COOL: LA SOLUTION PARFAITE - EN DEUX FOIS MOINS DE TEMPS!
Un dissipateur ELEKTRON est parfaitement adapté à son application. Les éléments indispensables à l'électronique de puissance industrielle sont "vitaux" et prennent parfois des dimensions considérables. La conception est aussi unique que les domaines d'application. Grâce à une application de simulation programmée par CADFEM, ELEKTRON AG est en mesure de fournir à ses clients une solution optimale en moitié moins de temps qu'auparavant, sans avoir besoin de connaissances approfondies en matière de simulation.
Lorsque vous ouvrez votre ordinateur portable dans le train et que vous branchez l'alimentation électrique sur la prise de bord, il est fort possible que cela ne fonctionne que parce que les dissipateurs thermiques parfaitement optimisés d'ELEKTRON AG protègent les convertisseurs du train de la surchauffe. ELEKTRON AG, dont le siège se trouve à Au, au bord du lac de Zurich, est une entreprise technologique suisse leader sur les marchés de l'industrie et de l'énergie. Fondée en 1951, l'entreprise compte un peu plus de 80 employés répartis sur trois sites et propose des solutions dans les domaines des entraînements, de l'électronique de puissance, de l'ingénierie, des systèmes de paiement, de la ville intelligente et de l'éclairage. Toutes les solutions ont en commun l'objectif de minimiser les ressources et d'augmenter l'efficacité énergétique. Dans le domaine de l'électronique, les dissipateurs thermiques sont un composant clé. Ils sont utilisés pour dissiper la chaleur et protéger contre les défaillances thermiques. .
ELEKTRON AG est une entreprise technologique suisse de premier plan qui compte un peu plus de 80 employés et qui est activement engagée sur le marché de l'énergie et des infrastructures pour la minimisation des ressources en augmentant l'efficacité énergétique. ELEKTRON se considère comme un lien entre les entreprises technologiques internationales et les besoins individuels des clients. Ainsi, la société est en mesure de proposer des solutions intelligentes pour des systèmes efficaces dans cinq domaines d'activité différents : entraînements, électronique de puissance, ingénierie, systèmes de paiement, ville intelligente et éclairage.
Dissipateurs thermiques optimisés individuellement pour l'électronique de puissance
ELEKTRON AG propose des profilés standard et librement configurables pour l'électronique de puissance en fonction des besoins du client. Les dissipateurs optimisés individuellement vont des dimensions d'une feuille de papier A4 à la taille d'une europalette. Ils sont variables en termes de distances et de longueurs des ailettes de refroidissement ainsi que d'épaisseur de base. Lors de la fabrication, ELEKTRON s'appuie sur une série de technologies éprouvées, chacune offrant des avantages spécifiques en fonction de l'application.
En tant que chef de produit pour la mécanique chez ELEKTRON AG, Sascha Walker est le premier point de contact lorsqu'il s'agit de conceptions librement configurables pour les dissipateurs thermiques. Il résume le défi : "Pour nous, les exigences spécifiques du client sont primordiales. Nous leur rendons justice en développant une solution de dissipation thermique sur mesure pour nos clients. Cela commence chez nous au stade du pré-développement, où nous examinons les différentes technologies de fabrication en conjonction avec diverses géométries. Nous simulons ensuite la performance de refroidissement du modèle. C'est ainsi que nous créons la meilleure solution de dissipation thermique individuelle, en tenant compte de la capacité de refroidissement, de la perte de pression, du matériau, du poids et des coûts."
Merveille de la simulation
Ce n'est qu'après l'évaluation du modèle virtuel optimal que ce résultat passe à la construction du prototype. Le prototype physique est une pièce individuelle et vient à la fin du processus de développement. Il s'agit de la dernière instance avant la remise au client. En raison des dimensions importantes et des coûts élevés qu'implique le prototypage, il n'est utilisé que pour la vérification réelle de la variante virtuelle optimale qui a déjà été trouvée par simulation.
