Résumé
L’équipe de recherche et développement (R&D) de Ricoh 3D à RICOH Company Limited a utilisé ToffeeX pour concevoir une plaque froide innovante pour les onduleurs, obtenant des améliorations de performance remarquables grâce à des techniques d’optimisation avancées.
Le projet a mis en évidence la puissante combinaison des capacités de conception générative pilotée par la physique de ToffeeX et de la technologie de pointe de Ricoh en matière de projection de liant en aluminium.
La nouvelle plaque de refroidissement a donné des résultats exceptionnels dans de nombreux domaines :
- Performance thermique améliorée avec une résistance thermique inférieure de 6,9%.
- Amélioration de la distribution du flux, ce qui se traduit par une réduction de 31 % de la perte de pression
- Une réduction significative de 68% du poids total par rapport à la conception traditionnelle en cuivre
Le succès de ce projet a été obtenu grâce à une approche de fabrication hybride innovante. Cette combinaison stratégique a permis d’obtenir des performances thermiques de premier ordre tout en maintenant un bon rapport coût-efficacité, en associant le traitement conventionnel de la tôle pour la plaque de base à la fabrication additive pour la structure optimisée du noyau et au moulage sous pression pour le couvercle du boîtier.
Le processus de conception s’est appuyé sur le flux de travail de ToffeeX pour réduire considérablement le temps de développement, en éliminant le besoin d’itérations manuelles entre les outils de conception assistée par ordinateur (CAO) et de dynamique des fluides numérique (CFD).
Le produit final a été validé par des essais physiques, confirmant les prévisions de la simulation et démontrant la viabilité pratique de cette approche innovante.
L’étude de cas suivante montre comment les outils de conception de la prochaine génération et les techniques de fabrication avancées peuvent révolutionner les solutions de gestion thermique pour les applications électroniques de puissance critiques.
Introduction
Les onduleurs sont des dispositifs électroniques de puissance essentiels qui convertissent le courant continu (CC) en courant alternatif (CA), jouant un rôle vital dans diverses applications, des systèmes d’énergie renouvelable aux véhicules électriques.
Ces appareils génèrent une chaleur importante pendant leur fonctionnement et nécessitent donc des solutions de gestion thermique sophistiquées pour maintenir des performances et une fiabilité optimales dans toutes les conditions.
Les exigences croissantes en matière de densité de puissance des applications modernes ont poussé les solutions de refroidissement conventionnelles à leurs limites, nécessitant des approches innovantes en matière de gestion thermique.
Cette étude de cas présente une solution optimisée qui répond à ces défis grâce aux capacités de conception avancées de ToffeeX combinées à la technologie innovante de projection de liant aluminium (BJT) de Ricoh.
L’application
Ce défi de conception aborde un problème courant dans la conception des dissipateurs de chaleur des onduleurs, en se concentrant sur l’optimisation de la dissipation de la chaleur tout en minimisant la perte de charge et le poids total du système.
La figure ci-dessous montre que le système comporte une plaque froide où l’entrée et la sortie touchent directement la plaque de base. Une source de chaleur est appliquée en bas et des dissipateurs de chaleur à ailettes sont généralement utilisés pour maximiser la surface et améliorer le transfert de chaleur entre la source et le liquide de refroidissement.
L’équipe R&D de Ricoh 3D a cherché à redessiner la plaque froide en utilisant ToffeeX pour tirer parti de l’optimisation de la topologie thermo-fluide pour cette application.
La conception combine plusieurs méthodes de fabrication : la plaque de base est fabriquée par traitement de la tôle, le couvercle du boîtier est fabriqué par moulage sous pression et le noyau de la plaque froide est fabriqué par fabrication additive.
Cette approche combine des méthodes de fabrication rentables avec des processus d’AM plus avancés pour des performances optimales.
Processus de conception
ToffeeX est un logiciel de conception générative basé sur la physique qui permet aux ingénieurs de créer efficacement des conceptions de haute performance, en combinant des simulations CFD et des techniques d’optimisation exclusives.
Le logiciel permet l’optimisation simultanée de plusieurs paramètres de performance, tels que la réduction de la perte de pression et la maximisation de la performance thermique, afin de répondre à des exigences spécifiques.
Ricoh 3D s’est concentré sur deux objectifs clés dans ce projet : réduire les pertes de charge et minimiser la résistance thermique de la plaque froide.
