Produzione avanzata nel settore dell'elettronica
Sistema di raffreddamento a piastra fredda ad alte prestazioni basato su un "Digital Thread" end-to-end di Siemens e sulla produzione additiva metallica EOS
L'elettronica ad alte prestazioni impone requisiti sempre più stringenti alle soluzioni di gestione termica. L'aumento delle densità di potenza, le architetture di sistema compatte e i crescenti requisiti di sostenibilità stanno portando i sistemi di raffreddamento convenzionali al limite delle loro capacità. In settori quali i data center, la mobilità elettrica, l'aerospaziale e la difesa, un raffreddamento a piastra fredda a liquido efficiente e affidabile è un fattore chiave per garantire prestazioni, durata del sistema ed efficienza operativa.
In questo caso di studio, Siemens, GKN Additive ed EOS dimostrano come la produzione additiva nel settore dell'elettronica consenta la realizzazione di una nuova generazione di piastre di raffreddamento a liquido integrate direttamente nel chip. Presentato da Siemens in occasione di Formnext 2025, questo esempio illustra come un percorso digitale end-to-end completo, combinato con la produzione additiva industriale di metalli sui sistemi EOS, consenta di ottenere prestazioni di raffreddamento superiori per applicazioni elettroniche ad alte prestazioni.
Sfida
I limiti del raffreddamento elettronico convenzionale. Le piastre di raffreddamento a liquido offrono già notevoli vantaggi rispetto al raffreddamento ad aria forzata. Tuttavia, la maggior parte delle soluzioni convenzionali si basa ancora su strutture a tubi o a perni saldati sotto vuoto, che comportano diverse limitazioni:
- Libertà di progettazione limitata, con conseguenti vincoli all'ottimizzazione termica
- Rischi di affidabilità dovuti ai giunti brasati che costituiscono potenziali punti di perdita
- Elevato consumo energetico legato al raffreddamento, in particolare nei data center
- Riduzione della durata di vita del sistema, poiché le temperature elevate sono responsabili di circa il 50% dei guasti alle apparecchiature elettroniche
Di conseguenza, le scelte relative al raffreddamento incidono direttamente sull'efficienza, sulla sostenibilità, sull'affidabilità e sul costo totale di proprietà.
Soluzione
Un percorso digitale completo, dalla mappa termica alla piastra di raffreddamento pronta per la stampa. Per superare queste sfide, Siemens ha sviluppato un percorso digitale completo end-to-end per il raffreddamento a piastra di raffreddamento a liquido direttamente sul chip, che copre l'intero processo, dalla simulazione termica alla progettazione additiva pronta per la produzione.
Dai requisiti termici alla progettazione ottimizzata degli additivi
- Il flusso di lavoro digitale inizia con la simulazione del profilo termico dell'IGBT utilizzando Siemens Calibre 3D Thermal, generando mappe termiche tridimensionali dettagliate. Queste mappe termiche definiscono i requisiti di raffreddamento e fungono da base per l'ottimizzazione a valle.
- I dati termici vengono trasferiti in Simcenter OptiStruct, dove viene applicata l'ottimizzazione topologica per convezione al fine di massimizzare il trasferimento di calore riducendo al minimo la perdita di carico. Ciò consente di ottenere architetture dei canali di raffreddamento altamente efficienti, impossibili da realizzare con i metodi di produzione convenzionali.
- La topologia ottimizzata viene quindi convertita in una geometria stampabile utilizzando la modellazione implicita di Simcenter Inspire, consentendo un vero e proprio «Design for Additive Manufacturing» (DfAM) e permettendo l'integrazione di strutture interne complesse quali reticoli o canali di flusso ottimizzati.
- Per garantire prestazioni termiche e di flusso ottimali, i progetti ottenuti vengono convalidati tramite simulazioni CFD in Simcenter Flotherm, consentendo un confronto diretto tra diversi concetti di raffreddamento additivo e i tradizionali progetti basati su alette.
- La catena di processo digitale si conclude con la preparazione del lavoro di stampa in Siemens NX AM Fixed Plane, consentendo una transizione fluida dalla progettazione alla produzione senza interruzioni nei dati. Il nesting automatico permette di disporre in modo efficiente un numero elevato di piastre di raffreddamento per ogni stampa sui sistemi di produzione additiva in metallo EOS. Ciò garantisce un elevato utilizzo delle macchine, condizioni di produzione riproducibili e tempi di stampa ridotti per ogni pezzo, favorendo una produzione in serie efficiente e scalabile.
Preparare il lavoro di stampa di produzione in Siemens NX-Fixed-Plane Advanced
Produzione additiva per la produzione in serie sui sistemi EOS Metal
Le piastre di raffreddamento a liquido ottimizzate sono prodotte da GKN Additive, che mette a frutto la propria vasta esperienza nella produzione additiva industriale di metalli e nella produzione in serie. Grazie a un ampio portafoglio di applicazioni metalliche, in particolare con materiali ad alta conducibilità termica come il rame e le leghe di alluminio, e a un’ampia base installata di sistemi EOS per la lavorazione dei metalli, GKN Additive supporta una vasta gamma di applicazioni industriali di produzione additiva e funge da partner di produzione affidabile in una varietà di casi d’uso.
GKN gestisce una flotta di sistemi EOS per la lavorazione dei metalli sulle piattaforme M2, M3 e M4, consentendo configurazioni di produzione adatte a un'ampia gamma di applicazioni. Questa varietà di funzionalità delle piattaforme permette a GKN di adattare in modo flessibile le configurazioni di produzione a specifici requisiti prestazionali e dei materiali, dai componenti in rame ad alta conduttività ai pezzi in acciaio inossidabile e molto altro ancora.
