Scambiatore di calore compatto, la stampa 3D

Conflux Technology ha brevettato un modello di scambiatore di calore compatto e ad alta efficienza le cui prestazioni sono esaltate da una geometria complessa, resa possibile soltanto grazie alle tecniche di produzione additiva.

Il trasferimento del calore rappresenta una sfida assai comune, che è anche alla base della prima legge della termodinamica. In sintesi, uno scambiatore di calore è un dispositivo il cui compito è trasferire in maniera efficiente il calore tra due o più fluidi, solitamente da un liquido all’altro, da un liquido a un gas, da un gas a un altro gas oppure tra più fluidi. Gli scambiatori sono presenti in prodotti come gli impianti di condizionamento e i motori degli autoveicoli. Tra i vantaggi pratici degli scambiatori di calore vi è la possibilità di recupero dell’energia termica, ma non solo: si tratta di una tecnologia complessa, con un ampio ventaglio di applicazioni possibili. I metodi di progettazione e di produzione di tali sistemi si sono evoluti in base alle tecnologie disponibili, le quali, a loro volta, hanno imposto dei limiti. Michael Fuller, fondatore e CEO di Conflux, ha passato più di un decennio come ingegnere nell’ambito delle competizioni automobilisti- che. In questo campo gli scambiatori devono operare in condizioni particolarmente difficili; ciò talvolta impone la ricerca di una sempre maggiore compattezza ed efficienza dei componenti per i quali le tradizionali tecniche di produzione sottrattiva rappresentano ormai un limite. Fuller ha osservato i vantaggi rapidi e innovativi della stampa 3D e alla fine ha identificato in essa la tecnologia più adatta alla produzione di scambiatori di ultima generazione. Con la stampa 3D è possibile produrre geometrie complesse, con superfici aventi estensioni elevate in volumi estremamente compatti – prima impossibili da ottenere – arrivando a livelli inediti in termini di prestazioni di scambio termico. Tali caratteristiche possono avere un grande impatto sugli sviluppi futuri, come per esempio la produzione di auto da competizione ed aerei più leggeri. Queste straordinarie opportunità vengono ulteriormente amplificate con l’integrazione di funzionalità e con la produzione simultanea di più varianti del medesimo modello. Fuller era quindi pronto a portare questa idea dal concetto al design e dal prototipo al prodotto finale utilizzando la stampa 3D a livello industriale.

La soluzione

Conflux Technology ha studiato l’attuale scenario della produzione additiva industriale e, al termine di un’approfondita analisi tecnica, EOS è risultata l’unica partner in possesso delle capacità tecniche e commerciali adatte a soddisfare le ambizioni di Conflux. Lo scambiatore Conflux Core è stato brevettato al termine di un rapido programma di sviluppo mirato a confermare la validità dell’idea iniziale. Nel giro di soli 6 mesi sono stati costruiti 6 prototipi che hanno portato allo sviluppo del prodotto finale. Nel corso del programma di sviluppo sono stati utilizzati vari strumenti: la FluidoDinamica Computazionale (CFD) è servita nelle varie fasi di iterazione del design dello scambiatore per ottimizzare i flussi e, previa correlazione, per ottenere una previsione delle prestazioni. È stata quindi verificata l’integrità strutturale e le deformazioni in condizioni di sollecitazione mediante l’Analisi termomeccanica non lineare ad Elementi Finiti (FEA). Le macchine EOS incorporano una suite di strumenti software specifici per la produzione additiva dedicati alla preparazione dei dati, all’ottimizzazione del processo e all’assicurazione della qualità. Tali strumenti sono stati utilizzati nello sviluppo dello scambiatore Conflux Core oggi impiegato in vari ambiti industriali come il settore aerospaziale, automotive, oil & gas, l’industria chimica e in varie applicazioni come, ad esempio, il raffreddamento dei microprocessori.

I risultati

Le prestazioni dello scambiatore Conflux Core sono state confrontate con quelle di un prototipo utilizzato in Formula 1. Young Calibrations, un laboratorio inglese certificato UKAS, è stato incaricato di testare il prodotto di Conflux. I risultati sottolineano i notevoli miglioramenti ottenuti da Conflux grazie alla produzione additiva dello scambiatore. La stampa 3D infatti ha consentito a Conflux di disegnare geometrie interne che hanno incrementato la superficie utile contenuta in un dato volume, triplicando la quantità di calore disperso e riducendo allo stesso tempo di due terzi il calo di pressione. Inoltre, la produzione additiva ha permesso di ottenere un nuovo e più compatto design dello scambiatore, con una riduzione della lunghezza di 55 mm rispetto al prototipo di Formula 1; questo a sua volta ha consentito di ridurre il peso del 22%. La flessibilità a livello progettuale offerta dalla stampa 3D ha consentito di ottimizzare l’allocazione stessa dello scambiatore nel veicolo e di ridurre il numero delle parti di cui è composto grazie all’integrazione di più sottocomponenti in un unico componente. Il tutto a vantaggio di una sensibile riduzione dei tempi di assemblaggio e delle possibili criticità strutturali rappresentate dalle saldature e dalle giunzioni meccaniche.

Lo scambiatore Conflux Core rappresenta la piattaforma grazie alla quale Conflux Technology ha potuto evolversi in un’azienda attiva nella produzione additiva focalizzata sulla gestione dei fluidi e del calore. Il successo tecnologico raggiunto deriva dalla felice combinazione delle risorse interne addette alla progettazione dei processi di produzione additiva, l’analisi computazionale e gli stretti rapporti con EOS azienda leader nella tecnologia di stampa 3D. Conflux Technology oggi ha il vantaggio di essere in grado di collaborare con i clienti e con i partner di sviluppo nella realizzazione di soluzioni avanzate che consentono di sfruttare al massimo il potenziale della produzione additiva nelle rispettive realtà aziendali.

Chi è EOS

EOS, fondata nel 1989, è un fornitore mondiale di tecnologie per la stampa 3D industriale di metalli e polimeri. Il portafoglio di prodotti EOS comprende sistemi, materiali e parametri di processo che offrono un margine competitivo decisivo in termini di qualità di prodotto e sostenibilità a lungo termine dei processi di produzione. Inoltre, i clienti possono beneficiare delle approfondite conoscenze tecniche dell’azienda nel campo dei servizi su scala globale, ingegnerizzazione delle applicazioni e consulenza.