herramienta para las soluciones de gestión térmica de nueva generación.
Testimonio
El Diseñador Mecánico de RICOH Company Limited, Masato Tsuji, comentó:
“Utilizando ToffeeX, estamos acelerando nuestro ciclo de diseño y creando disipadores de calor más eficientes. Sólo tardamos unas semanas en pasar del concepto inicial a la fabricación de nuestro diseño.”
Sobre ToffeeX
Experimenta el futuro del diseño de ingeniería
ToffeeX es un software de diseño generativo basado en la nube e impulsado por la física que emplea simulaciones físicas para guiar el proceso de ingeniería, creando de forma autónoma diseños optimizados que cumplen los objetivos del usuario.