Team Octane Racing et EOS optimisent le refroidissement du moteur de la voiture avec FA
COEP Technological University - Histoire d'une réussite
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Liberté de conception pour les géométries internes complexes
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Assure une grande résistance structurelle
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La conception intégrée améliore l'absorption de la chaleur
Chez Team Octane Racing, nous pensons que l'excellence en matière d'ingénierie est frittée couche par couche. Grâce à l'impression 3D métal de pointe d'EOS, nous avons conçu le boîtier parfait pour nos moteurs de moyeu, donnant ainsi vie à la première voiture de course FS de l'Inde équipée de moteurs de moyeu.
Piyush Goyal | Capitaine, Team Octane Racing
L'équipe Octane Racing s'est lancée dans un projet ambitieux : construire la première voiture de course indienne de type Formula Student, équipée de deux moteurs synchrones à aimant permanent (PMSM) montés sur le moyeu.
Les méthodes de fabrication traditionnelles se sont révélées incapables de produire la conception complexe et intégrée requise. C'est ce qui a conduit l'équipe à explorer la fabrication additiveFAFAFA d'EOS.
Le résultat a été un carter de moteur innovant et léger, doté de canaux de refroidissement conformes intégrés, fabriqués à l'aide de la technologie DMLS, qui a permis de gérer avec succès les charges thermiques et d'obtenir des performances optimales et soutenues du moteur.
Le client et le projet
Team Octane Racing est l'équipe officielle de Formule Étudiante de l'Université Technologique COEP de Pune, en Inde. Fondée en 2010, l'équipe a une riche histoire dans la conception et la construction de voitures de course de style F1 pour des compétitions nationales et internationales prestigieuses telles que Formula Bharat et Formula Student Germany. Elle a l'expérience de la construction de plusieurs voitures de course à moteur à combustion interne et à véhicule électrique.
L'objectif du projet était de mettre au point la première voiture de course indienne de type Formula Student équipée de deux moteurs synchrones à aimant permanent à haute densité de puissance montés directement dans les moyeux de roue. Une partie essentielle de ce projet consistait à concevoir et à fabriquer un nouveau boîtier sur mesure pour ces moteurs, intégrant un système de refroidissement efficace.
Ces moteurs à haute densité de puissance, combinés à des conditions ambiantes chaudes, représentaient un défi important en matière de gestion thermique. Générant une chaleur importante (nécessitant une dissipation thermique pouvant atteindre 2,2 kW), ils avaient besoin d'une solution de refroidissement efficace dans l'espace restreint du moyeu de roue.
Le défi
La principale exigence technique était de créer un boîtier sur mesure avec une gestion thermique efficace pour les nouveaux moteurs de moyeu PMSM à haute densité de puissance.
Les moteurs génèrent une chaleur importante, jusqu'à 2,2 kW par moteur, qui doit être dissipée. Une chaleur non gérée réduit considérablement l'efficacité et les performances du moteur et peut entraîner une défaillance des composants, notamment une rupture de l'isolation, des défauts de roulement, des dommages au bobinage et une démagnétisation de l'aimant. Un refroidissement efficace était donc primordial pour maintenir des performances optimales et assurer la longévité du moteur.
Plusieurs contraintes de conception ont compliqué la tâche. Le fabricant du moteur a spécifié une enveloppe de carter étroite : 90 mm de diamètre intérieur, 120 mm de diamètre extérieur et 105 mm de longueur. En outre, l'espace à l'intérieur de la roue était extrêmement limité, ce qui interdisait l'ajout d'une enveloppe de refroidissement séparée à l'extérieur du diamètre de 120 mm du carter. Il a donc fallu intégrer le carter du moteur et un système de refroidissement efficace, en particulier une enveloppe de refroidissement conforme, dans un seul composant intégré. La conception devait maximiser à la fois l'intégrité structurelle et les capacités de dissipation de la chaleur.
Les techniques de fabrication traditionnelles telles que l'usinage ou le moulage n'offraient pas suffisamment de liberté de conception pour les canaux de refroidissement en spirale internes complexes requis. Il était difficile, voire impossible, d'intégrer le boîtier et l'enveloppe de refroidissement de manière transparente en utilisant ces méthodes. Pour atteindre les objectifs de performance souhaités avec les approches traditionnelles, il aurait probablement fallu un composant beaucoup plus lourd et plus grand, avec une mauvaise utilisation des matériaux (estimée à 25-30 %).
