Il conformal cooling nella manifattura additiva

conformal cooling

Il mondo dell’additive manufacturing è caratterizzato da moltissime tecnologie di produzione additiva che si contraddistinguono tra di loro sulla base dei materiali che sono in grado di lavorare e dei vantaggi che sono in grado di offrire ai componenti finali. Concentrando l’attenzione sulle tecnologie a letto di polvere, certamente conosciamo i vantaggi legati alla possibilità di alleggerire le parti giocando con il design e, risparmiando dunque, materiale e costi di produzione.

Un vantaggio spesso sottovalutato e allo stesso tempo molto facile da ottenere, è la possibilità di realizzare canali conformali all’interno delle parti prodotte in AM. Il conformal cooling non è altro che un grande vantaggio offerto dalla produzione layer by layer, che ci consente dunque di creare canali interni ai componenti, non realizzabili con altre tecnologie. Tali canali offrono moltissimi vantaggi, adattabili a seconda della tipologia di componente e di funzione che dovrà assolvere, come ad esempio l’inserimento di sensori e cavi o per il passaggio di liquido refrigerante.

Quindi questa tecnica è utile per conferire al prodotto finale un alto valore aggiunto, in grado di migliorare le performance e aggiungere funzionalità. Analizziamo i diversi campi applicativi dove il conformal cooling è fortemente utilizzato.

Il conformal cooling nello stampaggio a iniezione

Grazie alla forte spinta innovativa, le tecnologie di stampa 3D hanno permesso la realizzazione di progetti di raffreddamento complessi e non convenzionali offrendo numerosi vantaggi a moltissimi settori. Uno di questi è sicuramente quello dell’injection moulding, o stampaggio a iniezione. La produzione additiva che sfrutta la fusione laser dei metalli (DMLS, Direct Metal Laser Solidification) permette di realizzare un circuito di raffreddamento complesso all’interno dei componenti realizzati con l’obiettivo di aiutare a controllare le temperature in gioco e dunque la qualità e il tempo di ciclo. Il mondo dello stampaggio a iniezione è fortemente focalizzato alla produzione di grandi volumi e dunque il tempo ciclo del singolo prodotto è di grande importanza rispetto il costo finale del singolo prodotto. Il raffreddamento dei pezzi nello stampo è la parte più dispendiosa in termini di tempo nel processo di stampaggio a iniezione della plastica: ridurre i tempi per il raffreddamento dei pezzi equivale ad aumentare la velocità di produzione, ottenendo al contempo parti stampate di qualità superiore con meno scarti.

Una varietà di tecniche è stata utilizzata per mantenere temperature uniformi nel corso degli anni, utilizzando metodi come gorgogliatori, tubi di calore e complesse operazioni di perforazione. Questi, tuttavia, sono ingombranti, richiedono tempo e possono limitare la vita utile di uno stampo. Anche i canali di raffreddamento perforati sono limitati a linee rette, indipendentemente dalla geometria del pezzo. Nella maggior parte dei casi, il raffreddamento delle parti avviene prima all’interno degli stampi che accolgono la parte realizzata per poi concludersi nell’ambiente dopo l’estrazione del componente. In altri casi, il raffreddamento viene forzato mediante liquido refrigerante che scorre all’interno di canali ricavati nello stampo è che sono ottenuti mediante foratura.

Un limite tecnologico

Il limite tecnologico in questo caso è legato alla sola possibilità di creare canali che s’intersecano in maniera perpendicolare e che non possono adattarsi al design dello stampo e dunque del componente ottenuto per stampaggio. Nelle due casistiche descritte, il problema è legato all’impossibilità di raggiungere la temperatura di estrazione in grado di garantire la corretta qualità delle parti e dunque la possibilità che si creino deformazioni tali da rendere non conformi i pezzi prodotti.

L’additive manufacturing, e in particolare la tecnologia a letto di polvere che consente di fondere metalli attraverso l’azione di un laser in fibra, consente di realizzare stampi dotati di cavità in grado di adattarsi al design degli stessi, offrendo la possibilità di controllare e migliorare il raffreddamento delle parti stampate. Ovviamente i canali conformali non si limitano ad una migliore gestione termica, ma ne riducono le tempistiche ottimizzando i tempi ciclo e dunque i costi.

