Будущее автоматизированного и аддитивного производства силовой электроники

В этой статье исследуется будущее автоматизированного и аддитивного производства силовой электроники, обсуждаются преимущества и ограничения использования технологий аддитивного производства для различных компонентов.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Недостатки технологии аддитивного производства

Ⅱ. Будущее автоматизированного и аддитивного производства

Ⅲ. Подведение итогов по ключевым моментам

Ⅳ. Использованная литература)

Полноценный преобразователь силовой электроники еще не создан с использованием только технологии аддитивного производства (АП). Возможно, все же придется изготовить каждый компонент преобразователей силовой электроники независимо, а затем собрать их. Имеет смысл использовать несколько технологий аддитивного производства для различных типов компонентов, поскольку каждая из них имеет свои преимущества. Однако производство конденсаторов и резисторов для преобразователей, работающих при высоких напряжениях и частотах, уже давно основано на традиционных технологиях обработки.

Рисунок 1. Потенциальные будущие автоматизированные производственные процессы в сочетании с аддитивным производством преобразователей силовой электроники. Как показывает стрелка, ранее изготовленные компоненты будут доставляться в указанном направлении. Изображение предоставлено журналом IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics.

Развитие технологии автономного производства (AMFG) позволяет полностью автоматизировать процедуру сборки. На рисунке 1 показаны потенциальные преимущества сочетания технологий автоматизированного производства и аддитивного производства с обычными стандартизированными и модульными деталями. Производственные процедуры, показанные на рисунке 1, разработаны с учетом максимального использования аддитивного производства.

Ⅰ. Недостатки технологии аддитивного производства

Традиционные технологии производства по-прежнему остаются наиболее экономичным и надежным выбором для некоторых инверторов, например, для инверторов большого объема с простой конструкцией. В таблице 1 показаны преимущества и недостатки аддитивного производства. Это предполагает, что фундаментальным недостатком аддитивного производства являются низкие характеристики материала. Это основная проблема, препятствующая использованию аддитивного производства в силовой электронике. Однако с развитием аддитивного производства и компенсирующими мерами этот вопрос постепенно решается.

Таблица 1. Преимущества и недостатки использования аддитивного производства для каждой детали

	Преимущества	Недостатки
Пассивные части	Геометрическая гибкость, помогающая минимизировать потери в обмотке. Точное дублирование расчетных размеров обмотки для контроля параметров компонентов.	низкая электропроводность; Плохая производительность на высоких частотах.
Электрические цепи	Свободная и многослойная верстка; легкость встраивания компонентов, сокращение отходов.	низкая проводимость проводящих дорожек; Высокая цена.
Управление температурным режимом и упаковка	Геометрически свободно создавать сложные и компактные конструкции с высокими тепловыми характеристиками, формируя неметаллические охладители с внутренними каналами охлаждения, новые формы упаковки.	низкая теплопроводность без последующей обработки.

Электропроводность печатных плат Nano Dimension улучшилась с 5–30 % по международному стандарту отожженной меди (IACS) до 25–50 % по IACS. 50% IACS близко соответствует стандартной проводимости печатной платы, равной 86% IACS. Поскольку удвоение размера проводящих дорожек является эффективным методом, поскольку оно не увеличивает площадь поверхности платы, послепечатная термообработка также может повысить теплопроводность сплавов, изготовленных аддитивным способом.

Помимо проблем с материалами, следующий список включает еще несколько ограничений на технологию аддитивного производства в силовой электронике.

l Отсутствие специализированного программного обеспечения и инструментов для вычислений.

l Низкая производительность и высокие затраты связаны с массовым производством.

l Надежность производственного процесса и конечной продукции.

l Разрешение и скорость печати — это компромисс.

Отсутствие специализированного программного обеспечения и инструментов для вычислений.

Критической проблемой, которую необходимо решить, является отсутствие специализированного программного обеспечения. В настоящее время программное обеспечение CAD/CAM используется для разработки компонентов аддитивного производства. Однако программное обеспечение не учитывает новые рекомендации по проектированию или методы анализа. В ближайшем будущем Nano Dimension намерена выпустить инструменты проектирования и проверки печатных плат AM. С помощью этой программы можно создавать трехмерные печатные платы, а также трехмерные электрические компоненты, интегрируя традиционные инструменты САПР, что обеспечивает плавный процесс перехода от проектирования к печати. Считается, что с развитием технологии аддитивного производства проблема программного обеспечения может быть решена.

Низкая производительность и высокие затраты связаны с массовым производством.

Кроме того, по сравнению с традиционными, цена преобразователей силовой электроники, использующих аддитивное производство, относительно высока. Если этот вопрос не удастся решить, то технология аддитивного производства будет использоваться только для единичного или мелкосерийного производства преобразователей силовой электроники.

Надежность производственного процесса и конечной продукции

Надежность процедуры является большой дополнительной проблемой. Из-за сложности большинства компонентов, созданных для аддитивного производства, иногда может быть сложно правильно создать уникальную конструкцию, используя только однократную работу. Для получения идеальных результатов необходимо регулярно изменять конфигурации процессов. Эта процедура ограничивает быстрое создание прототипов, поскольку требует много времени и ресурсов.

Печать с высоким разрешением также приводит к более тонким слоям печати и меньшим размерам элементов в плоском направлении, что продлевает продолжительность строительства и увеличивает вероятность ошибок. Шероховатость поверхности печатных компонентов обычно хуже, чем у традиционных компонентов.

Например, для проводящих дорожек значение шероховатости поверхности Sa обычно составляет менее 2 мкм. Однако Savalue напечатанной медной обмотки может достигать 20 мкм при изготовлении и всего 8,3 мкм после посттравления. Отшлифованный радиатор имеет шероховатость около 2 мкм (значение Rq), а радиатор, напечатанный на 3D-принтере, имеет шероховатость около 10 мкм. Шероховатая поверхность отрицательно влияет на поверхность сборки, увеличивает площадь поверхности и коэффициент теплообмена.