Questo ambiente industrializzato è supportato da competenze avanzate in materia di processi, dalla gestione automatizzata delle polveri, dalla gestione della costruzione delle macchine e dalla post-lavorazione, nonché dal monitoraggio digitale dei processi e dalla garanzia della qualità. Nel loro insieme, queste capacità, frutto di decenni di esperienza nei processi di produzione della metallurgia delle polveri, assicurano una qualità riproducibile dei componenti, un'elevata stabilità dei processi e la scalabilità su diverse piattaforme di macchine e materiali.
Di conseguenza, la produzione additiva va ben oltre la prototipazione per arrivare a una vera e propria produzione su scala industriale, fornendo componenti di raffreddamento ad alte prestazioni su misura per applicazioni elettroniche particolarmente esigenti.
Risultato
Rispetto ai tradizionali modelli di pin saldati sotto vuoto, le piastre di raffreddamento a liquido realizzate con la produzione additiva offrono evidenti miglioramenti in termini di prestazioni:
- Temperatura massima del chip inferiore fino al 12%
- Temperatura media dei chip inferiore fino al 20%
- Riduzione del peso fino al 46%
- Maggiore omogeneità della temperatura
- Riduzione del rischio di perdite grazie alla struttura monolitica
- Capacità di raggiungere volumi di produzione superiori a 100.000 piastre di raffreddamento all'anno
Diversi approcci progettuali relativi agli additivi consentono un'ottimizzazione mirata, sia che si dia priorità al massimo trasferimento di calore, alla minima perdita di carico o alla riduzione del peso dei componenti.
Conclusione
Questo caso di studio dimostra come un "digital thread" completo, combinato con la produzione additiva industriale in metallo, consenta di realizzare sistemi di raffreddamento a piastra fredda a liquido per l'elettronica che siano altamente performanti, affidabili e scalabili. Sfruttando le capacità di ingegneria digitale di Siemens e la tecnologia di produzione additiva in metallo di EOS, e grazie alla stretta collaborazione con GKN Additive, la produzione additiva diventa una soluzione pronta per la produzione di sistemi elettronici ad alte prestazioni di nuova generazione.
Informazioni sulle aziende
Siemens Digital Industries (DI)
Siemens DI consente alle aziende di ogni dimensione operanti nei settori della produzione di processo e discreta di accelerare la propria trasformazione digitale e verso la sostenibilità lungo l'intera catena del valore. Il portafoglio all'avanguardia di Siemens in materia di automazione e software rivoluziona la progettazione, la realizzazione e l'ottimizzazione dei prodotti e della produzione. E con Siemens Xcelerator – la piattaforma digitale aperta per il business – questo processo diventa ancora più semplice, veloce e scalabile. Insieme ai nostri partner e al nostro ecosistema, Siemens Digital Industries consente ai clienti di diventare un'impresa digitale sostenibile. Siemens Digital Industries conta circa 70.000 dipendenti in tutto il mondo.
Siemens AG (Berlino e Monaco di Baviera)
Siemens AG è un’azienda tecnologica leader specializzata nei settori dell’industria, delle infrastrutture, della mobilità e della sanità. L’obiettivo dell’azienda è creare tecnologie in grado di trasformare la vita quotidiana di tutti. Combinando il mondo reale con quello digitale, Siemens consente ai propri clienti di accelerare la loro trasformazione digitale e verso la sostenibilità, rendendo gli stabilimenti più efficienti, le città più vivibili e i trasporti più sostenibili. Leader nell'IA industriale, Siemens sfrutta il suo profondo know-how di settore per applicare l'IA – compresa l'IA generativa – ad applicazioni del mondo reale, rendendo l'IA accessibile e di grande impatto per i clienti in diversi settori. Siemens detiene inoltre una quota di maggioranza nella società quotata in borsa Siemens Healthineers, fornitore leader a livello globale di tecnologia medica e pioniere di innovazioni rivoluzionarie nel settore sanitario. Per tutti. Ovunque. In modo sostenibile. Nell'anno fiscale 2025, conclusosi il 30 settembre 2025, il Gruppo Siemens ha generato un fatturato di 78,9 miliardi di euro e un utile netto di 10,4 miliardi di euro. Al 30 settembre 2025, l'azienda impiegava circa 318.000 persone in tutto il mondo sulla base delle attività operative in corso. Ulteriori informazioni sono disponibili su Internet all'indirizzo www.siemens.com
GKN Additive
GKN Powder Metallurgy è leader di mercato nel settore dei componenti metallici di alta precisione e uno dei principali produttori di materiali avanzati per la metallurgia delle polveri. L'azienda offre soluzioni di prodotto e tecnologie innovative, tra cui processi di produzione additiva all'avanguardia con GKN Additive. È l'unica azienda con un'integrazione verticale che va dalla produzione delle polveri alla produzione dei componenti. Insieme ai propri clienti, l'azienda affronta sfide complesse nei settori automobilistico e industriale attraverso soluzioni tecnologiche avanzate basate sulla metallurgia delle polveri. GKN Powder Metallurgy fa parte di Dauch. Dauch Corporation (precedentemente American Axle & Manufacturing) ha acquisito GKN Powder Metallurgy nel febbraio 2026. Entrambe le aziende operano ora sotto il marchio aziendale unificato Dauch. Per ulteriori informazioni, visitare il sito www.dauch.com