Dunque, utilizzando la produzione additiva e quindi il raffreddamento conformale, non solo è possibile realizzare progetti più complessi seguendo nel dettaglio la superficie del pezzo, ma possono anche essere realizzati più rapidamente rispetto alla lavorazione standard. Inoltre, l’utilizzo di software di simulazione dei materiali plastici può aiutare a determinare un valore relativo alla riduzione del tempo ciclo e nei miglioramenti della qualità delle parti in termini di distorsioni e usura superficiale.

Figura 1 – Stampo per Injection Moulding a confronto: Raffreddamento convenzionale vs conformale

Nella Figura 1, viene mostrato uno stampo per stampaggio a iniezione per la creazione di bicchieri di plastica. Sono mostrate due versioni differenti, quella convenzionale dotata di un canale centrale in cui può entrare un cilindro filettato e far scorrere del liquido refrigerante che non è in grado di controllare la temperatura in prossimità delle pareti esterne, e quella caratterizzata da canali conformali che seguono perfettamente il design dell’inserto risolvendo il problema precedente. Mentre nel primo caso i canali sono creati dalle intercapedini che vengono a formarsi a seguito dell’inserimento del cilindro filettato, nel secondo i canali sono ricavati direttamente all’interno dello stampo e dunque risultano più efficaci. Un modo per determinare l’efficienza di raffreddamento è quello di analizzare la temperatura e la sua uniformità tra la versione con un canale a spirale convenzionale e uno conforme.

A causa dei vincoli del design del raffreddamento convenzionale, il calore non viene rimosso dall’inserto e dalla parte in modo efficiente ed uniforme come nel caso b. Questo provoca deformazioni nella parte finale e dunque per evitare tale circostanza è necessario garantire una migliore uniformità della temperatura all’interno dello stampo così da ridurre al minimo i ritiri differenziali, e dunque le distorsioni. Nel case study evidenziato in figura, il conformal cooling ha permesso di ridurre il ∆T max fino a 2~3 °C rispetto ai 5~7 °C del caso convenzionale. Poiché la temperatura differenziale della parte è ridotta, la velocità con cui il materiale della parte solidifica e si restringe è più vicina e, a sua volta, dovrebbe produrre una parte con meno deformazioni. Inoltre, abbiamo parlato di riduzione dei tempi ciclo necessari alla realizzazione delle parti desiderate e dunque gli stampi dotati di canali di raffreddamento curvi che si conformano strettamente alla geometria della parte possono ridurre il tempo ciclo dal 10% al 40%.

In sintesi, l’utilizzo della tecnologia di produzione additiva per la realizzazione di stampi e inserti in grado di ridurre i tempi di ciclo e aumentare la qualità delle parti è in rapida crescita. L’accoppiamento della progettazione del raffreddamento conforme con i software di simulazione può aiutare a dimostrare la validità del raffreddamento conforme nello stampaggio a iniezione e aiutare a determinare il potenziale ROI.

Barriere e resistenze per l’adozione dell’AM

Sebbene i vantaggi introdotti dalla produzione additiva siano molteplici e notevoli, c’è ancora una certa resistenza nei confronti di questa tecnologia così trasformativa da parte di quello che può essere considerato un settore tradizionale. La maggior parte dei professionisti che opera nel settore dello stampaggio a iniezione è curiosa e desiderosa di ascoltare e conoscere le nuove tecnologie, soluzioni e opportunità, ma è ancora molto riluttante nell’adottare l’AM per la produzione di nuovi prodotti. Il problema principale è dovuto al cambiamento intrinseco che si dovrà affrontare rispetto i processi e rispetto i materiali utilizzati solitamente. A molti piace sentir parlare di nuove tecnologie, ma al contempo sono in pochi coloro che apprezzano pur sapendo che dovranno modificare le proprie abitudini. Sicuramente, la creazione di nuovi case study in grado di dimostrare i vantaggi concreti apportati dall’AM possono aiutare a smuovere maggiormente gli animi verso la strada del cambiamento. Eppure, in moltissimi casi, anche dopo aver visto i risultati c’è sempre qualcuno che è fermo a pensare che sia troppo bello per essere vero. L’industria dello stampaggio è basata su una serie di standard validi da molti anni che dunque, la maggior parte delle aziende fa fatica a modificare o abbandonare. Dunque, la chiave per penetrare il settore e introdurre nuovi componenti prodotti in AM è certamente l’istruzione e la formazione del personale che vi opera.

