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Renault reduce el coste de los faros gracias a la simulación térmica

Los faros en forma de “C” son, a día de hoy, uno de los rasgos distintivos de los automóviles de la casa francesa Renault. El costo de los mismo es atribuible, en un 30% a la parte mecánica y, ¡en un 70%!, a la parte electrónica. Por este motivo, una reducción del coste ligada a la parte electrónica de los faros supone un importante ahorro en el desarrollo total de este elemento del vehículo. A continuación, exponemos cómo Renault ha optimizado el desarrollo de los faros y, con ello, reducido los costes gracias al empleo de herramientas para el análsis térmico.

La primera generación de faros

fari auto

Figura 1. Faros de los vehículos de los segmentos C y D.

Para el desarrollo de la primera generación de faros basados completamente en LEDs, el equipo de diseño de la compañía examinó seis vehículos Renault pertenecientes a los segmentos C y D, como el Espace y el Koleos (figura 1). Primero, se estandarizaron todas las plataformas con un único sensor de altura, un nivelador estático común, un único controlador para las luces de posición, cortas y largas, un conector central común y módulos comunes para las luces delanteras cortas y largas. Este trabajo se completó en un año, habiendo examindo el desglose de los costes y estandarizado alrededor del 60% de los componentes de los faros (figura 2). Cabe señalar que los materiales plásticos utilizado representaban solo alrededor del 30% del precio total del ensamblaje. El volumen es el principal factor de coste para el precio de un faro. Sin embargo, el paso de los faros halógenos en 2012 (figura 3) a los faros LED en 2014 ha supuesto que los costes generales se hayan multiplicado por cuatro. Este hecho dio pie a considerar cómo reducir los costes en la segunda generación de faros.

Figura 2. Componentes estandarizados de un faro de la generación 1 comparados con los costes totales de un faro ensamblado.

Figura 3. La evolución de los costes y del diseño de los faros del Renault Clio entre el 2012 y el 2016.

La segunda generación de faros

Durante este periodo, los esfuerzos se centraron en el desarrollo de los faros del Renault Clio, perteneciente al segmento B. Este modelo fue sometido a un lavado de cara cuyo objetivo era introducir las luces de posición en forma de “C”, características de la marca, basadas en la tecnología LED (figura 3). La estrategia para lograrlo se sustentaba en los siguientes puntos:

  1. convertirse en el primer OEM generalista del sector del automóvil con faros basados completamente en LEDs para el segmento B;
  2. reducir el precio de los faros entre la primera y la segunda generación;
  3. obtener un mayor rendimiento de la iluminación a LED que de las anteriores del Clio;
  4. reducir 50 mm la profundidad total del faro.

La importancia de la simulación técnica

El equipo de Renault estandarizó el modelo Clio en una unidad de control electrónico LED (ECU) común, un sensor de altura común y un nivelador común. A continuación se intervino sobre las luces cortas, donde se obtuvo una reducción del precio del 30% gracias a la disminución del número de LEDs, a la reducción del 30% de la dimensión del disipador de calor y a las mejoras implementadas en el sistema óptico (tabla 1). De esta manera se obtuvo una mejora del 33% en el flujo de luz LED. La eficiencia óptima aumentó en un 25% y el tamaño total se redujo 50 mm. Gracias a las mejoras térmicas de los LEDs se pudieron aumentar la corriente y la temperatura máxima de unión y reducir el flujo a una temperatura ambiente inferior (tabla 1). Asimismo, el diseño del disipador de calor asociado dio lugar a una mejor gestión de la temperatura de unión y una mejor gestión de la reducción, por medio de simulaciones térmicas detalladas (figura 4).

Tabla 1. La evolución de las soluciones LED de la generación 1 del Renault Clio.

Figura 4. La evolución del peso de los radiadores del faro del Renault Clio de la generación 1 a la 2.

En lo que se refiere al tamaño total del proyector, la figura 5 muestra la reducción de 50 mm que se obtuvo entre la primera generación, basada en los halógenos, y la segunda, LED, gracias a un mejor montaje. En la figura 6 se pueden observar las simulaciones CFD típicas realizadas con la herramienta Simcenter FLOEFD de Siemens. Muestra los complejos flujos de aire y los efectos térmicos que se dan en las superficies del conjunto.

Figura 5. Ahorro de 50 mm obtenido al pasar de la primera a la segunda generación.

simulazione termica faro auto

Figura 6. Simulación térmica de un conjunto.

