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Thursday, 20 Settembre 2018
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Un radiatore per moto in alluminio e a pareti sottili

L’articolo analizza il progetto di un radiatore: uno scambiatore di calore di tipo compatto utilizzato per raffreddare il motore di veicoli come i motocicli. La particolarità di questo oggetto è che è stato pensato per poter essere interamente realizzato mediante tecnologia Selective Laser Melting (SLM), un processo a letto di polvere basato sulla tecnologia del laser.

di Davide Raffaelli, Ali Gökhan Demir, Martina Riccio, Mario Guagliano, Barbara Previtali

Febbraio/Marzo 2018

Le tecnologie di manifattura additiva rappresentano oggi una nuova frontiera per l’industria e la progettazione di prodotti. In passato ci si concentrava molto sul concetto di forma complessa quale vantaggio offerto dalle tecniche additive; oggi tuttavia, questo termine deve essere necessariamente inserito all’interno della propria categoria di appartenenza: il progetto, poiché, in realtà, queste tecnologie consentono non solo di realizzare forme complesse, ma in generale progetti complessi, di cui la forma è solo uno degli aspetti. Il risultato di questo nuovo approccio alla progettazione è la creazione di oggetti che possiedono caratteristiche non replicabili mediante i processi convenzionali.
All’interno della categoria dei processi additivi si trovano tecnologie differenti sia nei termini delle modalità con cui avviene la creazione del manufatto, sia per i materiali lavorabili e, conseguentemente, le possibili applicazioni delle tecnologie stesse. Recentemente l’attenzione da parte delle aziende e degli istituti di ricerca si sta concentrando sui metalli, materiali irrinunciabili da un punto di vista industriale e che per questo possono aprire notevoli spazi alle tecniche additive. Parlando di materiali metallici, esistono diversi processi adatti alla loro lavorazione in modalità additiva; alcuni per via indiretta, infatti consentono di creare additivamente le attrezzature necessarie: modelli in materiale polimerico o cera da fusione, oppure forme in sabbia. Altri processi, al contrario, possono lavorare direttamente le leghe metalliche e in questo caso esistono due grandi categorie: i processi a deposizione diretta e i processi a letto di polvere.
Il lavoro che verrà introdotto è una tesi di laurea presentata al Politecnico di Milano per il corso di laurea magistrale in Design and Engineering nell’anno accademico 2015-16. Si tratta del progetto di un radiatore: uno scambiatore di calore di tipo compatto utilizzato per raffreddare il motore di veicoli come i motocicli. La particolarità di questo oggetto è che è stato pensato per poter essere interamente realizzato mediante tecnologia Selective Laser Melting (SLM), un processo a letto di polvere basato sulla tecnologia del laser.

Additive Manufacturing, Design e…. motocicli
L’idea di progettare un radiatore di motociclo sfruttando il Selective Laser Melting nasce da considerazioni sul design del motociclo stesso. Al giorno d’oggi questo genere di prodotti conosce una buona maturità per molti dei suoi componenti tipici: telaio, forcelle, forcellone e motore. Negli anni, l’affinamento dei processi di produzione e l’utilizzo di software di progettazione sempre più raffinati hanno consentito di migliorare le performance di ogni singolo componente, ma anche di ottenere risultati estetici sempre migliori, soprattutto su componenti un tempo considerati esclusivamente tecnici. Osservando i motocicli odierni ci si può rendere conto dell’attenzione verso ogni singolo dettaglio e di come la progettazione delle parti, anche quelle funzionali, coinvolga contemporaneamente sia ingegneri che designer. Pochi dei componenti “visibili” non godono oggi di questo livello di interesse ed uno di questi è proprio il radiatore, un dispositivo essenziale nel veicolo. Il motivo è abbastanza semplice: il radiatore è uno scambiatore di calore, un oggetto tecnico che risulta abbastanza complesso da produrre, per la cui realizzazione vengono coinvolte diverse tecnologie differenti ed un numero elevato di parti. Assemblare queste parti non è semplice tanto che risulta molto difficile, se non impensabile, tentare di sottoporre ad una vera e propria “revisione estetica” questi oggetti. Questo perché ciò comporterebbe delle complicazioni serie a livello produttivo e, conseguentemente, un sensibile aumento dei costi. Tuttavia questa operazione non sarebbe priva di senso, dato che essendo un componente visibile e piuttosto grande, ha un notevole impatto da un punto di vista estetico, tanto che i designer tendono a volerlo nascondere con carenature e fianchetti. Questo terreno è sembrato fertile per cercare di capire se l’additive manufacturing possa rivoluzionare un componente, ormai statico da qualche decennio.

