Anche se la stampa 3D è una tecnologia ancora relativamente nuova rispetto ad altri metodi di produzione come lo stampaggio a iniezione o la lavorazione CNC, negli ultimi anni ha fatto molta strada e oggi trova una più ampia accettazione in numerosi settori. Proprio quest'anno, tre giganti del mondo dell'automobile - Porsche, Formula 1 e Ford - hanno annunciato di aver testato nuove soluzioni per sfruttare questa tecnologia.
Inoltre, il settore dei veicoli elettrici (VE) di recente ha iniziato a utilizzare un approccio additivo alla progettazione degli inverter per accrescere l'efficienza della produzione e dei componenti stessi. In tutta Europa, Audi, Ford e Alfa Romeo Racing ORLEN hanno ingrandito il loro parco di stampanti 3D.
Porsche stampa la prima scatola completa di trasmissione elettrica
Recentemente Porsche ha costruito la prima scatola completa del gruppo elettrico di trasmissione realizzandola integralmente tramite stampa 3D. Il prototipo, contenente motore e cambio, ha superato senza problemi i test di qualità e stress. Questa soluzione per la fabbricazione dell'unità ha apportato vantaggi in termini di riduzione del peso e rigidità raddoppiata nelle aree più soggette a sollecitazioni. "Questo dimostra che la fabbricazione additiva presenta vantaggi tale da prestarsi anche alla realizzazione dei componenti più grandi e sottoposti a forti sollecitazioni delle auto sportive elettriche", ha detto Falk Heilfort, project manager del dipartimento di Powertrain Advance Development presso il Centro di Sviluppo Porsche.
Uno dei fattori chiave nella progettazione per il settore dell'automobile è il peso. La fabbricazione additiva permette ai progettisti di creare pezzi complessi che sono molto più leggeri delle omologhe realizzate con materiali aggiuntivi. La riduzione del peso dei componenti automobilistici ha poi una ricaduta positiva più ampia anche sull'ambiente, perché se le auto sono più leggere hanno bisogno di meno carburante ed energia per funzionare.
Scatola di trasmissione elettrica Porsche stampata in 3D
La Formula 1 produce additivamente stampi per blocchi motore
La Formula 1 sta sperimentando un nuova applicazione della fabbricazione additiva per realizzare componenti auto. Invece di stampare i pezzi in 3D come Porsche, l'organizzazione internazionale di corse automobilistiche sta usando stampi realizzati in 3D per la fabbricazione dei motori.
I designer hanno ideato uno stampo per il blocco motore da fabbricare in modalità additiva usando sabbia e indurenti. Il metallo fuso viene versato nello stampo realizzato in 3D per creare i blocchi in un processo che garantisce una maggiore precisione rispetto agli stampi tradizionali. Questa tecnica permette agli ingegneri di sperimentare diversi tipi di sabbia, colle e indurenti per controllare la modalità di raffreddamento dell'alluminio, passaggio che può avere un impatto fondamentale sul risultato del prodotto finale.
Clip per il tubo del carburante stampate a iniezione di Ford, realizzate con plastiche riciclate per la stampa 3D
Ford usa i rifiuti riciclati della stampa 3D per la linea di truck F-250
Negli Stati Uniti, Ford e HP stanno collaborando per trasformare il materiale di stampa 3D riciclato in clip per lo stampaggio a iniezione del tubo del carburante per i truck Super Duty F-250 della Ford. Oltre a portare avanti le attività di sostenibilità di Ford, questa iniziativa del tutto innovativa nel settore consente di ottenere effettivamente pezzi con una migliore resistenza chimica e all'umidità, che per di più pesano un 7% in meno e sono il 10% più economici da produrre rispetto ai componenti convenzionali stampati con materiale nuovo.
"Molte aziende stanno individuando nuove grandi opportunità di applicazione delle tecnologie di stampa 3D, ma insieme ad HP siamo stati i primi a identificarne una ad alto valore per la polvere di scarto, probabilmente destinata alla discarica, trasformandola in componenti per l'auto funzionali e durevoli", ha detto Debbie Mielewski, tecnologa alla Ford.
