Il Team Octane Racing ed EOS ottimizzano il raffreddamento del motore dell'auto con AM
Università Tecnologica COEP - Storia di successo
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Libertà di progettazione per geometrie interne complesse
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Assicura un'elevata resistenza strutturale
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Il design integrato migliora l'assorbimento del calore
Al Team Octane Racing crediamo che l'eccellenza ingegneristica si sinterizzi strato dopo strato. Con la stampa 3D in metallo all'avanguardia di EOS, abbiamo realizzato l'involucro perfetto per i nostri motori a mozzo, dando vita alla prima auto da corsa FS indiana con motori a mozzo.
Piyush Goyal | Capitano, Team Octane Racing
Il Team Octane Racing si è imbarcato in un progetto ambizioso: costruire la prima auto da corsa di Formula Student in India con doppi motori sincroni a magneti permanenti (PMSM) montati sui mozzi.
I metodi di produzione tradizionali si sono rivelati incapaci di produrre il design complesso e integrato richiesto. Questo ha portato il team a esplorare la produzione additiva (AM) di EOS.
Il risultato è stato un involucro del motore leggero e all'avanguardia, dotato di canali di raffreddamento conformali integrati, realizzato con DMLS, che ha gestito con successo i carichi termici e ha permesso di ottenere prestazioni ottimali e durature del motore.
Il cliente e il progetto
Il Team Octane Racing è il team ufficiale di Formula Student della COEP Technological University di Pune, India. Fondato nel 2010, il team ha una ricca storia di progettazione e costruzione di auto da corsa in stile F1 per prestigiose competizioni nazionali e internazionali come la Formula Bharat e la Formula Student Germany. Ha esperienza nella costruzione di diverse auto da corsa con motore a combustione interna e veicoli elettrici.
L'obiettivo del progetto era quello di realizzare la prima auto da corsa di Formula Student in India, dotata di due motori sincroni a magneti permanenti ad alta densità di potenza montati direttamente nei mozzi delle ruote. Una parte fondamentale di questo progetto è stata la progettazione e la produzione di un alloggiamento personalizzato per questi motori che incorporasse un efficace sistema di raffreddamento.
Questi motori ad alta densità di potenza, combinati con le condizioni ambientali calde, hanno rappresentato una sfida significativa per la gestione termica. Generando un calore considerevole (che richiedeva una dissipazione di calore fino a 2,2 kW), avevano bisogno di una soluzione di raffreddamento efficace all'interno degli stretti vincoli di spazio del mozzo della ruota.
La sfida
Il requisito tecnico principale era quello di creare un involucro su misura con un'efficace gestione termica per i nuovi motori a mozzo PMSM ad alta densità di potenza.
I motori generano un calore significativo, fino a 2,2 kW per motore, che deve essere dissipato. Il calore non gestito riduce drasticamente l'efficienza e le prestazioni del motore e può portare a guasti dei componenti, tra cui rottura dell'isolamento, guasti ai cuscinetti, danni agli avvolgimenti e smagnetizzazione dei magneti. Pertanto, un raffreddamento efficace è stato fondamentale per mantenere le massime prestazioni e garantire la longevità del motore.
Diversi vincoli di progettazione hanno complicato il compito. Il produttore del motore ha specificato un involucro stretto: 90 mm di diametro interno, 120 mm di diametro esterno e 105 mm di lunghezza. Inoltre, lo spazio all'interno del gruppo ruota era estremamente limitato e non consentiva l'aggiunta di una camicia di raffreddamento separata al di fuori del diametro della carcassa di 120 mm. Ciò ha reso necessaria l'integrazione dell'involucro del motore e di un sistema di raffreddamento efficiente, in particolare una camicia di raffreddamento conformale, in un unico componente integrato. Il progetto doveva massimizzare sia l'integrità strutturale che le capacità di dissipazione del calore.
Le tecniche di produzione tradizionali, come la lavorazione o la fusione, non offrono una libertà di progettazione sufficiente per i complessi canali di raffreddamento interni a spirale richiesti. Integrare l'involucro e la camicia di raffreddamento senza soluzione di continuità era difficile, se non impossibile, utilizzando questi metodi. Raggiungere gli obiettivi di prestazione desiderati con approcci tradizionali avrebbe probabilmente comportato un componente significativamente più pesante e più grande, con un utilizzo insufficiente del materiale (stimato al 25-30%).