La sfida
Il progetto si presentava come una sfida vera e propria alle capacità e alle possibilità della tecnologia SLM. Questo perché un radiatore presenta alcune caratteristiche che lo rendono particolarmente complicato da realizzare attraverso questa tecnologia.
Innanzitutto un radiatore è costituito da canali ed alette molto sottili, in un ordine di grandezza compreso tra 100 e 500 µm. Si tratta di dettaglio importantissimo, poiché direttamente connesso alle performance di scambio termico in una semplice relazione: tanto più sottile, quanto più performante. Realizzare pareti e dettagli molto sottili attraverso Selective Laser Melting, non è semplice, poiché la tecnologia è pensata più per la realizzazione di componenti massicci e normalmente il minimo di risoluzione considerato tecnologicamente sostenibile è superiore a 500 µm.
Oltre a ciò, un radiatore è uno scambiatore di calore che coinvolge due fluidi: acqua come fluido caldo e aria per il suo raffreddamento. Uno dei problemi principali riguarda proprio riuscire a realizzare una canalizzazione complessa attraverso la quale far scorrere liberamente l’acqua. Questo perché essendo l’SLM un processo a letto di polvere, al termine della lavorazione lo scambiatore risulta annegato in essa, ed è fondamentale riuscire ad estrarla dal suo interno per poter far scorrere liberamente il fluido liquido. Chiaramente, quanto più complesso è il percorso del fluido, tanto maggiore sarà la difficoltà di estrazione della polvere.

Il “consorzio” che ha realizzato il progetto
Un simile progetto non sarebbe stato realizzabile senza la collaborazione di più attori: studenti, ricercatori, università e aziende. Al centro di questo “consorzio” vi è il laboratorio AddMe.Lab, del dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano. Qui è nata l’idea di questo progetto e sono state svolte le sperimentazioni preliminari. In particolare, grazie ad un impianto Renishaw AM250 è stata condotta una prima campagna sperimentale di indagine della risoluzione minima del processo su un materiale semplice da lavorare SLM: l’acciaio da utensili Maraging 18Ni300.
Per affinare il progetto dello scambiatore e per ottenere dei dati di confronto utili è stata coinvolta l’azienda SWM motorcycles, che produce motocicli a Cassinetta di Biandronno, sul lago di Varese. L’azienda ha curato la progettazione dello scambiatore e ha messo a disposizione le proprie infrastrutture per la realizzazione delle attrezzature necessarie.
Chiaramente, parlando di radiatori, non si può prescindere dalla lavorazione delle leghe di alluminio, che tuttavia risultano abbastanza problematiche per il processo SLM. In questo è stata fondamentale la collaborazione con Beam-IT, un’azienda specializzata nelle tecnologie additive a letto di polvere per la lavorazione dei metalli, situata a Fornovo di Taro (PR). Beam-IT ha messo a disposizione un impianto SLM Solutions 500HL sia per la realizzazione di una campagna sperimentale sullo spessore minimo realizzabile in lega di alluminio, sia per la realizzazione di un prototipo funzionante di radiatore.
Infine, per ottenere una caratterizzazione delle performance di scambio termico è stato coinvolto l’ente di certificazione TÜV Rheinland, che ha fornito le attrezzature necessarie alla realizzazione dei test di scambio termico.