La solution : Fabrication additive EOS
Après des itérations de conception et des études de faisabilité approfondies, la méthode DMLS, qui fait appel à un système d'imagerie par résonance magnétique, a été retenue. EOS M 290 a été identifiée comme la solution de fabrication idéale. Le DMLS offre la liberté de conception nécessaire pour les géométries internes complexes, offre un potentiel important de réduction du poids et garantit une grande résistance structurelle. Un alliage d'aluminium, en l'occurrence EOS Aluminium AlF357, a été choisi en raison de sa conductivité thermique favorable, de son rapport résistance/poids, de sa résistance à la corrosion et de son usinabilité.
L'équipe a conçu un boîtier cylindrique innovant et intégré comprenant des canaux de refroidissement internes en spirale. Cette conception intégrée maximise la surface de contact entre les canaux de refroidissement et les composants du moteur générant de la chaleur, ce qui améliore l'absorption de la chaleur. Elle élimine de manière inhérente les points de fuite potentiels souvent associés aux assemblages en plusieurs parties. La FA a permis une orientation précise des entrées/sorties de fluide et des points de montage pour une intégration transparente dans l'ensemble complexe de la roue. La conception finale a permis d'obtenir un moteur extrêmement compact et simplifié.
EOS a joué un rôle crucial en apportant son expertise pour optimiser les paramètres d'impression et de post-traitement, de sorte que la résistance et la ductilité du procédé AlF357 puissent dépasser les propriétés de corroyage de l'aluminium 6061, conformément aux normes internationales. Le client a pu imprimer et tester rigoureusement des échantillons de pièces pour s'assurer que les composants finaux ne présentaient aucune porosité, une finition de surface lisse et une résistance mécanique comparable à celle de la qualité d'aluminium AA6061.
Franchir la ligne d'arrivée : Les résultats
Le composant FA a atteint un taux de dissipation thermique remarquable. Ce refroidissement supérieur a permis de maintenir la température de surface du moteur en dessous du seuil critique de 50°C, ce qui a permis aux moteurs de fonctionner à des performances maximales constantes. Le boîtier fabriqué additivement ne pesait que 1,3 kg, soit la moitié du poids estimé (au moins 2,5 kg) d'un composant comparable usiné traditionnellement. En outre, la pièce fabriquée FA répondait à toutes les exigences de résistance structurelle, dépassant les propriétés de l'aluminium corroyé 6061 (~300 MPa avec une ductilité >10%). En outre, l'EOS Aluminium F357 s'avère être un concurrent de taille pour remplacer l'AA6061 dans les applications exigeantes, offrant non seulement des performances comparables, mais aussi une liberté de conception nettement plus grande par rapport aux méthodes de fabrication traditionnelles.
Au-delà des performances, la FA offrait des avantages distincts en termes de conception et de fabrication. Elle a permis d'intégrer avec succès le carter du moteur et les canaux de refroidissement conformes dans une seule pièce monolithique. L'équipe a obtenu une géométrie interne et externe très complexe, précisément adaptée aux besoins spécifiques du véhicule en matière d'emballage et de performances. L'utilisation des matériaux a été considérablement améliorée, atteignant plus de 95 %, ce qui contraste fortement avec les 25 à 30 % estimés pour la fabrication soustractive. En fin de compte, la technologie EOS FA a directement permis à l'équipe Octane Racing d'atteindre son objectif ambitieux de construire la première voiture de Formule Étudiante de l'Inde propulsée par des moteurs à double moyeu.
L'avenir
La technologie de fabrication additive d'EOS s'est avérée indispensable pour l'équipe Octane Racing, en fournissant la solution critique pour surmonter les défis complexes d'intégration de conception et de fabrication associés au refroidissement de leurs moteurs de moyeu à haute performance. L'adoption de la technologie DMLS a apporté des avantages tangibles : un boîtier et un système de refroidissement entièrement intégrés, une gestion thermique supérieure permettant de maintenir les performances maximales du moteur, une réduction significative du poids et la réalisation d'une conception complexe irréalisable par des moyens conventionnels. Ce projet met en évidence l'immense potentiel de la FA pour le développement de composants complexes, légers et thermiquement efficaces dans des applications automobiles exigeantes à hautes performances et au-delà. Les propriétés obtenues ont notamment dépassé celles de l'aluminium 6061 corroyé à l'état T6, ce qui met en évidence les avantages que l FA peut apporter en termes de matériaux et de conception.
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