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Cariboni Group, la simulazione termica del LED che premia il coraggio di sperimentare

La progettazione di apparecchi di illuminazione a LED sta compiendo un grande balzo di qualità. In questa evoluzione giocano un ruolo chiave gli strumenti software usati in particolare per la simulazione termica e fluidodinamica. Lo dimostra la storia di successo di un produttore all’avanguardia come Cariboni Group.

A molti di noi sarà capitato probabilmente di ritrovarsi, di sera, in uno spazio all’aperto e godere dei benefici di un’illuminazione realizzata ad arte da quest’azienda, protagonista di molti progetti d’illuminazione di alto livello in tutto il mondo. Quell’atmosfera speciale nella quale eravamo immersi, magari senza pensarci troppo, era stata resa possibile dalla tecnologia LED, che sta rivoluzionando l’illuminazione in ogni settore. Sorgenti di luce sempre più performanti, riduzione dei consumi energetici e versatilità nelle temperature colore, consentono ai progettisti di dare vita a spazi suggestivi, garantendo al contempo la sicurezza, grazie a una buona visibilità.

Ma l’esito non è scontato, proprio per le caratteristiche del LED. Questo componente emette calore soprattutto all’interno dell’apparecchio che lo ospita. Contenere tale calore è cruciale, sia per preservare la qualità della luce nel tempo, sia per garantire la durata dell’apparecchio stesso. Ma è anche necessario proporre al mercato prodotti innovativi, sicuri e di design.

Scarica l’ebook su un esempio di successo di Simulazione Termica applicata all’illuminazione e LED

``Cariboni Group. Quando il coraggio di sperimentare viene premiato dal mercato``

Il protagonista della storia, Cariboni Group

Cariboni Group riesce a fronteggiare questa sfida e a essere competitiva a livello internazionale. L’azienda punta costantemente all’eccellenza nella progettazione e produzione, made in Italy, di prodotti per l’illuminazione di architetture, spazi e percorsi urbani, per valorizzare la bellezza di ogni spazio durante le ore di buio e offrire ai cittadini benessere visivo, sicurezza e ambienti suggestivi. Le sfide che deve fronteggiare sono contenimento dell’inquinamento luminoso, riduzione dei consumi energetici, realizzazione di un design moderno e innovativo, garanzia dell’affidabilità nel tempo dei propri prodotti.

L’intero processo di sviluppo si svolge in Italia, negli stabilimenti di Osnago (LC) e Rovereto (TN). Da anni la digitalizzazione dei processi le l’automatizzazione delle operazioni sono considerate una priorità.

La sfida

Nella progettazione di apparecchi di illuminazione a LED è fondamentale avere una buona dissipazione del calore. Ciò permette ai LED di lavorare con efficienza, ottenendo prestazioni più elevate in termini di flusso luminoso e di durata del dispositivo. Pochi gradi di temperatura in più o in meno possono fare la differenza, nell’aggiudicazione di una gara per la fornitura di apparecchi di illuminazione stradale.

Negli apparati di illuminazione destinati agli esterni, le parti elettroniche sono contenute in un involucro stagno, senza scambio di aria con l’esterno. Ciò rende più difficile la dissipazione del calore, in prodotti nei quali anche il design è molto importante.

La soluzione

Cariboni Group ha deciso di adottare il modello Siemens, che prevede di effettuare simulazioni sin dalle prime fasi della progettazione, per essere in grado di valutare diverse varianti anche dal punto di vista del comportamento termico e fluidodinamico. In questo modo è possibile evitare la lunga e costosa realizzazione di prototipi. Cadlog è l’azienda partner scelta da Cariboni Group per implementare con successo tale modello.

‟Grazie alla simulazione con Simcenter FLOEFD” – ha detto l’Ing. Stefano Sansottera, del Technical Department di Cariboni Group – “in fase di progettazione abbiamo evitato la prototipazione e i test empirici in camera termica, riducendo i costi e i tempi necessari alla realizzazione del prodotto”.

I benefici

In un mercato che si evolve rapidamente, non solo dal punto di vista tecnologico ed economico, ma anche da quello culturale e sociale, l’illuminazione degli ambienti pubblici deve rispettare dei requisiti specifici anche dal punto di vista estetico e del risparmio energetico. È molto importante, ad esempio, che la luce sia del colore giusto e che esso sia mantenuto nel tempo.