Il progetto
Nella prima fase di questo progetto sono state condotte due campagne di sperimentazione preliminare sulla risoluzione del processo, con particolare riferimento allo spessore minimo realizzabile. La prima campagna, come anticipato realizzata all’interno del laboratorio AddMe.Lab, è stata condotta su di un acciaio da utensili, un materiale certamente non compatibile con le applicazioni di scambio termico, ma in questo caso lo scopo era di comprendere meglio il funzionamento della tecnologia e non quello del materiale. Durante questa sperimentazione sono stati prodotti una serie di campioni che presentassero caratteristiche particolari, tra le quali, appunto, pareti molto sottili. L’obiettivo era di raggiungere uno spessore minimo nominale di 200 µm e lavorando attentamente sui parametri di processo, in particolare quelli del laser, si è riusciti a raggiungere 230 µm come spessore minimo medio nel migliore dei campioni prodotti. Si tratta di un risultato eccezionale considerando anche l’assenza di letteratura a supporto e la mancanza di casi studio precedenti.
La seconda campagna ha visto la collaborazione tra il Politecnico di Milano e Beam-IT. Sostanzialmente, in questo caso, è stata riprodotta l’esperienza precedente, ma su un impianto e su un materiale diverso. La polvere utilizzata infatti è stata quella della lega di alluminio AlSi10Mg e la macchina una SLM Solutions 500 HL, che rispetto al sistema Renishaw AM 250 utilizzato in precedenza, sfrutta una sorgente laser in modalità continua e non impulsata. Anche in questo caso la campagna ha dato ottimi risultati: il miglior risultato raggiunto, espresso come media, è di 217 µm. Se i risultati precedenti apparivano interessanti, questo è davvero eccezionale se si considera la difficoltà di lavorare le leghe di alluminio attraverso sistemi laser. Un aspetto da sottolineare è che i risultati prodotti non hanno riguardato campioni estremamente semplificati, ma forme anche molto complesse. Ciò è rilevante in quanto dimostra che le strategie adottate sono replicabili su qualsiasi oggetto e forma.

Verificare la fattibilità tecnologica e le performance di scambio termico
L’obiettivo delle prime due campagne era sostanzialmente quello di definire i parametri di processo da utilizzare nella produzione di un radiatore. A questo punto, il team di ricercatori del laboratorio AddMe.Lab in collaborazione con SWM Motorcycles, applicando tutte le regole conosciute di “Design for SLM” e utilizzando i più moderni software di progettazione, ha prodotto un modello matematico di un radiatore che tenesse in considerazione tutti gli aspetti rilevanti del progetto. In particolare il radiatore doveva:
- essere un oggetto unico, inteso come non diviso in parti distinte;
- limitare l’utilizzo di strutture di supporto;
- presentare una forma complessa e non replicabile con altre tecnologie;
- avere due circuiti separati per i due fluidi coinvolti;
- presentare uno spessore nominale compatibile con quelli precedentemente sperimentati;
- garantire la completa evacuazione della polvere.
Il prototipo progettato serviva a verificare la fattibilità tecnologica e le performance di scambio termico. Per questo motivo, non è stato specificamente progettato per un particolare veicolo.
Ancora una volta sono stati realizzati due prototipi, uno in acciaio Maraging all’interno del laboratorio AddMe.Lab e l’altro in collaborazione con BeamIT in lega di alluminio AlSi10Mg. Dopo la fase di costruzione vera e propria degli scambiatori, questi sono stati ripuliti dalla polvere, facendo particolare attenzione nel rimuoverla dall’interno dello scambiatore stesso. Per questa operazione è stata utilizzata dell’aria compressa e per ragioni di sicurezza, tutto si è svolto all’interno di una cabina sigillata, con l’operatore che lavorava al suo esterno.
Infine, entrambi i prototipi sono stati separati dalla piastra di substrato e accuratamente rifiniti in modo da essere pronti per gli esperimenti finali.