Il raffreddamento dei motori elettrici nel settore automotive

La direzione dell’elettrificazione sembra essere oramai tracciata e dunque sempre più, le auto con le quali ci sposteremo saranno alimentate da energia elettrica in grado di azionare potenti motori elettrici. Anche qui, il problema della gestione termica è fondamentale in quanto sarà necessario ridurre il surriscaldamento di tali motori controllandone la temperatura. Il raffreddamento di questi sistemi consentirà di ridurre i cali di performance e le perdite di sistema così da massimizzare l’efficienza energetica dell’intera vettura. A tal proposito, l’additive manufacturing è in grado di fare la sua parte grazie alla realizzazione di speciali componenti caratterizzati da canali particolari capaci di massimizzare lo scambio termico. I componenti in questione sono le “camicie di raffreddamento”, all’interno delle quali vengono calettati i motori elettrici che movimentano le ruote della vettura. Le camicie non devono assolvere particolari compiti strutturali ma devono garantire il raffreddamento dei motori elettrici che ospitano al loro interno così da garantire condizioni di lavoro ottimali costanti. Sono dei corpi cilindrici cavi caratterizzati da particolari pareti all’interno delle quali si celano dei canali conformali all’interno dei quali viene fatto scorrere liquido refrigerante (nella Figura 2 si possono vedere i canali interni di una camicia di raffreddamento per motori elettrici, mentre la Figura 3 riporta l’analisi CFD di una camicia di raffreddamento realizzata in additive manufacturing).

In questo modo è possibile andare a raffreddare in maniera puntuale le zone del motore che sono soggette a temperature importanti così da ripristinarne le corrette condizioni di lavoro.

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Figura 4 – Cooling Jacket per motori elettrici della vettura Formula SAE del Team Dynamis PRC del Polimi

Nella Figura 4 possiamo vedere una camicia di raffreddamento progettata in collaborazione con i ragazzi della squadra corse Dynamis PRC del Team Formula SAE del Polimi. Il componente mostra due canali esterni corrispondenti all’ingresso e all’uscita del fluido refrigerante che circolerà all’interno del componente favorendo il raffreddamento del motore che vi sarà posizionato internamente.

Inoltre, esternamente è possibile osservare delle particolari alette di raffreddamento direzionate in modo da massimizzare lo scambio energetico con l’ambiente così da migliorarne le prestazioni termodinamiche.

Il componente (Figura in apertura) è stato realizzato in alluminio per le sue ottime proprietà di scambio termico mediante tecnologia DMLS, e quindi mediante tecniche a letto di polvere che ha visto la creazione dell’oggetto mostrato in basso layer by layer. Questo processi di costruzione ha consentito di spingere molto con il design dell’oggetto permettendo di realizzare canali irrealizzabili in altra maniera e alette direzionate opportunamente senza la necessità di asportare materiale dal pieno. Il confronto con le tecnologie classiche come la lavorazione dal pieno permette di comprendere facilmente la quantità di materiale risparmiata.

Conclusioni

Le possibilità offerta dalle tecnologie di produzione additiva sono molteplici e spesso sono in grado di portare importanti benefici sotto diversi punti di vista come il miglioramento delle performance o vantaggio economico. Realizzare particolari circuiti di raffreddamento all’interno delle parti consente di aggiungere valore a componenti utilizzati nel mondo dello stampaggio a iniezione per migliorare e ottimizzare la produzione di componenti plastici. Oppure nei veicoli elettrici dove la possibilità di creare componenti leggeri in grado di raffreddare i motori elettrici delle vetture consente di aumentare l’efficienza energetica di questi sistemi. Nei prossimi anni sempre più componenti prodotti in additive manufacturing affolleranno i diversi settori industriali e le tecniche di raffreddamento che si basano sulla presenza di canali conformali saranno implementate in moltissimi altri componenti.