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Amélioration des performances grâce aux échangeurs de chaleur imprimés en 3D

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Imprimées avec la plus grande précision sur l'EP-M260 d'EPlus3D, les pièces en aluminium peuvent facilement dissiper la chaleur générée et améliorer ainsi les performances de la voiture de course.

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Amélioration des performances grâce aux échangeurs de chaleur imprimés en 3D par Eplus3D

Figure 1 : Veste de refroidissement fabriquée par additif

Grâce à la technologie de fabrication additive, l'équipe de course de Formule 1 E-Stall de l'Université des sciences appliquées d'Esslingen, en Allemagne, a pu améliorer le refroidissement de la transmission électrique et de l'électronique de puissance. Imprimées avec la plus grande précision sur l'EP-M260 d'EPlus3D, les pièces en aluminium peuvent facilement dissiper la chaleur générée et donc améliorer les performances de la voiture de course.

L'équipe de course E-Stall de l'université des sciences appliquées d'Esslingen conçoit et construit une voiture de course électrique pour participer à la compétition Formula Student. Grâce à EPlus3D, trois composants ont pu être massivement améliorés, dont deux sont des échangeurs de chaleur.

Qu'est-ce que le concours Formula Student Germany ?

Dans le cadre de la Formule Student, une équipe d'étudiants construit une voiture de course monoplace avec laquelle elle affronte d'autres équipes du monde entier. La compétition n'est pas remportée uniquement par l'équipe ayant la voiture la plus rapide, mais plutôt par l'équipe ayant le meilleur ensemble de conception, de performance et de planification financière et commerciale.

La Formula Student met les membres de l'équipe au défi d'aller plus loin dans leur formation en intégrant une expérience intensive de la construction et de la fabrication, ainsi qu'en considérant les aspects économiques de l'industrie automobile. Les équipes partent du principe qu'elles sont un constructeur développant un prototype qui sera évalué en vue de la production. Le public visé est le coureur de fin de semaine non professionnel. La voiture de course doit présenter de très bonnes caractéristiques de conduite telles que l'accélération, le freinage et la maniabilité. Elle doit être proposée à un coût très raisonnable et être fiable et sûre. En outre, la valeur marchande de la voiture augmente grâce à d'autres facteurs tels que l'esthétique, le confort et l'utilisation de composants standard facilement disponibles à l'achat

Le défi auquel les équipes sont confrontées est de composer un ensemble complet comprenant une voiture de course bien construite et un plan de vente qui répond le mieux à ces critères. La décision est prise par un jury composé d'experts du sport automobile, de l'industrie automobile et des fournisseurs. Le jury évaluera la voiture et le plan de vente de chaque équipe sur la base de la construction, de la planification des coûts et de la présentation des ventes. Le reste de l'évaluation se fera sur la piste, où les étudiants démontreront, lors d'un certain nombre de tests de performance, comment leurs voitures de course auto-construites se comportent dans leur environnement réel.

À propos de l'application

Depuis de nombreuses années, E.Stall fait partie intégrante de la Formule 1 et a fait ses preuves en tant que concurrent. Sur la base des résultats des dernières saisons de course, ils ont voulu améliorer le système de refroidissement de leur voiture de course électrique en termes de fiabilité. La précédente chemise de refroidissement utilisée par l'équipe E.Stall était faite d'un polymère résistant à la température, qui était monté directement autour de l'entraînement électrique, composé de deux coquilles. L'objectif de l'enveloppe de refroidissement est de réguler la température du moteur et d'éviter toute surchauffe. Sans un refroidissement suffisant, le risque d'endommagement du moteur est assez élevé. Au cours de la saison d'utilisation de l'enveloppe de refroidissement en polymère, il a été démontré qu'une solution à deux composants est sujette à des fuites et donc à des problèmes.

Dans une voiture de course électrique à quatre roues motrices, les moteurs électriques à haute performance doivent être refroidis. Comme ces moteurs ont une densité de puissance élevée de 10kW/kg, ils surchaufferaient à pleine charge sans refroidissement. Il existe deux circuits de refroidissement, un pour chaque côté. Les quatre moteurs sont refroidis, ainsi que les onduleurs correspondants. En utilisant l'expertise d'EPlus3D en matière de conception pour la fabrication additive et sa toute dernière solution de fusion sur lit de poudre métallique EP-M260 Dual-Laser, le problème de fuite des composants de refroidissement a pu être résolu et les performances ont pu être considérablement augmentées

Grâce à la polyvalence de la technologie d'impression 3D métallique, l'équipe d'E.Stall a pu tester de nouvelles formes, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent avec les méthodes traditionnelles. En même temps, la totalité de la surface de la chemise de refroidissement peut être utilisée pour la dissipation de la chaleur grâce à la nature du matériau aluminium.