Simulación de la temperatura en diferentes condiciones

En el caso particular del análisis térmico empleado en el diseño de los faros, este suele tener el objetivo de prever el rendimiento de la iluminación con una temperatura ambiente de 23°C y una temperatura máxima de 70°C entorno al LED. Para validar las simulaciones, se efectuaron tests experimentales en los cuales se fijó la temperatura exterior en 23°C y se colocaron ocho termopares fuera del grupo (figura 7) para conocer las condiciones con el motor del vehículo encendido y apagado.

Figura 7. Posición de los ocho termopares para el test de los faros a temperatura ambiente con el motor encendido.

La figura 8 muestra las trazas temporales del termopar tanto para el motor en marcha como para el vehículo parado durante 3 horas y 30 minutos. A continuación, se encienden las luces durante 1 hora y 30 minutos con el motor encendido y apagado y, después, se evaluán las luces y el motor en estado de conducción durante 1 hora y 30 minutos. La temperaturá puede superar los 50°C en el interior del faro con el motor al ralentí y las luces encendidas durante un periodo prolongado. La temperatura de la superficie de los faros puede alcanzar los 65°C en determinadas condiciones. Mediante otros tests se demostró que con las luces cortas encendidas durante 1 hora, la temperatura interior del faro pasa a 20°C, mientras que con las luces cortas y largas encendidas a la vez, la temperatura subía 5°C.

Figura 8. Temperatura de los termopares fuera del faro en varias condiciones.

Otras pruebas han demostrado que, con una temperatura ambiente de 70°C, las luces cortas y largas encendidas y el motor en marcha, la temperatura de unión del LED está muy cerca del peor escenario posible de 150°C. La conclusión extraída fue la siguiente: no es posible diseñar un sistema a LED teniendo en cuenta todos los casos de uso. Por lo tanto, el OEM debe identificar la mejor solución posible. Por ejemplo, a 23°C, tras una hora con el motor al ralentí, el rendimiento de iluminación es del 100%, pero si la temperatura ambiente se elevaba a 50°C, el rendimiento baja a un 80%. Para cumplir con la especificación, fue necesario añadir un sensor térmico al circuito impreso, de modo que la corriente se redujese en el caso de que la temperatura del LED superase un límite determinado. Llegados a ese punto, es posible realizar una reducción térmica y una reducción del flujo del faro LED completo.

Futuros desarrollos

Posteriormente, se puso en marcha un plan de acción para abordar la simulación y las pruebas de iluminación en la modalidad de los ciclos de conducción transitorios (figura 9). Como OEM, se buscaba poder simular el impacto de la velocidad del automóvil en el rendimiento térmico de la iluminación y, particularmente, en la variación térmica debida a la velocidad para cada uno de los motores de la casa Renault. Esto hará que, en el futuro, el uso del software CFD resulte fundamental para los diseñadores de la iluminación.

Figura 9. Medidas de la temperatura del faro en situaciones con el motor al mínimo.

De igual manera, es necesario poder modelar el comportamiento térmico del compartimiento del motor en paralelo a la simulación de los faros, ya que estos se influyen entre sí. Y, también, resulta fundamental la gestión térmica dentro del faro en el caso de la presencia de inductores térmicos. En resumen, Renault considera que el OEM debe ser responsable de todo el sistema térmico asociado con el diseño de los faros.

El equipo Renault Lighting tiene el objetivo de obtener una reducción adicional del precio del faro del 50% (figura 10).

Figura 10. Hoja de ruta de Renault para la reducción de los costes de los faros de cara a la generación 3.

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Boeing utiliza las herramientas de Siemens-Mentor para diseñar sus aviones

Boeing ha decidido confiar en Siemens y los instrumentos de Mentor Graphics, parte integrante de la compañía. Estas herramientas entran a formar parte de los Second Century Enterprise Systems (2CES), centrales en la estrategia de la mayor empresa aeroespacial a nivel mundial para transformarse de cara a los desafíos propios de este siglo. El objetivo de Boeing es mantener su liderazgo durante, al menos, todo el siglo XXI y, para ello, ha elegido a Siemens, de cuyos productos se servirá a la hora de optimizar los procesos de diseño y producción, aumentando los niveles de automatización y digitalización.

Boeing ha tomado esta decisión tras haber analizado las diferentes soluciones que ofrece el mercado en base a varios parámetros, como las necesidades del sector aeroespacial o la flexibilidad de cara a posibles cambios futuros. El acuerdo señala que los softwares de Siemens cubrirán tres áreas clave: diseño de sistemas eléctricos, diseño del producto electrónico y análisis mecánico.

Este acuerdo hace referencia, de manera particular, a las herramientas que Siemens incluyó en su porfolio tras la adquisición de Mentor Graphics. De esta forma, se crea una plataforma común y estandarizada en Boeing que comprende:

  • diseño y verificación de semiconductores;
  • diseño y fabricación de circuitos impresos;
  • diseño y fabricación de sistemas eléctricos;
  • análisis térmico y fluidodinámico para el diseño mecánico.