Cariboni Group può rispondere a queste sfide con prodotti competitivi, grazie anche a un approccio progettuale nel quale la sperimentazione è fondamentale per ogni progetto, perché garantisce di poter effettuare variazioni fino a quando il progetto stesso non è pienamente ottimizzato.

Inoltre ci sono vantaggi anche dal punto di vista dell’efficienza. Alcuni componenti elettronici – come gli MCPCB e i LED – vengono utilizzati su prodotti diversi. La loro caratterizzazione dal punto di vista termico permette di trasferire velocemente le informazioni da un progetto all’altro, anche quando si tratta di prodotti differenti per dimensioni o ambito d’applicazione.

L’esperienza che viene acquisita sviluppando la meccanica di un prodotto, in termini di efficienza dissipativa, viene condivisa all’interno dell’ufficio tecnico, costituendo la base per tutti i nuovi progetti che verranno sviluppati.

La progettazione guidata dalla simulazione

Il successo dei prodotti di Cariboni dipende in buona parte dalla  metodologia di progettazione adottata, oltre che dagli strumenti. Un tempo i progettisti aspettavano di terminare il proprio lavoro, per poi affidarsi agli specialisti della simulazione, in modo che questi ultimi potessero verificare come si sarebbe comportato il dispositivo nelle varie situazioni d’uso.

Oggi la tendenza vincente è quella di utilizzare la simulazione durante tutto il ciclo di sviluppo del prodotto. Tale approccio consente di testare diverse varianti sin dall’inizio e dunque scartare subito le soluzioni dalle performance più limitate, prendendo in considerazione tutti gli aspetti del progetto.

Simcenter FLOEFD è lo strumento migliore per adottare tale strategia, in particolare nel processo di progettazione dei LED. Tutte le testimonianze degli utilizzatori di Simcenter FLOEFD convergono nell’affermare un’ottimizzazione delle prestazioni termiche a fronte di una diminuzione dei costi di sviluppo.

FLOEFD rivoluziona la progettazione LED in tre ambiti in particolare:

  • L’integrazione con il CAD meccanico
  • Gli studi parametrici automatici
  • La tecnologia dedicata

Integrazione con il CAD meccanico

Uno dei vantaggi che i progettisti riscontrano subito in uno strumento come Simcenter FLOEFD è la sua piena integrazione con tutti i principali CAD meccanici: NX, Solid Edge, Creo, Catia e Solidworks. Tale integrazione consente di usufruire dell’uso diretto della geometria MCAD, del rilevamento automatico della regione fluida e della procedura di mesh.

I benefici di questa caratteristica sono particolarmente vantaggiosi:

  • Nessun passaggio richiesto tra CAD e CFD tramite file step.
  • I modelli di design e CFD rimangono sincronizzati.
  • Si riduce il tempo per la simulazione del prodotto veloce.

Studi parametrici automatici

Simcenter FLOEFD sfrutta sia parametri geometrici (dimensioni, pattern, etc) sia parametri di simulazione (dissipazioni di calore, conduzione dei materiali). Inoltre consente l’analisi “what-if” e le ottimizzazioni. Altre caratteristiche sono l’automatismo della modifica del design, della creazione della mesh e persino del calcolo!

Simcenter FLOEFD supporta completamente le “configurazioni” e le “istanze” del prodotto MCAD.

In sintesi, ciò consente di avere diversi vantaggi:

  • Simulazioni multiple “what-if” per identificare il design ottimale.
  • Risparmio di tempo all’utente per focalizzarsi sulla definizione del modello e non su task manuali.
  • Individuazione del design ottimizzato in tempi più brevi.

Tecnologia dedicata

Simcenter FLOEFD può anche essere utilizzato dagli specialisti per la modellazione avanzata nelle fasi finali di progettazione, o per studiare fenomeni complessi, come l’analisi della condensa, la radiazione solare ecc.

Il modello di LED termico ottico consente una modellazione accurata dei LED, tramite il modello 2R semplice – Junction to case o il modello termo-ottico avanzato. Simcenter FLOEFD importa dal dispositivo T3Ster i dati di caratterizzazione TeraLED e dispone di starter pack di LED predefiniti. Include inoltre un modello avanzato di radiazione termica per modellare alte temperature.