"La chemise de refroidissement imprimée en 3D sera un produit efficace et fiable. Nous avons pu créer des structures complexes, ce qui est impensable de manière conventionnelle. Avec l'aide de l'EPlus3D et des dernières technologies de fabrication additive, nous avons pu réduire l'épaisseur des parois grâce à la grande précision de l'imprimante 3D et donc réduire la taille globale des pièces."

Outre la chemise de refroidissement, EPlus 3D a aidé E-Stall avec une plaque de refroidissement pour ses onduleurs et un composant de direction. Tous deux ont également hérité de l'intégration fonctionnelle de plusieurs composants, de la conception légère et de l'amélioration des performances globales

Figure 2 : Refroidissement des onduleurs

Amélioration des performances

Grâce à l'intégration fonctionnelle du système de refroidissement, des connecteurs et du montage, les étapes d'assemblage sont économisées et la conception à sécurité intégrée n'est plus sujette aux fuites. L'épaisseur minimale des parois de la pièce permet de réduire le diamètre global et donc de créer plus d'espace pour les autres composants de la suspension qui sont basés autour du moteur électrique.

La haute qualité des impressions est cruciale pour leur fonctionnement. Une chemise de refroidissement bien ajustée et emboutie était aussi importante que la rectitude de la plaque de refroidissement pour les inverseurs. Les deux pièces ont bien rempli leurs fonctions et ont maintenu les moteurs et les onduleurs en dessous de 65°C, ce qui, selon l'équipe, est un "résultat incroyablement bon". Par rapport à la saison précédente, où les moteurs atteignaient régulièrement 120°C, l'avantage du processus de fabrication d'EPlus3D, qui permet d'intégrer le design, est clairement démontré.

Figure 4 : Simulation du flux de l'enveloppe de refroidissement

La conception de la chemise de refroidissement a permis de simuler une capacité de refroidissement de 3,8 kW. En raison de la basse température des composants, ceux-ci peuvent fonctionner plus efficacement, ce qui permet d'augmenter l'autonomie de la voiture et d'améliorer l'accélération.

Conclusion

Grâce à l'excellente ingénierie des composants et de l'ensemble des pièces et au dévouement de toute l'équipe d'E-stall, ils ont obtenu la 4e place dans les compétitions de conception technique de la FS Czech et de la FS Alpe Adria. Selon Felix Wenzelburger, Project Manager Powertrain & Vehicle Dynamics, "cette discipline est la plus importante de toutes les disciplines statiques et évalue les connaissances techniques de l'équipe et les processus qu'elle utilise pour concevoir la voiture."

En Croatie, l'équipe a terminé l'épreuve d'endurance et a obtenu la première place dans la catégorie "Efficacité". L'épreuve d'endurance teste la fiabilité de la voiture et de chaque composant. En outre, c'est dans cette discipline que le plus de points sont attribués. C'est pourquoi la réussite de l'épreuve d'endurance est l'objectif principal de chaque équipe de Formula Student et constitue donc une étape importante pour elle. Cette épreuve d'endurance montre la grande fiabilité et la fonctionnalité des échangeurs de chaleur fabriqués en fabrication additive métallique. À l'avenir, nous verrons une demande croissante de telles applications dans des domaines où la légèreté et la performance sont cruciales.

Figure 5 : Le boîtier du mécanisme de direction a également été imprimé par EPlus3D.

À PROPOS D'EPLUS3D

Eplus3D a été fondée en 2014, l'équipe technique principale a plus de 25 ans d'expérience dans la technologie AM et est engagée dans la recherche et le développement de systèmes de fabrication additive de qualité industrielle et de technologies d'application utilisant avec MPBF™ (Metal Powder Bed Fusion) , PPBF™ (Polymer Powder Bed Fusion) et la technologie d'impression 3D stéréolithographique. Eplus3D fournit des solutions d'application professionnelles pour les domaines de l'aérospatiale, de l'automobile, de l'outillage, de la santé, des biens de consommation et de la fabrication de précision.

Eplus3D dispose de trois sites à Pékin, Hangzhou et Ludwigsburg, et investit chaque année plus de 20 % de son chiffre d'affaires dans la recherche scientifique, avec des brevets d'invention, des brevets de modèle d'utilité, des droits d'auteur sur les logiciels et des brevets d'apparence. Elle a réalisé de grandes avancées dans le développement de la conception, du processus, du logiciel, des matériaux et du post-traitement pour la fabrication additive et a mis en œuvre avec succès des solutions de fabrication additive chez des clients dans plus de 40 pays et régions tels que l'Europe, les États-Unis, le Japon, la Corée du Sud et l'Asie du Sud-Est.