Se trata tanto de aplicaciones generales del ámbito electrónico como de aplicaciones propias del sector aeroespacial, en el cual coexisten diferentes sistemas, destinados a funciones diversas, como la navegación y la comodidad de los pasajeros, con un especial énfasis puesto en la seguridad.

John Harnagel, Engineering Director en Boeing Defense and Space, ha declarado: “El acuerdo con Siemens-Mentor nos permitirá combinar las mejores herramientas existentes para el diseño eléctrico con la vasta experiencia y los conocimientos de Boeing en el marco de nuestro proyecto de transformación 2CES”.

Por su parte, el Presidente y CEO de Siemens PLM Software, Tony Hemmelgarn, ha afirmado lo siguiente: “La habilidad de asistir a los clientes a la hora de implementar la digitalización y la innovación es uno de nuestros puntos fuertes. Este acuerdo deja patente la confianza que Boeing deposita en Siemens al permitirle participar en la consecución de su visión. ¡Desde Siemens estamos impacientes por hacerla realidad!”.

Las herramientas de Siemens-Mentor para el sector aeroespacial

Diseño eléctrico y electrónico

  • Capital (diseño wire&harness)
  • Xpedition (diseño de circuitos impresos de gama alta)
  • PADS (plataforma completa para el diseño de circuitos impresos)
  • Precision Synthesis (síntesis FPGA)
  • ModelSim (simulación para el diseño ASIC y FPGA)
  • Questa (verificación funcional del diseño FPGA y ASIC)
  • HDS – HDL Design Series (gestión y desarrollo de proyectos HDL)
  • Vista (prototipado virtual de la arquitectura de sistema)

Análisis mecánico y CFD

  • FLOEFD (análisis CFD integrado con los sistemas de CAD mecánico)
  • FloTHERM (análisis térmico y simulación para el prototipado virtual)
  • FloMASTER (modelación térmica y fluidodinámica monodimensional)
  • Power Tester 1500A (tests térmicos para los componentes electrónicos)

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Caracterización térmica: ¿cuáles son los sectores donde llevarla a cabo?

La caracterización térmica asegura que la temperatura de un chip sea la adecuada, de manera que este pueda ofrecer unas prestaziones mejores (por ejemplo, los LEDs emiten más luz), así como una mayor fiabilidad, clave en ciertos ámbitos -como el automovilístico- donde se trata de un factor crítico para la seguridad.

T3Ster® se trata de un sistema propietario, compuesto por software y hardware, dedicado a la caracterización térmica de paquetes IC, LEDs y otros sistemas. A la hora de diseñar un chip con las características térmicas adecuadas, la resistencia térmica ha de ser lo más baja posible. La máquina de Mentor asiste en el diseño y la producción de estos dispositivos, en múltiples sectores: automoción y transportes, aeroespacial, defensa, electrónica de consumo, semiconductores, LED, laboratorios de I+D, etcétera.

T3Ster® analiza el flujo de calor hacia el ambiente, cuyo recorrido se compone de diversas secciones – como la soldadura, el circuito impreso, los materiales de la interfaz térmica o el chip semiconductor- y de componentes destinados al enfriamiento, como tubos o disipadores de calor. La tecnología de esta máquina para la caracterización térmica posibilita los test in situ con componentes activos.

Caracterización térmica: Aeroespacial y Defensa

El test térmico reviste una gran importancia en estos sectores, donde los productos defectuosos suponen un riesgo elevado.

La gama de productos T3Ster® permite:

  • Medir la conductibilidad térmica de los materiales de interfaz térmica (TIM) mediante pruebas in situ y ex situ
  • Localizar la resistencia térmica de los chips IC o de los semiconductores discretos como los MOSFETs

Caracterización térmica: Automoción y transportes

Los vehículos contienen componentes electrónicos que envejecen debido a las vibraciones a las que se ven sometidos, a las altas temperaturas y a otras condiciones ambientales como la humedad. Además, en el caso de los vehículos eléctricos, algunos dispositivos como los IGBTs han de soportar una potencia de cientos o miles de amperios para ser accionados.