La modellazione avanzata di LED consente di analizzare fenomeni specifici ma importanti, come la luce focalizzata dalla lente di un faro, la concentrazione del calore, gli hot spot, la condensazione, la formazione di ghiaccio.

In conclusione, possiamo affermare che, accanto alla rivoluzione tecnologica dei LED ne è avvenuta un’altra, che riguarda gli strumenti di progettazione. Grazie a tool come Simcenter FLOEFD, la simulazione termica e fluidodinamica, che prima era appannaggio di specialisti che arrivavano quando i progettisti avevano finito il proprio lavoro, oggi può essere inserita nel ciclo di progettazione, sin dagli inizi. Ciò permette di sperimentare varie alternative di design e di valutarne subito le diverse caratteristiche, dal punto di vista del comportamento termico. È quello che in Siemens viene chiamato “spostamento a sinistra” della simulazione, e i vantaggi rispetto alla qualità dei prodotti sono evidenti.

ebook storia di successo simulazione termica

Ebook

Cariboni Group. Quando il coraggio di sperimentare viene premiato dal mercato

Il nostro eBook racconta la storia di un esempio di successo di simulazione termica applicata all’illuminazione a LED. Grazie a questo testo potrai saperne di più su:

  • cosa significa “spostare a sinistra” la simulazione termica nel processo di progettazione;
  • come sfruttare le caratteristiche di Simcenter FLOEFD per valutare diverse alternative progettuali;
  • come integrare la simulazione termica del LED con la progettazione meccanica;
  • come conciliare con il design le esigenze di raffreddamento e di tenuta stagna.
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CadlogCariboni Group, la simulazione termica del LED che premia il coraggio di sperimentare

Simulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

In questo breve video viene mostrata l’analisi termica di un faretto LED effettuata con FLOEFD.

FLOEFD è il plugin per analisi CFD integrato nei principali ambienti per la progettazione CAD (Solidworks, NX, Solid Edge, CATIA, Creo). Ciò permette di utilizzare le geometrie e creare il modello CFD direttamente nello stesso ambiente di progettazione. In tal modo diminuiscono i tempi e i costi dell’analisi.

Tramite lo specifico modulo LED, FLOEFD è in grado di calcolare la temperatura di giunzione e il flusso luminoso in uscita da LED e altri dispositivi di illuminazione.

Ottimizzazione dei dissipatori termici e delle condizioni di utilizzo sono alcuni dei tipici utilizzi di FLOEFD

I prossimi eventi gratuiti:

La temperatura di giunzione nel LED

Nonostante i LED siano attualmente la sorgente di luce con la maggiore durata –arrivando a superare in alcuni casi le 50mila ore di utilizzo – durante il loro funzionamento sono soggetti a una graduale riduzione del flusso luminoso.

L’efficienza luminosa è influenzata negativamente sia dall’aumento della corrente ai capi del LED, sia da quello della temperatura di giunzione. Un’efficace dissipazione del calore è dunque un fattore determinate dell’efficienza del LED.

Per “giunzione” si intende la giunzione pn nel circuito integrato del semiconduttore. Si tratta della zona del chip dove avvengono la generazione e l’emissione dei fotoni.

Grafico di durata in ore di un LED in base alla temperatura di giunzione (J.T.) e il relativo flusso luminoso (Φv). Da: Wikipedia

Il grafico mostrato in figura evidenzia il rapporto tra temperatura di giunzione e flusso luminoso del LED.

FLOEFD

Analisi computazionale fluido dinamica (CFD) integrata coi sistemi di CAD meccanico

FLOEFD ha capacità di analisi tridimensionali complete per lo scambio di calore ed è facile da imparare, oltre che da utilizzare, perché non necessita dell’uso di entità numeriche complesse come le strutture di meshing, normalmente associate ai sistemi di analisi CFD.

“FLOEFD è l’unico strumento di analisi CFD realmente integrato e incorporato nei principali sistemi di CAD meccanico, come Pro/ENGINEER, CATIA, Siemens NX e SolidWorks”

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Stefano MorlacchiSimulazione termica di un faretto LED con FLoEFD

Simulazione termica di un faro fendinebbia LED, un ebook da scaricare

L’illuminazione dei veicoli è uno dei fattori di sicurezza più importanti del settore automotive e la simulazione termica dei LED gioca un ruolo fondamentale proprio nel determinare le condizioni di sicurezza in caso di maltempo. Tutti abbiamo esperienza di guida con cattive condizioni di tempo, e con la nebbia in particolare, e di quanto sia importante disporre di un efficiente sistema di illuminazione del veicolo.

