Sommario
Il team di Ricerca e Sviluppo (R&D) di Ricoh 3D presso RICOH Company Limited ha utilizzato ToffeeX per progettare un’innovativa piastra fredda per inverter, ottenendo notevoli miglioramenti delle prestazioni grazie a tecniche di ottimizzazione avanzate.
Il progetto ha messo in mostra la potente combinazione delle capacità di progettazione generativa basata sulla fisica di ToffeeX con la tecnologia all’avanguardia di Ricoh per il getto del legante in alluminio.
La piastra fredda riprogettata ha dimostrato risultati eccezionali su diverse metriche di prestazione:
- Prestazioni termiche migliorate con una resistenza termica inferiore del 6,9%.
- Miglioramento della distribuzione del flusso con conseguente riduzione del 31% della perdita di pressione
- Una significativa riduzione del 68% del peso complessivo rispetto al tradizionale design in rame
Il successo di questo progetto è stato raggiunto grazie a un innovativo approccio produttivo ibrido. Questa combinazione strategica ha permesso di ottenere prestazioni termiche di alto livello mantenendo l’economicità, combinando la lavorazione convenzionale della lamiera per la piastra di base con la produzione additiva per la struttura centrale ottimizzata e la pressofusione per il coperchio dell’involucro.
Il processo di progettazione ha sfruttato il flusso di lavoro di ToffeeX per ridurre significativamente i tempi di sviluppo, eliminando la necessità di iterazioni manuali tra gli strumenti di progettazione assistita da computer (CAD) e di fluidodinamica computazionale (CFD).
Il prodotto finale è stato convalidato attraverso test fisici, confermando le previsioni della simulazione e dimostrando la fattibilità pratica di questo approccio innovativo.
Il seguente caso di studio esemplifica come gli strumenti di progettazione di nuova generazione e le tecniche di produzione avanzate possano rivoluzionare le soluzioni di gestione termica per le applicazioni critiche dell’elettronica di potenza.
Introduzione
Gli inverter sono dispositivi elettronici di potenza fondamentali che convertono la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC) e svolgono un ruolo fondamentale in diverse applicazioni, dai sistemi di energia rinnovabile ai veicoli elettrici.
Questi dispositivi generano un calore significativo durante il funzionamento e, pertanto, richiedono soluzioni sofisticate di gestione termica per mantenere prestazioni e affidabilità ottimali in ogni condizione.
La crescente densità di potenza richiesta dalle applicazioni moderne ha spinto le soluzioni di raffreddamento convenzionali ai loro limiti, rendendo necessari approcci innovativi alla gestione termica.
Questo caso di studio presenta una soluzione ottimizzata che affronta queste sfide grazie alle avanzate capacità di progettazione di ToffeeX combinate con l’innovativa tecnologia di iniezione del legante in alluminio (BJT) di Ricoh.
L’applicazione
Questa sfida progettuale affronta un problema comune nella progettazione dei dissipatori degli inverter, concentrandosi sulla massimizzazione della dissipazione del calore, riducendo al minimo la caduta di pressione e il peso complessivo del sistema.
La figura sottostante mostra che il sistema presenta una piastra fredda in cui l’ingresso e l’uscita impattano direttamente sulla piastra di base. Nella parte inferiore viene applicata una sorgente di calore e in genere si utilizzano dissipatori ad alette per massimizzare la superficie e migliorare il trasferimento di calore tra la sorgente e il refrigerante.
Il team di ricerca e sviluppo di Ricoh 3D ha voluto riprogettare la piastra fredda utilizzando ToffeeX per sfruttare l’ottimizzazione della topologia termo-fluida per questa applicazione.
Il progetto combina diversi metodi di produzione: la piastra di base è realizzata attraverso la lavorazione della lamiera, il coperchio dell’alloggiamento è prodotto attraverso la pressofusione e il nucleo della piastra fredda è realizzato attraverso la produzione additiva.
Questo approccio combina metodi di produzione economici con processi AM più avanzati per ottenere prestazioni ottimali.
Processo di progettazione
ToffeeX è un software di progettazione generativa basato sulla fisica che consente agli ingegneri di creare progetti ad alte prestazioni in modo efficiente, combinando simulazioni CFD e tecniche di ottimizzazione proprietarie.
Il software permette di ottimizzare simultaneamente diversi parametri di prestazione, come la riduzione della perdita di pressione e la massimizzazione delle prestazioni termiche, per soddisfare requisiti specifici.