Sans simulation, le prototype physique serait le point de départ des discussions et des cycles d'adaptation, ce qui a un impact négatif sur le prix et le temps. Grâce à l'utilisation d'outils de simulation automatisés, ELEKTRON AG a pu réduire de moitié le délai de mise sur le marché. Une telle augmentation massive de l'efficacité doit sembler être une merveille pour ceux qui ne sont pas familiers avec les possibilités d'application des outils de simulation modernes. Cependant, derrière cette prétendue "merveille" se cache tout simplement une richesse de savoir-faire et un logiciel puissant, deux éléments qu'ELEKTRON AG a mis en œuvre avec succès dans l'entreprise.
Simulation automatisée avec CADFEM
Ce cycle de processus très efficace est basé sur l'utilisation de la simulation automatisée. Pour y parvenir, ELEKTRON s'est tourné vers CADFEM avec un cahier des charges. CADFEM ouvre systématiquement le monde de la simulation numérique à ses clients grâce au savoir-faire qu'elle a acquis depuis 1985. En tant que Ansys Elite Channel Partner, CADFEM propose des solutions avec l'un des meilleurs fournisseurs de logiciels de simulation au monde. En particulier, les petites et moyennes entreprises (PME) et les organisations opérationnelles divisées en centres de profit bénéficient des connaissances approfondies de CADFEM en matière d'automatisation de la simulation. Vous ne devez pas nécessairement mettre en place vos propres ressources afin d'utiliser la simulation de manière plus efficace.
Exigences dans les spécifications
Sascha Walker décrit les exigences qui ont été imposées à CADFEM (Suisse) AG dans le cahier des charges : "Nous voulions une application facile à utiliser avec paramétrage et Excel comme interface utilisateur, dans laquelle la création de la géométrie et le maillage du corps - nécessaire pour le calcul de simulation - se fait automatiquement après avoir entré les conditions aux limites. Les résultats sont présentés dans un rapport HTML avec vue 3D. Toutes les données d'entrée sont traitées sur la base d'Ansys Fluent, un logiciel de simulation fiable pour la dynamique des fluides numérique (CFD). L'objectif de l'automatisation de la simulation était, avant tout, de réduire le temps nécessaire pour passer de la conception à la simulation et aux résultats."
Sascha Walker"En étroite collaboration avec CADFEM (Suisse) AG, nous avons pu automatiser le processus de simulation des dissipateurs thermiques forcés et réduire de moitié le temps de développement en moyenne. La construction finale d'un seul prototype n'est utilisée que pour la vérification réelle de la variante virtuelle optimale déjà trouvée par simulation et pour l'acceptation par le client. Cela permet d'économiser énormément de temps et d'argent".
Projet client Touchstone
CADFEM (Suisse) AG a mis en œuvre les exigences du cahier des charges comme demandé. L'efficacité de la solution a été rapidement démontrée dans l'un des premiers projets chez ELEKTRON AG. Le client voulait réduire la résistance thermique (Rth) d'un dissipateur thermique existant de dix pour cent. Pour y parvenir, l'ancien dissipateur thermique en aluminium a d'abord été analysé à l'aide de l'application CADFEM pour dissipateurs thermiques. L'analyse a montré une valeur Rth de 16,4 pour ce dissipateur thermique. La question était maintenant de savoir si une conception modifiée (utilisant l'extrusion ou le soudage laser comme technologie de fabrication) permettrait de réaliser les économies nécessaires.
L'application CADFEM sur les dissipateurs thermiques a fourni une réponse appropriée aussi rapidement que de manière fiable. La saisie est très simple et peut être effectuée par toute personne travaillant dans la conception. Lorsque l'application est lancée, un formulaire Excel clair s'ouvre. Les champs qui nécessitent une saisie sont surlignés en bleu. Les dimensions de base du dissipateur thermique sont saisies sous forme de longueur et de largeur, ainsi que la hauteur de la plaque de base. Le type de matériau prévu est également enregistré dans Excel. Il est tout aussi facile de définir le nombre, la largeur et la hauteur des paquets d'ailettes. Le matériau peut être sélectionné pour chaque paquet d'ailettes. Avec l'extrusion comme type de production, les spécifications de matériaux spécifiques à la production sont identiques pour tous les paquets et la plaque de base. Avec le soudage au laser, la flexibilité est plus grande, puisque différents matériaux d'ailettes peuvent être appliqués sur la plaque de base.