Разрешение и скорость печати — это компромиссы

В типичных условиях аддитивное производство не всегда приводит к сокращению времени обработки по сравнению с традиционными методами. Ожидаемое время изготовления детали при аддитивном производстве и традиционных методах сопоставлено в таблице 2. Сложность деталей и размер компонентов влияют на то, сколько времени потребуется для изготовления детали с использованием аддитивного производства, но этот эффект гораздо менее выражен, чем это было бы с традиционными технологиями производства.

Таблица 2. Сравнение расчетного времени сборки при аддитивном производстве и традиционных процессах

Утреннее время

Процесс

Время

печатная плата

40–100 часов для площади 160 x 160 мм.

От завершения подготовки данных до завершения производства

1-30 дней

Радиатор

3-50 часов

Экструзия

Кастинг

обработка с ЧПУ

3-10 минут/одна заготовка

1-7 минут

2-5 часов

Согласно процедуре Nano Dimension для 3D-печатных печатных плат, если размер платы небольшой, можно одновременно изготавливать несколько плат размером 160 x 160 мм, пропорционально сокращая время изготовления каждой платы. Структура и количество слоев печатной платы существенно влияют на скорость ее обработки в традиционном производстве. При производстве многослойной печатной платы или конкретной структурной платы, например печатной платы с зенковочными отверстиями, поставщики всегда требуют значительно более длительного времени выполнения заказа.

Следует подчеркнуть, что процедура экструзии является наиболее экономичным способом изготовления ребристых радиаторов. Из одного стержня можно изготовить множество радиаторов. Процессы, включая предварительный нагрев, выпрямление и старение, занимают много дополнительных часов до и после экструзии. При крупносерийном производстве среднее время обработки радиатора обычно довольно короткое.

Однако, поскольку аддитивное производство или обработка на станках с ЧПУ не требуют специально изготовленных форм, что обычно занимает от 7 до 30 дней, они являются предпочтительными вариантами для индивидуальных радиаторов с уникальной архитектурой и меньшими объемами производства. Для процесса аддитивного производства необходима только одна единица оборудования. В отличие от создания производственной линии, этот метод может быть реализован в лаборатории или местной компании.

Например, изготовление радиатора с жидкостным охлаждением и внутренними каналами потока возможно с помощью аддитивного производства практически без ограничений по геометрии. С этой точки зрения имеет смысл отнести аддитивное производство к технологии быстрого прототипирования. Поскольку 3D-печатные изделия имеют более шероховатую поверхность, чем обработанные детали, для обеспечения точности все равно необходимо использовать процесс механической обработки, что добавляет дополнительное время для обработки определенных отверстий или поверхностей с требованиями сборки.

Ⅱ. Будущее автоматизированного и аддитивного производства

Помимо того, что уже было описано, ключевым направлением исследований в области производства преобразователей силовой электроники будет сочетание автоматизации проектирования, аддитивного производства и автоматизированного производства. PowerSynth и ParaPower — это лишь два примера из множества инструментов проектирования, которые в настоящее время становятся все более совершенными и взаимосвязанными. Среда электротермомеханического проектирования может быть создана с использованием этих двух технологий в сочетании с интерфейсом прикладного программирования, что позволяет одновременно проектировать и оптимизировать силовые модули.

Анализ электрических, магнитных, тепловых и механических данных в соответствии с необходимыми рабочими параметрами и качествами материалов позволит средствам автоматизации проектирования электроники становиться умнее по мере развития технологий и автоматически завершать проектирование целых преобразователей силовой электроники. Компания AMFG обнародовала автономную производственную платформу, которая также может предложить полную комплексную интегрированную систему управления аддитивным производством.

Он может обеспечить автоматическое администрирование процессов аддитивного производства, таких как мониторинг оборудования, планирование производства и управление качеством. Он может автоматически оценивать возможность 3D-печати и преобразовывать файлы, полученные из программного обеспечения для проектирования, в формат аддитивного производства. Это обеспечивает автономный процесс аддитивного производства. В будущем проектирование и производство преобразователей силовой электроники можно будет выполнять одним щелчком мыши, что приведет к увеличению количества продуктов, изготавливаемых по индивидуальному заказу.

Ⅲ. Подведение итогов по ключевым моментам

l Технология аддитивного производства может произвести революцию в производстве преобразователей силовой электроники, однако полноценный преобразователь силовой электроники, использующий только эту технологию, еще не создан.

l Различные технологии аддитивного производства могут использоваться для различных компонентов силовой электроники, каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения.

l Развитие технологии автономного производства позволяет полностью автоматизировать процедуру сборки, что может привести к потенциальным преимуществам.

l Традиционные методы обработки по-прежнему остаются наиболее экономичным и надежным выбором для некоторых инверторов, например, инверторов большого объема с простой структурой.

l Несмотря на то, что по-прежнему существуют проблемы, связанные с использованием технологии аддитивного производства, такие как отсутствие специализированного программного обеспечения и инструментов для вычислений, низкая производительность и высокие затраты, связанные с массовым производством,

l Продолжение исследований и разработок в области аддитивной технологии производства может привести к значительному прогрессу в области силовой электроники.

Ⅳ. Использованная литература)

Чжан З. и Юань Х. (август 2022 г.). Применение и будущее автоматизированного и аддитивного производства компонентов и преобразователей силовой электроники. Журнал IEEE по новым и избранным темам силовой электроники, 10 (4), 4509–4525. https://doi.org/10.1109/jestpe.2021.3135285