La gama de productos T3Ster® -escalables- permite:

  • Realizar tests de componentes estándar como las medidas RthJC (resistencia térmica junction-to-case) en base a los últimos estándares (p.e. JEDEC JESD51-14)
  • Medir otros parámetros térmicos clásicos (como RthJA) de acuerdo con los estándares JEDEC y MIL
  • Realizar tests de paquetes multi-die mediante las funcionalidades multicanal
  • Obtener los niveles de tensión y corriente necesarios para realizar los tests de los componentes en condiciones de trabajo realistas, gracias a T3Ster Booster
  • Obtener de manera automática el ciclo de alimentación y medir el transitorio térmico del componente sometido a estrés en cualquier momento durante la realización del test, gracias a T3Ster Booster
  • Analizar la función estructural tras la realización del test transitorio térmico con el objetivo de localizar posibles fallas

Caracterización térmica: Iluminación de estado sólido

Los productos SSL exigen una especial atención al detalle durante el diseño de los paquetes LED, del ensamblaje y de los niveles de iluminación para garantizar que los LEDs cumplan con una serie de requisitos básicos relativos a factores como la intensidad de la luz o su duración.

La gama de productos T3Ster® -escalables- permite:

  • Realizar tests térmicos en cualquier momento del proceso de diseño
  • Ajustar de manera sencilla la configuración de prueba en base a los últimos tests térmicos LED (JEDEC JESD51-14, JESD51-51 y JESD51-52), gracias a MicReD
  • Crear modelos en base a los tests de paquetes LED y validar los modelos de simulación CFD detallados
  • Realizar tests térmicos y radiométricos/fotométricos combinados de paquetes LED y grupos LED de acuerdo con los últimos estándares de tests térmicos JEDEC JESD51-51, JESD51-52 y CIE 127: 2007
  • Monitorar la fiabilidad de los LEDs por medio de tests a gran escala (complemento ideal para las configuraciones de los tests LED de acuerdo con LM80)
  • Medir la resistencia térmica real junction-to-case de acuerdo con JEDEC JESD51-14
  • Crear modelos de manera automática de paquetes LED, en base a tests y con el objetivo de realizar un análisis térmico CFD en un flujo de trabajo integrado con las herramientas FLOEFD y FloTHERM

Caracterización térmica: Electrónica de consumo

Los productos de electrónica de consumo suponen unas exigencias estéticas que conllevan circuitos impresos con una densidad de componentes elevada. Por lo tanto, a la hora de diseñarlos, se han de seguir unos criterios térmicos rigurosos, tanto a nivel de sistema como de componente.

La gama de productos T3Ster®, combinada con las herramientas para la simulación CFD de Mentor, permite:

  • Medir contemporáneamente varias de las junturas del sistema, de gran utilidad para la caracterización térmica de los paquetes multi-die, tanto en posición lateral como apilada
  • Convalidar los modelos CFD detallados de los paquetes IC empleados en la electrónica de consumo aplicando la configuración dual coldplate DELPHI
  • Realizar tests completos de los LEDs empleados como linternar o en unidades de retroiluminación, gracias a la combinación de T3Ster® y TeraLED

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Simulación CFD: está llegando la FLOEFD Simulation Conference 2016

Para los diseñadores empleados en la simulación CFD es el encuentro por excelencia. La FLOEFD Simulation Conference 2016 se desarrollará el 8 y el 9 de noviembre en Frankfurt, Germany, y preve la intervención de algunos entre los mayores expertos mundiales, además de los de testimonios de importantes casos de estudio.

Los ahorros de costes y tiempo que se pueden conseguir usando FLOEFD hoy son ampliamente reconocidos por la comunidad de diseñadores CFD. Utilizando el concepto de Frontloading CFD, FLOEFD permite a los diseñadores realizar la simulación CFD desde las primeras fases de la planificación. Desde el momento que FLOEFD combina las fases del design y de la validación en un único ciclo, permite a los diseñadores seguir las rápidas modificaciones del proyecto.

La FLOEFD Simulation Conference 2016 constituye por lo tanto una oportunidad única para conocer a otros diseñadores y compartir informaciones. Pero también es una ocasión excelente para hablar directamente con el equipo de desarrollo de FLOEFD y obtener informaciones de primera mano, sea que ya utilizáis el producto, sea que os encontráis todavía en la fase de evaluación.

Tratándose de un encuentro internacional, el idioma hablado será el inglés.

La Conferencia preve presentaciones sea por lado de los utilizadores FLOEFD sea de los desarroladores del producto, así como intervenciones de expertos sobre el uso de FLOEFD en el sector industrial, sobre la tecnología conectada al CFD y sobre las tendencias en acto en la industria mencionada.

Para todos los participantes será puesta a disposición una licencia gratúita de 30 días non-transferible de FLOEFD, con los distintos módulos.

La Location:

Marriott Hotel FrancoforteFrankfurt Marriott Hotel
Hamburger Allee 2
60486 Frankfurt
Germany
Tel: +49 69 79550

A quién está dirigido el evento:

  • FLOEFD Users
  • Design/Mechanical Engineers
  • Engineering Managers
  • CFD Experts

Agenda:

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