Risorse

Il CERN apre un nuovo capitolo per le applicazioni AM nel flusso dei fluidi

Dagli iniettori di carburante agli scambiatori di calore e oltre

1 Condivisioni

Ottenere il massimo dalla produzione additiva (AM) non significa solo installare la tecnologia. Come per qualsiasi cosa, più profonda è la conoscenza del processo, più si può uscirne e più applicazioni possono essere sviluppate. Gli esperti di AM e gli ingegneri applicativi si trovano quindi in una posizione unica, dalla quale possono innovare e risolvere molte sfide associate alla produzione tradizionale.

Forse nessuna area illustra questa dinamica meglio delle applicazioni di flusso dei fluidi, che esistono in molti settori che stanno guidando l’adozione dell’AM: dall’automotive e gli sport motoristici, all’aerospaziale, all’energia e oltre. Per anni, la nostra conoscenza della dinamica dei fluidi è andata oltre ciò che siamo stati in grado di ottenere utilizzando processi di produzione convenzionali. Ora, la produzione additiva sta cambiando questa realtà, consentendo agli ingegneri di produrre progetti ottimizzati che in precedenza sarebbero stati impossibili da realizzare.

Grazie ad AM, è ora possibile creare sistemi di flusso del fluido superiori in termini di prestazioni, efficienza e affidabilità. In un nuovo eBook scaricabile gratuitamente3D Systems esplora le applicazioni delle sue tecnologie AM per i sistemi di flusso dei fluidi, evidenziando vantaggi reali ed estesi in termini di tutto, dalle prestazioni alla riduzione del peso.

Letto di ugelli per carburante stampati in 3D

Design untethering

Molti dei vantaggi della produzione additiva per applicazioni a flusso di fluidi sono legati alla progettazione. Rispetto alla produzione sottrattiva, AM offre un eccezionale livello di libertà di progettazione, consentendo la creazione di parti con geometrie e caratteristiche interne complesse. In breve, ciò significa che ora possiamo concepire nuovi e migliori progetti per applicazioni a flusso di fluido.

Il CERN, l’organizzazione europea con sede in Svizzera che gestisce il Large Hadron Collider (LHC), il più grande collisore di particelle del mondo (e la macchina più grande del mondo), ha collaborato con l’Application Innovation Group (AIG) di 3D Systems per riprogettare e produrre barre di raffreddamento in titanio per esperimenti con LHC. L’AM ha consentito ai partner di superare diverse sfide associate alle parti, che vengono utilizzate per raffreddare l’area di rilevamento a -40 ̊C per preservare le reazioni delle particelle per lo studio.

Il CERN e 3D Systems hanno progettato cool-bar stampati in 3D per l’assemblaggio LHCb

La principale delle sfide era lo spazio: i cool-bar dovevano adattarsi a uno spazio limitato pur dissipando abbastanza calore. Dovevano ottenere l’uniformità della temperatura su tutta la lunghezza di una striscia di rilevamento foto, che misura 140 metri di lunghezza e meno di 2 mm di larghezza. Il tutto rispettando le specifiche di planarità per l’efficienza e la risoluzione del rivelatore.

Sulla base di questi requisiti, i partner hanno concepito il design del pezzo perfetto. “Questo design era così bello, ma non era producibile nel solito modo”, ha spiegato Antonio Pellegrino, leader del progetto LHCb SciFi Tracker al CERN.

Utilizzando Direct Metal Printing (DMP), AIG e CERN di 3D Systems sono stati in grado di produrre più di 300 unità di coolbar in titanio, ognuna delle quali ha soddisfatto le specifiche necessarie, inclusi spessori di parete di 0,25 mm (per migliorare la dissipazione del calore), perdite tenuta e planarità con una precisione di 50 micron. Il case study completo può essere trovato qui.

Scorrere attraverso i segmenti del settore

Scambiatore di calore a lamelle

I vantaggi dell’AM nei sistemi di flusso dei fluidi si estendono ben oltre il CERN, dagli scambiatori di calore, al raffreddamento integrato, ai sistemi di propulsione e iniettori di carburante, ai collettori del fluido e fino alla microfluidica. AM sta consentendo una maggiore efficienza per tutte queste applicazioni di flusso di fluidi, in più di un modo.

Da un lato, la manifattura additiva può consentire la produzione di strutture più leggere grazie a geometrie ottimizzate. Questa capacità è particolarmente cruciale in applicazioni come i sistemi di propulsione e gli iniettori di carburante, dove il peso è un fattore critico e può far aumentare i costi operativi.