Le clip del tubo del carburante sono modellate con il materiale eccedente dalla lavorazione di altri pezzi di ricambio per l'auto con le stampanti HP Multi Jet Fusion in uso presso l'Advanced Manufacturing Center di Ford in Michigan, così come con il materiale di stampa 3D in esubero donato da aziende come l'impresa odontoiatrica SmileDirectClub. Il materiale raccolto viene inviato a produttori esterni che trasformano le polveri di scarto in pellet polimerici adatti allo stampaggio a iniezione e modellando tali pellet nelle clip per il tubo di alimentazione di uso finale.
Nell'intento di sviluppare l'iniziativa, Ford e HP hanno trovato altre 10 clip per il tubo del carburante su altri veicoli idonee al processo di stampaggio con materiale riciclato e stanno progettando lo stampo per questi pezzi.
Fabbricazione additiva, un plus di efficienza nella produzione di VE
L'IAAPS (Institute for Advanced Automotive Propulsion Systems) dell'Università di Bath, fondato di recente nel Regno Unito, sta valutando la possibilità di sfruttare i vantaggi della stampa 3D per la fabbricazione di inverter per i veicoli elettrici. Un team multidisciplinare di ricerca sta lavorando a un progetto che studia la possibilità di stampare in 3D componenti selezionati degli inverter. In caso di successo, la fabbricazione additiva di questi componenti aiuterebbe i produttori di EV a superare ostacoli come la gestione termica, il rumore elettrico e il volume di imballaggio.
"[I dispositivi semiconduttori SiC (carburo di silicio)] offrono numerose opportunità per migliorare le prestazioni degli inverter, ma i progettisti di sistemi spesso non sono in grado di sfruttarne appieno il potenziale perché le loro idee non possono essere prodotte con tecniche convenzionali. La fabbricazione additiva permette di progettare in 3D senza queste limitazioni e prevediamo grandi vantaggi dall'applicazione di questa tecnologia per la produzione di inverter per EV. Sono componenti con un impatto significativo sulla capacità di spingere su altri componenti del gruppo propulsore, quindi anche il vantaggio più modesto può innescare un circolo virtuoso di miglioramento in termini di efficienza, packaging e densità di energia per gli EV di domani", ha detto Peter Wilson, il docente alla guida dello studio IAAPS.
Concetto per il singolo elemento triangolare dell'IAAPS al centro dell'inverter
Attualmente, gli inverter sono progettati nell'ambito di un processo 2D in cui le schede piatte dei componenti sono impilate con una spessa piastra fredda in alluminio raffreddata a liquido nella parte inferiore. Tuttavia, l'efficienza, l'affidabilità e le prestazioni degli inverter diminuiscono quando aumenta la temperatura. Il team spera che la stampa 3D possa risolvere questo problema, in quanto consentirebbe di creare una complessa struttura interna a reticolo con pareti spesse meno di 1 mm nelle piastre di raffreddamento, per una soluzione più efficace rispetto alle piastre con canali di raffreddamento lavorati.
Inoltre, il design stampato in 3D offrirebbe un ulteriore vantaggio in termini di leggerezza e conduttività, conferendo all'inverter una densità di potenza significativamente maggiore. L'assemblaggio più compatto ridurrebbe poi la distanza tra gli interruttori e i driver del gate, con un'interferenza elettromagnetica più efficace. Questo permetterebbe agli interruttori di funzionare a velocità più elevate, sfruttando appieno la tecnologia SiC rispetto alla soluzione tradizionale.
Ma se questo progetto sta ancora muovendo i primi passi nel Regno Unito, l'applicazione della fabbricazione additiva nel settore automobilistico sta aumentando in tutta Europa. Negli ultimi tre mesi, Ford è stata la prima casa automobilistica del continente ad aggiungere una stampante 3D di grande formato alla sua flotta, Audi ha iniziato a utilizzare la stampa 3D per fabbricare stampi a caldo nel suo Metal 3D Printing Centre e il team Alfa Romeo Racing ORLEN Formula 1 ha raddoppiato l'uso di parti stampate in 3D sull'auto da corsa C41. Con vantaggi come la riduzione del peso e la realizzazione di pezzi più complessi e più completi, il passaggio alla fabbricazione additiva nel settore dell'auto non mostra segni di rallentamento.