Ricoh 3D si è concentrata su due obiettivi chiave in questo progetto: ridurre le perdite di carico e minimizzare la resistenza termica della piastra fredda.
Il team ha esplorato diverse iterazioni del progetto, implementando vincoli di simmetria per sfruttare la simmetria del progetto originale.
Il processo ha generato una serie di varianti di design distinte; tre sono riportate nell’immagine qui sotto. ToffeeX ha prodotto questi progetti in poche ore, consentendo agli ingegneri di confrontare e selezionare la soluzione più performante tra quelle proposte.
Questo approccio ha ridotto significativamente i tempi di realizzazione eliminando la necessità di iterazioni manuali tra gli strumenti CAD e CFD.
Il processo di progettazione è illustrato schematicamente nella figura seguente.
Risultati
L’analisi delle prestazioni termiche ha mostrato miglioramenti significativi nel progetto ottimizzato.
Ricoh 3D ha messo a confronto alcune varianti: il progetto originale in rame, una variante in alluminio del progetto di riferimento e la soluzione ottimizzata per la topologia ToffeeX.
Il design ottimizzato ha permesso di ottenere una migliore dissipazione del calore rispetto al design tradizionale e di ridurre la perdita di pressione di 2000 Pa.
Un portavoce di ToffeeX ha commentato:
“Poiché il rame ha una conducibilità termica quasi doppia rispetto all’alluminio, il progetto ToffeeX ha ottenuto prestazioni termiche notevoli rispetto al progetto di riferimento”.
La convalida fisica è stata condotta utilizzando un banco di prova personalizzato con sensori di temperatura e misuratori di portata precisi. Il prototipo realizzato, che combina parti prodotte in modo tradizionale con la struttura centrale ottimizzata prodotta in modo additivo, ha dimostrato un eccellente accordo con le previsioni della simulazione.
Il prodotto finale mostra l’intricata geometria interna resa possibile dall’avanzata tecnologia BJT di Ricoh.
I dati sulle prestazioni ottenuti sia con le simulazioni che con i test fisici dimostrano notevoli miglioramenti:
- Riduzione del 68% del peso complessivo rispetto al design in rame
- 6,9% di resistenza termica in meno rispetto al design in rame
- 31% di riduzione della perdita di pressione
Questo approccio produttivo ibrido rappresenta un equilibrio strategico tra costi e prestazioni.
La piastra di base, realizzata con una lavorazione convenzionale della lamiera, mantiene i costi di produzione gestibili per geometrie grandi e semplici. Nel frattempo, la struttura centrale prodotta in modo additivo consente di realizzare canali interni complessi e superfici di trasferimento del calore ottimizzate che sarebbe impossibile ottenere con i metodi di produzione tradizionali.
Questa combinazione offre prestazioni termiche di alto livello, pur mantenendo costi di produzione ragionevoli.
Conclusione
Questo caso di studio dimostra i notevoli vantaggi dell’utilizzo di ToffeeX per la progettazione della gestione termica.
Le funzionalità di progettazione generativa basata sulla fisica del software hanno consentito una rapida iterazione e ottimizzazione, dando vita a una piastra fredda che ha ottenuto notevoli miglioramenti: 68% di riduzione del peso, 6,9% di riduzione della resistenza termica e 31% di riduzione della perdita di pressione rispetto ai progetti tradizionali.
La capacità di ToffeeX di ottimizzare simultaneamente diversi parametri di prestazione, tenendo conto dei vincoli di produzione, si è rivelata preziosa per creare una soluzione innovativa in grado di bilanciare prestazioni, costi e producibilità.
Il flusso di lavoro automatizzato ha ridotto significativamente i tempi di progettazione eliminando le iterazioni manuali tra gli strumenti CAD e CFD, dimostrando che ToffeeX è uno strumento potente per le soluzioni di gestione termica di prossima generazione.
Testimonianza
Il progettista meccanico di RICOH Company Limited, Masato Tsuji, ha commentato:
“Utilizzando ToffeeX, stiamo accelerando il nostro ciclo di progettazione e creando dissipatori di calore più efficienti. Ci vogliono solo poche settimane per passare dall’idea iniziale alla produzione del nostro progetto”.
Informazioni su ToffeeX
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ToffeeX è un software di progettazione generativa basato sul cloud e basato sulla fisica che utilizza simulazioni fisiche per guidare il processo di progettazione, creando autonomamente progetti ottimizzati che soddisfano gli obiettivi dell’utente.