Nella progettazione di un iniettore per motore a razzo a propellente liquido, ad esempio, il Centro spaziale tedesco (DLR), in collaborazione con il Customer Innovation Center di 3D Systems, è stato in grado di consolidare 30 componenti in un’unica parte, il che ha comportato una riduzione del peso finale del 10%. Inoltre, il design consolidato ha eliminato i punti di errore esistenti nel sistema originale, migliorando le prestazioni complessive del sistema. L’iniettore di carburante stampato in 3D ha anche integrato alcune funzionalità, come i canali dei sensori di pressione e temperatura, che hanno portato a prestazioni di raffreddamento e combustione superiori. Queste funzionalità di miglioramento delle prestazioni sono state abilitate dalla tecnologia DMP di 3D Systems.

Un recente test di fuoco del DLR

“Sulla base del successo delle iniziative spaziali che coinvolgono DMP, abbiamo pensato che 3D Systems fosse perfettamente adatto per fornire gli aspetti di progettazione per la produzione della testa dell’iniettore, con un occhio alle nuove possibilità per l’integrazione dei sensori e la distribuzione di carburante e refrigerante”, ha spiegato Markus Kuhn, che sta gestendo il progetto della testa dell’iniettore presso DLR.

Un flusso semplicemente migliore

L’AM può anche migliorare l’efficienza delle applicazioni di flusso dei fluidi migliorando direttamente la dinamica dei fluidi. La maggior parte dei processi di produzione convenzionali favorisce i progetti con angoli acuti, il che può essere problematico, poiché il fluido che si muove attraverso i canali interni può rimanere intrappolato in zone stagnanti. Questo, a sua volta, porta a una perdita di pressione e riduce l’efficienza. Design for AM può eliminare queste fastidiose funzionalità di progettazione e creare canali interni ottimizzati per la dinamica dei fluidi. Questi vantaggi possono essere visti più chiaramente nei collettori di fluidi nei macchinari a semiconduttori e nei dispositivi microfluidici utilizzati nei laboratori di ricerca.

Allo stesso modo, è possibile progettare sistemi di flusso del fluido con turbolenza intenzionale per ottenere il picco di raffreddamento. Negli scambiatori di calore, ad esempio, la turbolenza incorporata può aumentare il trasferimento termico, che può essere utile negli apparecchi di refrigerazione, nella generazione di energia e in molte altre applicazioni. Nel complesso, l’AM consente agli ingegneri e agli specialisti del flusso di fluidi di basare i progetti sulla dinamica dei fluidi piuttosto che sui limiti di produzione.

Un collettore idraulico stampato in 3D con flusso ottimizzato

Per riassumere, la produzione additiva sta cambiando in meglio lo stato delle applicazioni di flusso dei fluidi, offrendo una migliore producibilità attraverso il consolidamento delle parti, un’efficienza superiore grazie alla riduzione del peso e all’efficienza di miscelazione e un migliore utilizzo dello spazio. Questo è vero praticamente in tutte le aree della dinamica dei fluidi, sia che si stia stampando in 3D coolbar in metallo per l’LHC, un iniettore di carburante o un dispositivo microfluidico in plastica con canali minuscoli.

Tuttavia, la curva di apprendimento può essere abbastanza ripida, poiché comprende non solo un nuovo processo di produzione ma anche una mentalità di progettazione completamente nuova. Fortunatamente, gli esperti sono a disposizione per facilitare l’adozione dell’AM. Partner come 3D Systems possono aiutare gli utenti finali a ottenere il massimo dalla stampa 3D per applicazioni di flusso di fluidi, attraverso la consulenza, nonché attraverso servizi di formazione e produzione. L’azienda afferma: “Aiutiamo a scoprire dove e come AM si inserisce all’interno di un’architettura esistente e fornisce consulenza su come semplificare il processo di onboarding”.

Questo articolo è stato pubblicato in collaborazione con 3D Systems .

1 Condivisioni
Tags
Research 2020
Composites AM Market Opportunities

This 170-page study from 3dpbm Research provides an in-depth analysis of each major sub-segment in composites...

Articoli Correlati

Back to top button
Close
Close

ADDITIVATI ADESSO

 

Iscriviti per ricevere le ultime notizie sull'industria della stampa 3D.

Ho letto e accetto l'informativa sulla privacy.*

Questa informazione non sarà mai condivisa con terze parti

BENVENUTO A 

BORDO!