Fresatura di stampi per elettrodi di celle a combustile

Lo scorso 10 novembre, come di consueto, si è tenuto il workshop presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano, coordinato dal gruppo di ricerca universitario PoliMill e svolto con i suoi partner industriali: R.F. Celada, YASDA, OML, Big Kaiser, CGTech, Ronchi-ILS, Bruker Alicona, Vection Technologies, Sandvik Coromant ed Uddeholm e ATS-Team3D. Il Prof. Andrea Baricci del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano ha introdotto il componente e le sue funzionalità qualificandone l’interesse scientifico, trattasi della fresatura di stampi per la produzione di elettrodi per celle a combustibile (in realtà i componenti sono due in quanto si sono lavorati sia l’anodo che il catodo). L’utilizzo delle celle a combustibile polimeriche (PEM Fuel Cells), soprattutto nel campo del trasporto su gomma pesante, ha subito un rapido incremento di adozione, un trend destinato ad aumentare negli anni a seguire. Entro il 2030, infatti, i motori elettrici a batteria e a celle a combustibile saranno le tecnologie vincenti sia dal punto di vista delle emissioni che del costo totale di proprietà. Queste ultime sono quindi le due opzioni di rilievo per gli operatori del trasporto gommato. I margini di risparmio sui costi operativi (principalmente energia e potenzialmente manutenzione) compenseranno gli esborsi maggiori in termini di capitale per batterie e sistemi di celle a combustibile entro qualche anno. L’implementazione in particolare di camion a idrogeno che sfruttano celle a combustibile dipende principalmente da due fattori:

1. La creazione di una rete capillare di stazioni di rifornimento per idrogeno
2. L’introduzione di sensibili migliorie in termini di efficientamento termico del gruppo propulsore

Infine, allo stato attuale, i camion alimentati a idrogeno soffrono di restrizioni sul carico massimo trasportabile dovute al già sostanziale peso del pacco batterie e del serbatoio dell’idrogeno in pressione. Tuttavia, si deve notare come spesso gli enti regolatori, per favorire l’adozione di queste tecnologie green, tendono a rilassare i limiti in termini sia di peso che dimensioni del carico. Inoltre, nel medio termine, si prevedono sensibili progressi tecnologici quali l’aumento della compressione dell’idrogeno e l’aumento di densità delle batterie che rimuoveranno in gran parte questi limiti.

La scelta del materiale fresatura

Dato che si tratta di un componente prototipale, la scelta del materiale è ricaduta sull’Orvar Supreme della Uddeholm, un AISI H13 fornito allo stato ricotto con una durezza di circa 180 HB. Il materiale è di una lavorabilità superiore che permette ottimi risultati sia in termini di rugosità superficiale che di tolleranze dimensionali e, dato che si tratta di un prototipo che dovrà al massimo durare per un batch di 500 pezzi, il fatto che non sia temprato non inficia la funzionalità del componente stesso. La produzione degli stampi sia dell’anodo che del catodo ha presentato alcuni spunti di riflessione decisamente interessanti:

1. La ridotta coppia del mandrino di circa 1,8 Nm ha richiesto che venissero adottate strategie, soprattutto in sgrossatura, adeguate per evitare sovraccarichi e conseguenti fermi macchina.
2. La produzione dei microcanali di larghezze rispettivamente di 0,4 e 0,55 mm per l’anodo ed il catodo ha permesso di paragonare sia da un punto di vista metrologico che di simulazione l’operazione di full slot e di contornatura.
3. Date le feature di complessità rilevante e le dimensioni dei microcanali, una accurata scelta dei parametri e delle tecniche di lubrorefrigerazione è stata eseguita ai fini di eseguire al meglio la lavorazione.

Analisi dei risultati

I risultati, come prima prova, si sono rivelati soddisfacenti con una rugosità superficiale rilevata pari a 0,08 micron. Purtroppo, però si è osservata una consistente formazione di bave sulla parte superiore delle pareti dei microcanali, probabilmente dovuta alla ridotta velocità di taglio dovuta al limite sul numero di giri (la macchina utensile raggiunge al massimo 40’000 rpm) a fronte di quelli necessari per raggiungere una velocità di taglio ottimale per frese del diametro di 0,4 mm ovvero cerca 62’000 rpm. Sviluppi futuri, quindi, vedranno l’impiego inevitabile di una turbina ad aria in maniera tale da raggiungere i giri e conseguentemente la velocità di taglio necessari.

Live demo a bordo macchina

Prima della pausa pranzo si è tenuta la live demo a bordo macchina in cui è stata mostrata la fase di sgrossatura dello stampo utilizzando la strategia 3D Adaptive Roughing di Siemens NX. Questa strategia si è confermata per l’ennesima volta vincente sposandosi molto bene con i limiti in termini di coppia della YASDA disponibile presso PoliMill. L’utilizzo, infatti, di profondità di passata assiali elevate e bassi affondamenti radiali permette di ottenere elevati tassi di rimozione del materiale senza andare a gravare troppo sulla coppia richiesta al mandrino permettendo buone perfomance. A lato della macchina utensile inoltre era presente la Alicona G6 fornita da Bruker Alicona ed operata da un suo tecnico per mostrare come si possono effettuare misure di elevata precisione in termini di analisi dimensionale e di rugosità sui microcanali sfruttando uno stampo lavorato prima del workshop. Infine, successivamente alla pausa pranzo, si è tenuta una discussione aperta su alcune delle tematiche più calde che coinvolgono il manifatturiero oggi ovvero la mancanza sempre più esasperata di personale qualificato e la definizione di un punto di incontro in termini di sviluppo tecnologico tra chi offre servizi di digitalizzazione e le aziende che dovrebbero utilizzarli.

I corsi di PoliMill

Sono problemi, quelli discussi durante la tavola rotonda, di universale importanza per il settore manifatturiero che si ritrova costantemente affamato di nuovi talenti e perennemente in difficoltà nell’implementare le nuove tecnologie sviluppate specialmente in termini di software. Interessante come sia emersa durante la discussione la richiesta, spesso pressante, di abbassare la soglia di know-how richiesto dai nuovi software e dalle tecnologie digitali in generale in maniera tale da renderli più accessibili anche ad aziende dagli strumenti limitati specialmente in termini di competenze. Al contempo, il problema della mancanza di personale nelle aziende manifatturiere è ormai presente e avvertito da tempo e questa mancanza si avverte in primis nelle università di tutto il mondo, dove sempre meno studenti sono interessati a queste tematiche. È proprio per questo motivo che PoliMill organizza attività per migliorare la percezione del manifatturiero da parte dei giovani e, dal 2023, eroga corsi sulla digitalizzazione nell’ambito dell’asportazione di truciolo, per mostrare come un workflow completamente digitale possa offrire un vantaggio competitivo alle aziende che operano nel settore sia formando giovani che possano entrare nel settore che aggiornando profili senior sui nuovi sviluppi e le ultime tecnologie in materia.