L’équipe a exploré de multiples itérations de conception, en mettant en œuvre des contraintes de symétrie pour tirer parti de la symétrie de la conception originale.
Le processus a généré une série de variantes de conception distinctes ; trois d’entre elles sont présentées dans l’image ci-dessous. ToffeeX a produit ces modèles en quelques heures, ce qui a permis aux ingénieurs de comparer et de sélectionner la solution la plus performante parmi l’ensemble.
Cette approche a permis de réduire considérablement les délais d’exécution en éliminant les itérations manuelles entre les outils de CAO et de CFD.
Le processus de conception est illustré schématiquement dans l’image ci-dessous.
Résultats
L’analyse des performances thermiques a montré des améliorations significatives dans la conception optimisée.
Ricoh 3D a comparé les variantes : le modèle original en cuivre, une variante en aluminium du modèle de référence et la solution ToffeeX à topologie optimisée.
La conception optimisée a permis une meilleure dissipation de la chaleur que la conception traditionnelle tout en réduisant la perte de pression de 2000 Pa.
Un porte-parole de ToffeeX a commenté :
“Le cuivre ayant une conductivité thermique près de deux fois supérieure à celle de l’aluminium, la conception de ToffeeX a atteint des performances thermiques remarquables par rapport à la conception de référence”.
La validation physique a été réalisée à l’aide d’un banc d’essai personnalisé équipé de capteurs de température et de débitmètres précis. Le prototype fabriqué, combinant des pièces fabriquées de manière traditionnelle avec la structure centrale optimisée fabriquée de manière additive, a démontré une excellente concordance avec les prévisions de la simulation.
Le produit final présente la géométrie interne complexe rendue possible grâce à la technologie BJT avancée de Ricoh.
Les mesures de performance issues des simulations et des essais physiques démontrent des améliorations remarquables :
- Réduction de 68 % du poids total par rapport à la conception en cuivre
- Résistance thermique inférieure de 6,9 % par rapport à la conception en cuivre
- Réduction de 31 % de la perte de pression
Cette approche de fabrication hybride représente un équilibre stratégique entre le coût et la performance.
La plaque de base, fabriquée par traitement conventionnel de la tôle, permet de maintenir les coûts de production à un niveau raisonnable pour les géométries simples et de grande taille. Par ailleurs, la structure centrale fabriquée de manière additive permet d’obtenir des canaux internes complexes et des surfaces de transfert de chaleur optimisées qui seraient impossibles à réaliser avec des méthodes de fabrication traditionnelles.
Cette combinaison permet d’obtenir des performances thermiques de premier ordre tout en maintenant des coûts de production raisonnables.
Conclusion
Cette étude de cas démontre les avantages significatifs de l’utilisation de ToffeeX pour la conception de la gestion thermique.
Les capacités de conception générative du logiciel, basées sur la physique, ont permis une itération et une optimisation rapides, aboutissant à une plaque froide qui a apporté des améliorations remarquables : 68 % de réduction de poids, 6,9 % de réduction de la résistance thermique et 31 % de réduction de la perte de pression par rapport aux conceptions traditionnelles.
La capacité de ToffeeX à optimiser simultanément plusieurs paramètres de performance tout en tenant compte des contraintes de fabrication s’est avérée inestimable pour créer une solution innovante qui concilie performance, coût et fabricabilité.
Le flux de travail automatisé a considérablement réduit le temps de conception en éliminant les itérations manuelles entre les outils de CAO et de CFD, montrant ainsi que ToffeeX est un outil puissant pour les solutions de gestion thermique de la prochaine génération.
Témoignage
Masato Tsuji, concepteur mécanique de RICOH Company Limited, a commenté l’événement :
“Grâce à ToffeeX, nous accélérons notre cycle de conception et créons des dissipateurs thermiques plus efficaces. Il ne nous faut que quelques semaines pour passer du concept initial à la fabrication de notre modèle”.
À propos de ToffeeX
Découvrez l’avenir de la conception technique
ToffeeX est un logiciel de conception générative basé sur le cloud et basé sur la physique qui utilise des simulations physiques pour guider le processus d’ingénierie, créant de manière autonome des conceptions optimisées qui répondent aux objectifs de l’utilisateur.