La soluzione: Produzione additiva EOS
Dopo numerose iterazioni progettuali e studi di fattibilità, il DMLS con l'utilizzo di una macchina EOS M 290 è stata identificata come la soluzione produttiva ideale. La DMLS offriva la necessaria libertà di progettazione per geometrie interne complesse, offriva un potenziale significativo di riduzione del peso e garantiva un'elevata resistenza strutturale. È stata scelta una lega di alluminio, nello specifico EOS Aluminium AlF357, per la sua favorevole conducibilità termica, il rapporto forza-peso, la resistenza alla corrosione e la lavorabilità.
Il team ha progettato un innovativo involucro cilindrico integrato che incorpora canali di raffreddamento interni, conformati a spirale. Questo design integrato ha massimizzato la superficie di contatto tra i canali di raffreddamento e i componenti del motore che generano calore, migliorando l'assorbimento del calore. Inoltre, ha eliminato i potenziali punti di perdita spesso associati ad assemblaggi in più parti. L'AM ha permesso di orientare con precisione gli ingressi/uscite del fluido e i punti di montaggio per un'integrazione perfetta nel complesso gruppo ruota. Il progetto finale ha portato a un gruppo motore estremamente compatto e semplificato.
EOS ha svolto un ruolo cruciale fornendo l'esperienza necessaria per ottimizzare i parametri di stampa e di post-lavorazione, in modo che la resistenza e la duttilità del processo AlF357 potessero superare le proprietà dell'alluminio di qualità 6061, secondo gli standard internazionali. Il cliente ha potuto stampare e testare rigorosamente i pezzi campione per garantire che i componenti finali avessero una porosità pari a zero, una finitura superficiale liscia e una resistenza meccanica paragonabile a quella dell'alluminio billet di grado AA6061.
Tagliare il traguardo: I risultati
Il componente AM ha raggiunto un notevole tasso di dissipazione del calore. Questo raffreddamento superiore ha mantenuto la temperatura superficiale del motore al di sotto della soglia critica di 50°C, consentendo ai motori di funzionare a prestazioni di picco costanti. L'involucro prodotto in modo additivo pesava solo 1,3 kg, dimezzando di fatto il peso stimato (almeno 2,5 kg) di un componente analogo lavorato tradizionalmente. Inoltre, la parte AM ha soddisfatto tutti i requisiti di resistenza strutturale, superando le proprietà dell'alluminio 6061 battuto (~300 MPa con duttilità >10%). Inoltre, l'EOS Aluminium F357 ha dimostrato di essere un forte concorrente per sostituire l'AA6061 nelle applicazioni più esigenti, offrendo non solo prestazioni comparabili, ma anche una libertà di progettazione significativamente maggiore rispetto ai metodi di produzione tradizionali.
Al di là dei parametri di prestazione, l'AM ha offerto vantaggi distinti in termini di progettazione e produzione. Ha permesso di integrare con successo l'involucro del motore e i canali di raffreddamento conformali in un unico pezzo monolitico. Il team ha ottenuto una geometria interna ed esterna molto complessa, adattata con precisione alle esigenze specifiche di packaging e prestazioni del veicolo. L'utilizzo dei materiali è stato drasticamente migliorato, superando il 95%, in netto contrasto con il 25-30% stimato per la produzione sottrattiva. In definitiva, la tecnologia EOS AM ha permesso al Team Octane Racing di raggiungere l'ambizioso obiettivo di costruire la prima auto di Formula Student indiana alimentata da motori a doppio mozzo.
Il futuro
La tecnologia EOS Additive Manufacturing si è rivelata indispensabile per il Team Octane Racing, fornendo la soluzione critica per superare le complesse sfide di integrazione progettuale e di produzione associate al raffreddamento dei motori a mozzo ad alte prestazioni. L'adozione del DMLS ha portato benefici tangibili: un involucro e un sistema di raffreddamento completamente integrati, una gestione termica superiore che ha portato a prestazioni di picco sostenute del motore, una significativa riduzione del peso e la realizzazione di un design complesso irraggiungibile con mezzi convenzionali. Questo progetto evidenzia l'immenso potenziale dell'AM per lo sviluppo di componenti complessi, leggeri e termicamente efficienti in applicazioni automobilistiche ad alte prestazioni e non solo. In particolare, le proprietà ottenute hanno superato quelle dell'alluminio 6061 battuto in condizioni T6, evidenziando i vantaggi che l'AM può offrire in termini di materiali e design.
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