ALTHERA Project - Abstract
Il progetto ALTHERA (ALM Technologies and Processes for High performing components for aERospace and Automotive) nasce con l’obiettivo di sviluppare e perfezionare una tecnologia innovativa, insieme ai relativi processi produttivi, per la realizzazione in manifattura additiva di strutture avanzate, leggere e robuste, dotate di elevata conducibilità termica e caratterizzate da geometrie complesse, sia esterne (forme non convenzionali) che interne (strutture cave attraversate da micro-canali con sezioni ridotte e profili interni singolari).
Questa tecnologia è pensata per abilitare la progettazione digitale avanzata e la produzione in Additive Layer Manufacturing di sistemi per lo scambio termico altamente performanti, come ad esempio scambiatori termici passivi e semi-passivi, destinati ad applicazioni in settori in cui i requisiti di installazione e integrazione sono particolarmente sfidanti. Tali requisiti rendono spesso impraticabile, se non impossibile, la realizzazione di questi componenti con tecnologie convenzionali. Le soluzioni tecnologiche proposte da ALTHERA risultano quindi di grande interesse per settori ad alta intensità tecnologica, in particolare per l’aerospazio e l’automotive, ma con potenziali ricadute anche in altri ambiti industriali.
La tecnologia oggetto di sviluppo si basa sulla combinazione sinergica tra una metodologia avanzata di miscelazione di polveri metalliche e i processi di Additive Manufacturing, con particolare riferimento alla tecnologia Selective Laser Melting. La sfida principale risiede nell’utilizzo di leghe speciali Inconel-Cu, ottenute attraverso una tecnica non convenzionale di miscelazione, per le quali deve essere sviluppato un processo di stampa opportunamente ottimizzato per consentire la produzione di componenti dalla geometria complessa e dalle elevate prestazioni termiche e meccaniche.
OBIETTIVI
Il progetto mira alla realizzazione di un dimostratore tecnologico di un componente innovativo per applicazioni aeronautiche: un sistema di controllo termico basato sul principio di funzionamento degli heat pipes, destinato alla regolazione termica del Wing Leading Edge.
Il componente selezionato presenta sfide significative sia dal punto di vista tecnologico che realizzativo, dovute ai rigorosi requisiti dimensionali e prestazionali, nonché alla complessità della geometria interna necessaria per massimizzare l’efficienza dello scambio termico.
La progettazione del dimostratore si è basata sul concept del veicolo ipersonico Hyplane. In particolare, la geometria aerodinamica del profilo alare ha definito le caratteristiche esterne del componente, mentre le condizioni operative specifiche per l’utilizzo degli heat pipes in questo contesto hanno guidato la configurazione della geometria interna.
RISULTATI
Le attività svolte da Sòphia High Tech hanno contribuito al raggiungimento degli obbiettivi di sviluppo tecnologico che erano stati prefissati per il progetto:
• Ottimizzazione del processo di miscelazione di polveri metalliche sviluppato in-house su miscele Inconel-Rame;
• Realizzazione di un piano sperimentale di testing su provinature stampate mediante tecnologia SLM per la validazione del processo di miscelazione;
• Set-up di un processo ALM specializzato per la lega custom realizzata e per le geometrie del dimostratore;
• Realizzazione di una campagna di testing specifica per la valutazione dei limiti tecnologici del processo sulla realizzazione di canali con geometrie interne peculiari;
• Produzione del componente finito e supporto in fase di testing.
Una volta definiti i requisiti strutturali e funzionali del dimostratore, è stato possibile sviluppare ad hoc la lega custom Inconel-Rame sfruttando la facility POWMIX che consente la miscelazione ottimale di polveri metalliche mediante l’azione congiunta di un campo acustico e dell’insufflaggio di una portata di gas inerte. Questo ha consentito di poter testare miscele con diverse composizioni ottenendo risultati affidabili e ripetibili, ottimizzando così l’output di processo. Lo sviluppo di un materiale specifico ha richiesto un tuning apposito dell’intero processo di produzione SLM, il quale ha portato risultati solidi e promettenti, grazie all’expertise sviluppata negli anni dal team di Sòphia High Tech.
Grazie ad un piano di testing e validazione specifico, sono state verificate l’aderenza geometrica del componente realizzato alle specifiche di progetto e la funzionalità del dimostratore, ottenendo risultati positivi e convincenti riguardo l’adeguatezza del processo sviluppato ad altre applicazioni in settori tecnologicamente avanzati.
SVILUPPI FUTURI
Con il presente progetto, sfruttando l’innovazione delle tecnologie additive, è stato possibile realizzare uno scambiatore di calore basato sul funzionamento degli heat pipes per regolare la temperatura del Wing Leading Edge del velivolo ipersonico Hyplane. Nell’applicazione presa in considerazione, lo scambiatore ha un ruolo fondamentale nell’evitare che le altissime temperature raggiunte dalla zona del profilo alare ne danneggino la struttura comportando la failure dell’intero sistema.
La realizzazione e la successiva validazione di un prototipo funzionante e con caratteristiche aderenti agli stringenti requisiti funzionali e dimensionali dell’applicazione analizzata apre prospettive promettenti sull’impiego della manifattura additiva in settori ad alto contenuto tecnologico.
Le geometrie richieste dal progetto non sarebbero infatti realizzabili utilizzando un processo produttivo tradizionale di lavorazione CNC a causa delle geometrie esterne peculiari e del profilo dei canali interni. Grazie alla tecnologia SLM, è invece possibile realizzare queste geometrie avanzate, superando i limiti imposti dai metodi convenzionali e consentendo la produzione di componenti con strutture interne ottimizzate per lo scambio termico e conformi alle specifiche aerodinamiche del progetto.
La necessità di utilizzare un materiale in grado di coniugare ottime caratteristiche meccaniche anche ad altre temperature con un elevato coefficiente di scambio termico ha trovato risposta nella miscelazione di polveri metalliche, già in passato sperimentata da Sòphia e realizzata con una facility sviluppata e prodotta internamente. Mescolando polveri di diversi metalli ed effettuando un alloying in-situ durante la fusione selettiva delle polveri che avviene durante il processo di stampa, è stato possibile realizzare un materiale che presenta una combinazione ottimale delle caratteristiche di Inconel e rame.
Le attività svolte hanno, dunque, sfruttato pienamente alcune delle caratteristiche peculiari della stampa SLM, dimostrando gli ottimi risultati che possono essere raggiunti con un corretto tuning dei vari processi coinvolti nella produzione.
Tali risultati confermano e avvalorano le vaste potenzialità applicative della manifattura additiva, riconosciuta come una key enabling technology dell’Industria 4.0, in contesti industriali ad elevato contenuto tecnologico.