I fari dell’auto sono oggetto di controllo frequente e la loro efficienza può in parte essere controllata ad occhio, ma per i fari fendinebbia il discorso è diverso, perché vengono usati raramente, ma quando è il momento, è importante che funzionino al meglio.

Il surriscaldamento è il fattore principale di degrado a cui possono andare incontro i fari con tecnologia LED, specie a causa delle alte temperature di giunzione dei LED stessi, che provocano un calo del flusso luminoso. Oltre a ciò, quando cambia la temperatura di giunzione, si sia verifica un cambiamento nella tensione di giunzione del LED (Forward Voltage), sia un’alterazione nel picco della lunghezza d’onda dello spettro luminoso. Le alte temperature di giunzione provocano inoltre un accorciamento della vita dei LED.

Dunque una gestione insufficiente del surriscaldamento influisce negativamente sull’affidabilità e di conseguenza sulla sicurezza. Diversamente da quanto avviene con le lampade a bulbo, il LED converte in luce fino al 30% dell’energia ricevuta e il restante 70% in calore. Una lampada a bulbo rilascia in calore fino all’85% dell’energia e ciò avviene sotto forma di raggi infrarossi, mentre il LED dissipa per conduzione, richiedendo una complessità di progettazione diversa, come è mostrato nella figura che segue.

L’argomento è approfondito nell’ebook basato sul testo di Gang Wang “Thermal Testing of an Automotive LED Fog Light using MicReD T3Ster & TeraLED”, che è possibile scaricare dal link sottostante.

Scarica ora l’ebook:

Thermal Testing of an Automotive LED Fog Light

Il testo di Gang Wang, Application Engineer di Mentor Graphics, spiega nel dettaglio un caso di simulazione termica di un impianto di illuminazione LED antinebbia per un veicolo, effettuato utilizzando MicReD T3SterTM TeraLEDTM.

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CadlogSimulazione termica di un faro fendinebbia LED, un ebook da scaricare

L’analisi termica dei sistemi elettronici

L‘analisi termica costituisce uno dei più importanti fattori critici nella progettazione dei sistemi elettronici. Infatti le variazioni termiche, specie sotto forma di surriscaldamento, costituiscono una causa tra le più frequenti tra quelle che riducono la durata degli apparati elettronici, a partire dal singolo componente fino al prodotto completo.

L’importanza del fattore termico nell’industria elettronica è testimoniato da un’indagine dell’aviazione statunitense, che ha evidenziato come tra le cause ambientali di guasto nei sistemi elettronici correlati alla difesa, la più importante sia proprio lo temperatura (55%), seguita a distanza dalle vibrazioni (20%), dall’umidità (19%) e solo a distanza dalla polvere (6%).

simulazione termica figura 1

Cause ambientali di guasto in sistemi elettronici correlati alla difesa (Fonte: US Air Force)

Se si considera un ambito di più estesa diffusione come l’illuminazione a LED, è già ampiamente noto come il calore costituisca il problema principale dei dispositivi. Esso infatti incide direttamente sul colore, ma anche sulla durata del dispositivo stesso. Il grafico in figura 2 mostra la correlazione tra temperatura e durata della vita del prodotto. Per ogni diverso valore di corrente l’andamento è sempre il medesimo: al di sotto di un certo valore l’aspettativa di vita non cambia, poi col crescere della temperatura si ha una brusca diminuzione del tempo, fino al punto di rottura.

Figura 2 - Andamento del tempo di vita di un LED in relazione alla temperatura (fonte: Lumileds)

Figura 2 – Andamento del tempo di vita di un LED in relazione alla temperatura (fonte: Lumileds)

 

L’analisi termica può aiutare il progettista in 5 aree chiave:

  1. fornendo conoscenza e comprensione dei fenomeni;
  2. riducendo i costi;
  3. aumentando l’affidabilità del prodotto;
  4. riducendo il Time-to-Market;
  5. aumentando la qualità del prodotto.