À l'étape suivante, les valeurs du cas de charge (surfaces des sources de chaleur) et les paramètres de refroidissement (température et vitesse d'entrée) sont saisis. En outre, la hauteur d'extrusion et la puissance du dispositif semi-conducteur (IGBT) peuvent être déterminées. Dans la dernière étape, un aperçu (section 2D) de la géométrie est montré dans l'évaluation, dans laquelle il y a encore une fois la possibilité de faire des ajustements.
D'une simple pression sur un bouton, le calcul peut être lancé dans Ansys Workbench à partir du formulaire Excel. Cet environnement de travail de simulation contient plusieurs logiciels et supporte le "Ansys Customization Toolkit", en abrégé ACT, avec lequel les processus de simulation peuvent être automatisés sous forme de "wizards". Le script ACT, programmé par CADFEM pour ELEKTRON, reprend indépendamment les valeurs du formulaire Excel et configure la géométrie dans Ansys SpaceClaim, un programme de CAO 3D à part entière, représentant une base solide pour les calculs et les modèles.
Dès que la géométrie est en place, l'"outil de maillage" d'Ansys Workbench prend automatiquement en charge le maillage du modèle. Plus le maillage de la géométrie est serré, plus le nombre de nœuds qui fournissent un retour d'information à la simulation sur les conditions physiques respectives à ce point est élevé. Comme les dissipateurs thermiques ELEKTRON peuvent prendre de grandes dimensions avec des centaines d'ailettes de refroidissement, CADFEM a inclus un maillage structuré avec un "dimensionnement des bords" dans le flux. Cela réduit le calcul aux points pertinents et accélère le processus de calcul sans perdre en importance.
Une fois que le maillage intelligemment structuré a été mis en place, Ansys Fluent est automatiquement lancé afin d'effectuer la simulation de l'écoulement (CFD). Ici, toutes les informations provenant des valeurs Excel et des modèles 3D SpaceClaim sont réunies sous la forme d'un "journal" généré dynamiquement et passent par toutes les itérations de la simulation CFD.
Comme rapport de résultat, un "Rapport de simulation de dissipateur thermique" détaillé s'ouvre en HTML dans le navigateur. Il contient toutes les informations, tableaux et diagrammes concernant les paramètres utilisés dans la simulation ainsi que les résultats. Le modèle 3D s'y trouve également à la fin. Les zones critiques sont immédiatement visibles dans le dégradé de couleurs, et une fonction de zoom et de rotation permet une visualisation précise. Tout cela sans quitter l'environnement du navigateur.
La demande du client est résolue en un temps record
Pour répondre à l'exigence du client décrite au début, Sascha Walker a effectué trois calculs à l'aide de l'application CADFEM : un pour la conception précédente du dissipateur thermique, avec une valeur Rth de 16,4, puis une version extrudée, qui s'est avérée inutile avec une valeur Rth de 19,7, et enfin une version soudée au laser, qui a donné une valeur Rth de 14. À partir de l'amélioration de 10 % de la valeur Rth demandée par le client, ELEKTRON a pu présenter une conception optimisée du dissipateur thermique avec une amélioration de 14 %. Les attentes du client ont été clairement dépassées. À ce succès s'ajoute la rapidité avec laquelle l'optimisation a été réalisée. Sascha Walker résume la situation de manière positive : "En étroite collaboration avec CADFEM (Suisse) AG, nous avons pu automatiser le processus de simulation des dissipateurs thermiques forcés et réduire de moitié le temps de développement en moyenne. Dans l'exemple spécifique qui nous occupe, ce temps a été largement dépassé. Avec l'approche standard, nous avions besoin de 12 heures. Cependant, avec l'automatisation de l'application CADFEM sur les dissipateurs thermiques, nous avons atteint l'objectif en 5 heures." Un résultat "cool" qui a incité ELEKTRON AG à augmenter les tests de conception en combinaison avec la simulation comme un service précieux pour ses clients..
ELEKTRON AG
Sascha Walker
www.elektron.ch
Auteurs: Thomas Löffler (rédacteur indépendant)
Images: © ELEKTRON AG
Publié: Décembre, 2022