La caratterizzazione delle performance di scambio termico
La parte finale di questo progetto costituisce proprio la caratterizzazione delle performance di scambio termico. In questa fase hanno collaborato il laboratorio AddMe.Lab che ha progettato il banco di prova del flusso d’aria e l’azienda SWM Motorcycles che lo ha realizzato attraverso un impianto di prototipazione additiva di tipo FDM; a questi due attori si aggiunge il più importante per questa fase: l’ente di certificazione TÜV Rheinland che ha messo a disposizione i propri laboratori, in particolare una sofisticata attrezzatura che fungesse da banco di prova del fluido liquido.
La sperimentazione consisteva nel far scorrere contemporaneamente i due fluidi: l’aria e l’acqua, all’interno dei prototipi di scambiatore. Attraverso le attrezzature disponibili era possibile imporre una determinata portata e temperatura di ingresso al fluido liquido ed imporre una velocità controllata al flusso d’aria. Attraverso appositi sensori si andava a misurare il gradiente termico subito dai due fluidi, per determinare, in questo modo, la quantità di calore che era transitato dall’uno all’altro. L’esperimento è stato condotto su entrambi i prototipi realizzati e su un terzo radiatore di tipo convenzionale, testato per ottenere un termine di paragone delle performance.
I risultati ottenuti sono molto interessanti. In primo luogo i due scambiatori prototipali hanno funzionato correttamente, cosa che ne dimostra, implicitamente, la fattibilità tecnologica. Confrontando le performance di questi due prototipi con quelle dello scambiatore convenzionale emergono due dati significativi. Il primo è che la potenza termica massima scambiata da questi prototipi si attesta intorno ai 1.350 W, un livello lievemente inferiore rispetto ad uno scambiatore convenzionale, che generalmente, al massimo delle prestazioni riesce a scambiare fino a 1.850 W circa. Questo elemento può essere in parte imputato alle differenti filosofie di progettazione, infatti uno scambiatore convenzionale impone una maggiore perdita di carico sul flusso d’aria, che non supera gli 11 m/s di velocità di attraversamento della matrice; al contrario i prototipi realizzati erano stati pensati con una filosofia a “bassa resistenza” consentendo all’aria una maggiore velocità di attraversamento, fino a 17 m/s, ma probabilmente sfruttandone male le proprietà termoidrauliche. Questo elemento lascia intravedere un buono spazio di manovra per progettazioni future, che potrebbero concentrarsi maggiormente sull’aerodinamicità del dispositivo, costruendo soluzioni a basso carico, ma ugualmente performanti. Il secondo dato emerso è che i due scambiatori prototipali, nonostante fossero costituiti da materiali caratterizzati da conduttività termiche molto differenti, non hanno mostrato performance differenti. Questo probabilmente è dovuto al fatto che nei fenomeni di scambio termico di questo tipo, la resistenza termica tende a diminuire in modo significativo con la riduzione dello spessore delle pareti. Implicitamente ciò suggerisce un nuovo spunto di riflessione: è possibile ipotizzare di realizzare scambiatori anche con materiali differenti dalle leghe di alluminio e che magari, un domani, risulteranno lavorabili attraverso Selective Laser Melting e offriranno ulteriori vantaggi; un esempio? Le leghe di magnesio, caratterizzate da una densità ancora minore a quelle di alluminio possono consentire di ridurre ulteriormente la massa di questi componenti.
Al termine dei test, rimaneva solo un dubbio da sciogliere: il Selective Laser Melting è realmente in grado di realizzare radiatori di dimensioni compatibili con applicazioni industriali significative? Per rispondere a questo interrogativo AddMe.Lab in collaborazione con BeamIT ha deciso di realizzare uno scambiatore che fosse tre volte più grande di quello utilizzato nei test, andando ad utilizzare tutto lo spazio disponibile nell’impianto SLM Solutions 500HL di 500x280x365 mm³. Questa operazione è stata largamente facilitata dall’aver adottato, sin dal primo momento una logica fortemente parametrica nella progettazione dello scambiatore utilizzato nei test. Grazie alla ripetizione di forme ed oggetti abbastanza semplici se presi singolarmente, si è in grado di scalare la geometria dello scambiatore a proprio piacimento, senza la necessità di procedere ad una nuova progettazione. Ciò nasconde un ulteriore vantaggio: ripetere parametricamente una geometria della quale già si conosce il comportamento termoidraulico consente di prevederne il funzionamento, senza ricominciare la fase di progettazione dal punto iniziale. Ciò consente un enorme risparmio di tempo e rende il risultato ottenuto con questo progetto più vicino alle logiche industriali.

QUALIFICA AUTORI
Davide Raffaelli, Dipartimento di Design, Politecnico
di Milano, Via Durando, 38/A, 20158 Milano
Ali Gökhan Demir, Mario Guagliano e Barbara Previtali, Dipartimento di Meccanica, Politecnico di Milano,
Via La Masa, 1, 20158 Milano
Martina Riccio, BeamIT Spa, Strada Prinzera, 17,
43045 Fornovo di Taro (PR).

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