Nella tabella sinottica che segue sono dettagliati i benefici per ciascuna delle 5 aree.


Conoscenza e comprensione dei fenomeni

  • Approfondire le funzioni del dispositivo e il comportamento termico
  • Valutare i concetti del design, che porta a miglioramenti funzionali
  • Intraprendere studi del tipo ‘what-if’
  • Comprendere l’influenza dei parametri di progettazione
  • Comprendere le potenzialità del re-use
  • Comprendere l’impatto delle modifiche di progetto

Riduzione dei costi

  • Calcolare la riduzione dei costi per eventuali modifiche progettuali
  • Ridurre i costi di progettazione e operatività
  • Aumentare la durata degli apparati
  • Ridurre al minimo la necessità di pratiche tradizionali di compilazione e test
  • Ridurre al minimo il rischio di errori di sistema e del dispositivo
  • Ridurre al minimo il rischio di reclami in garanzia

Maggiore affidabilità del prodotto

  • Incremento del ciclo di vita del prodotto
  • Diminuzione dei costi di manutenzione
  • Diminuzione dei rischi di malfunzionamento
  • Riduzione dei tempi di fermo apparato
  • Migliore ritorno sull’investimento (ROI) grazie alle ottimizzazioni progettuali proposte

Riduzione del Time-to-Market

  • Riduzione dei tempi di rilascio (dal concept al prodotto finale)
  • Accelerazione nell’introduzione di nuovi strumenti
  • Correzione dei progetti al primo tentativo
  • Riduzione della necessità di prototipi fisici

Maggiore qualità del prodotto

  • Eliminazione delle imperfezioni del prodotto
  • Aumento della durata di vita del prodotto e della sua affidabilità
  • Aumento delle prestazioni
  • Maggiore flessibilità
  • Possibilità di soddisfare le più alte aspettative dei clienti

L’analisi termica in fase di progettazione dei sistemi elettronici viene effettuata mediante strumenti per l’analisi termica e fluidodinamica (CFD), quali FloTHERM, FLOEFD e FloTHERM XT.

Utilizzando tali strumenti l’analisi termica si integra completamente all’interno del CAD, nell’ambito del normale flusso di progettazione.

Prova di persona l’analisi termica!

Se non disponi di strumenti software per l’analisi CFD come FloTHERM, FLOEFD o FloTHERM XT, puoi venire al Cadlog Lab, a Milano, e provare i vari tool direttamente, senza alcun costo.

Prendi appuntamento ora con un esperto, potrai persino portarti i dati del tuo progetto e provare con quelli!

Ecco come funziona il Cadlog Lab

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CadlogL’analisi termica dei sistemi elettronici

Progettare dispositivi per l’illuminazione a LED con FLOEFD

Negli ultimi anni l’efficienza dei LED è cresciuta al punto tale da rimpiazzare le lampade ad incandescenza e a fluorescenza (CFL), consentendo così l’utilizzo di questi in vari settori dell’illuminazione: automobilistico, stradale, da interno e non solo. Nelle lampade ad incandescenza circa il 95% dell’input elettronico viene trasformato in calore ed in gran parte viene dissipato tramite radiazione. Nei LED – un acronimo che sta per Light Emitting Diodes – solo il 60% dell’input elettronico viene trasformato in calore, e a differenza delle lampade ad incandescenza questo non viene tutto dissipato mediante radiazione.

Per questo motivo la sfida della progettazione a illuminazione LED è divenuta quella di gestire in modo efficace la dissipazione termica che i LED producono. Infatti un loro corretto funzionamento dipende fortemente dalla temperatura a cui sono sottoposti, determinandone peraltro la longevità.

Strumenti CFD per la progettazione dei LED

La mancanza di una standardizzazione sui dati relativi alle prestazioni termiche dei LED ha finora ostacolato i progettisti nel dare vita a prodotti efficienti. Ma gli strumenti software non mancano. La nuova release di FLOEFD V14.1 include, tra i vari pacchetti per l’analisi CFD (Computational Fluid Dynamics), un innovativo modulo LED, che consente ai progettisti di progettare e utilizzare accurate Compact Thermal Models (CTMs) e modelli fotometrici di LED ottenuti da T3Ster e TeraLED, due strumenti prodotti e distribuiti dalla Mentor Graphics per la caratterizzazione termica dei LED.

