ABSTRACT
El presente artículo presenta diferentes instancias de simulación por elementos finitos de la funcionalidad mecánica de una Raspberry Pi 4, desde una perspectiva global del diseño de la carcasa con slots de ventilación. El estudio se centra en mejorar la refrigeración del procesador, la resistencia a impactos y el ensamblaje. Se evalúan dos geometrías de carcasa: la geometría inicial (GV-1) muestra buen comportamiento ante impactos, pero problemas de refrigeración, mientras que la modificada (GV-2) mejora la refrigeración, pero presenta riesgo de rotura en impacto.
INTRODUCCIÓN
¿Qué nos proporciona actualmente la simulación por elementos finitos (FEA) a ingenieros y diseñadores? Sin duda, la capacidad de evaluar y perfeccionar virtualmente un producto antes de su fabricación: Optimizar el diseño, seleccionar materiales, analizar esfuerzos y deformaciones para cumplir estándares, y optimizar su durabilidad.
Unificar todas las simulaciones que afectan al diseño y funcionalidad del producto en un único centro de ingeniería o decisión permite minimizar el número de bucles de optimización, evaluar con una visión global el diseño aceptado, o minimizar el riesgo de cambios contraproducentes. La toma de decisiones en cuanto a rigidez (simulación mecánica), fabricación (simulación reológica en el caso que nos acontece) o evacuación del calor (simulación CFD) se toman desde un único prisma entendiendo las implicaciones reciprocas existentes entre ellas.
CASE STUDY
El caso de estudio a evaluar es el diseño de una carcasa con sistema de ventilación para una Raspberry Pi 4 (un pequeño y versátil ordenador de bajo costo que es utilizada en una amplia gama de aplicaciones).
La propuesta inicial de carcasa, que se denominará GV-1, consta de las siguientes características:
- Tapa superior con slots de 1,5 mm y espesor de 1,5 mm.
- Tapa inferior de 1,5 mm.
- Tapa perforada de 1,5 mm.
- Unión atornillada entre tapas inferior y superior. Tapa ventilada sujeta con unión machihembrada.
OBJETIVOS
Las cuestiones a las que se pretenden dar respuesta a través de la simulación por elementos finitos son:
¿Es adecuado el funcionamiento del sistema de ventilación? ¿Es factible u óptimo el sistema de inyección planteado para asegurar la calidad estética y mecánica del producto? ¿Desde el punto del cuaderno de cargas dinámico, test de impacto, es el diseño OK?
Por tanto, los objetivos para el producto son:
- Carcasa con perfecto acabado superficial fabricable mediante inyección de termoplásticos (PC-ABS).
- Resistente a caídas e impactos.
- Sistema de refrigeración y diseño que asegure un standard de funcionalidad (<68ºC en procesador).
- Ensamblaje sencillo.
RESULTADOS
La primera simulación realizada es una simulación CFD para comprobar la temperatura en el procesador. Sin embargo, como se puede comprobar, para la geometría inicial (geometría GV-1) se sobrepasa ligeramente la temperatura máxima objetivo del procesador.
Para remediar este problema, se toma la decisión de aumentar las dimensiones de los slots de refrigeración, pasando a un espesor entre slots de de 1 mm (geometría GV-2).
Esta modificación en la geometría de la carcasa hace que surjan dos preguntas de diseño: ¿Va a generar este cambio problemas en la inyección? ¿Serán las lamas lo suficientemente rígidas para soportar un impacto sin rotura? Para resolver estas cuestiones, se realiza un análisis reológico previo para determinar problemas de llenado y posición y calidad de líneas de unión, que a su vez afectarán a los resultados estructurales. Asimismo, se realiza un análisis dinámico de impacto en zona de slots.
Los resultados indican que en la geometría GV-2 aparecen líneas de unión frías, lo que implica riesgo de rotura bajo impacto (menor resistencia), mientras que la geometría GV-1 inicial ofrece mejores condiciones. Esto se verifica mediante una simulación de impacto, que confirma que la geometría GV-2 muestra riesgo de rotura agravado por presencia de líneas.
Una vez simulada la inyección de cubiertas y realizado el análisis de impacto, se concluye que la geometría GV-2, la opción que cumple los objetivos de refrigeración (Tª procesador < 68ºC), presenta problemas de líneas de unión en slots por reducción de la velocidad del frente de flujo en los mismos. Esas líneas debilitan la ya de por sí estrecha sección de los slots. Por otro lado, la geometría GV-1 muestra resultados aceptables de llenado y de comportamiento frente a impacto, aunque presenta riesgo de deformación plástica en slots pero no de rotura. Eso significa que no es viable reducir sección de slots. En este punto sería conveniente evaluar la posibilidad de cambiar de ventilador o de punto de funcionamiento del mismo (ej. velocidad de giro).
Por último, se realiza una validación de sistema de ensamblaje mediante clips, ensayos de inserción / extracción y se analiza el riesgo de desmontaje por caída.
El proceso de clipaje es factible cumpliendo requisitos de fuerzas de inserción y extracción, aunque existe riesgo de desmontaje en el test de caída. Se presenta la posibilidad de unión atornillada, en función del coste y gama del producto, para asegurar el conjunto frente a este test.
CONCLUSIONES
Es ineludible la interconexión y dependencia de todas las simulaciones por elementos finitos realizadas, las variables fundamentales de las mismas (diseño y material) son comunes, la toma de decisiones ha de serlo. Dentro del espacio de soluciones plausibles que cumplen los estándares técnicos y económicos prefijados, exclusivamente una gestión centralizada del desarrollo y simulaciones del producto, permitirá la selección de la óptima.
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