Così, la temperatura, la potenza dissipata e l’emissione luminosa sui LED possono essere accuratamente determinate, mediante un’analisi termica e fluidodinamica con FLOEFD.

Il modulo LED implementato in FLOEFD si basa su un modello a due resistenze e include 4 modelli LED: CREE XT-E; Osram Golden Dragon; Seoul P4 e Philips Luxeon Rebel. Il modulo comprende la capacità di tenere conto dell’assorbimento delle radiazioni in solidi semi-trasparenti, come ad esempio la lente frontale di una lampada a LED, e calcolare la formazione di condensa, umidità o la formazione di ghiaccio sulla superficie della lente stessa.

Esempi di utilizzo:

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CadlogProgettare dispositivi per l’illuminazione a LED con FLOEFD

La progettazione termica dei sistemi LED

La progettazione termica dei sistemi LED è un ambito che acquista un’importanza crescente man mano che i sistemi di illuminazione a incandescenza vengono sostituiti con dispositivi basati sui LED.

In questo breve intervento Gianluca Lualdi ci spiega quali problematiche nascono quando un sistema illuminante, che genera calore, viene a trovarsi in prossimità di componenti elettronici. In tali casi è necessaria la simulazione termica e fuidodinamica, per capire quali siano le problematiche termiche e di conseguenza dimensionare correttamente i dispositivi di dissipazione e/o le correnti d’aria necessarie.

Gianluca Lualdi interverrà giovedì 26 marzo – ore 15.35 – al Lumen Fortronic di Milano, per parlare di analisi degli effetti termici nella prototipazione virtuale di sistemi a LED.

Il relatore

I prodotti utilizzati

FloTherm
Software tridimensionale CFD per simulare il flusso d’aria e il trasferimento di calore in un apparato elettronico

FLOEFD
L’unico strumento CFD realmente integrato nei principali sistemi di CAD meccanico, come PTC Creo

FloTHERM XT
Sotware per l’ottimizzazione termica in un ambiente di modellazione 3D meccanico ed elettronico

PTC Creo
Suite per il CAD 3D, che in questo caso utilizzata in una piena integrazione con FLOEFD

Come arrivare

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Prototipazione virtuale di sistemi a LED: analisi degli effetti termici

Cadlog sarà presente al Lumen Fortronic, il prossimo 26 marzo a Milano, per parlare della creazione di prototipi virtuali di sistemi LED per l’illuminazione:

  • Ore 15.35, Sala Borromeo: “Prototipazione virtuale di sistemi a LED: analisi degli effetti termici”

La creazione di prototipi virtuali di sistemi contenenti LED per illuminazione ha un’importanza sempre crescente nell’accelerare la fase di progettazione e nel ridurre i costi della fase di prototipazione fisica. In questa sessione mostreremo come le tecnologie di calcolo fluidodinamico (CFD) accoppiate alla modellazione 3D permettano una reale gestione della potenza (Thermal Management), ad esempio in apparati illuminotecnici e nel campo automotive.

Lo speaker sarà Gianluca Lualdi, Solution Advisor di Cadlog. L’azenda, con il suo Centro di competenza CFD, supporta dal punto di vista tecnico tutte le aziende per le quali la fase di analisi termica e fluidodinamica è cruciale, curando in particolare:

  • l’utilizzo efficace di software come FloTherm, FLOEFD e FloTHERM XT;
  • l’integrazione tra FLOEFD e PTC Creo, il software leader nella progettazione meccanica 2D e 3D.

Lumen & Wireless Fortronic si svolgerà il prossimo 26 marzo a Milano, presso il Crowne Hotel di S. Donato. Lumen & Wireless Fortronic è promosso da Assodel, l’Associazione Nazionale Fornitori Elettronica, per fare un punto della situazione sulle ultime tecnologie e soluzioni nel settore LED lighting e Internet of Things. Si tratta dell’unico evento tecnologico dedicato ai LED e a tutta la componentistica elettronica per lo smart lighting. È dunque un punto di incontro privilegiato dove approfondire i temi dell’illuminazione intelligente, del thermal management e delle tecnologie LED e wireless.

lumen fortronic 2015

Il relatore

Come arrivare

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