La stampa 3D nello sviluppo dei veicoli elettrici

Dettaglio della cassa batteria in allestimento.

Uso della stampa 3D nello sviluppo di veicoli elettrici: realizzazione di contenitori di celle per pacco batteria prototipale in materiale composito e sinterizzazione laser selettiva. Il caso applicativo che segue spiega la realizzazione da parte di CRP Technology di porta-celle per test su pacchi batteria prototipali delle moto Energica, sia da gara che da strada. I porta-celle sono stati realizzati utilizzando la tecnologia della Sinterizzazione Laser Selettiva e il materiale composito caricato fibra di vetro e ritardante di fiamma Windform FR2.

Cassa batteria Energica Ego pronta per essere montata.

Primo costruttore di moto elettriche supersportive Made in Italy, Energica Motor Company è tra i leader del sempre più crescente mercato dei veicoli elettrici. Con la designazione a costruttore unico per la FIM Enel MotoE World Cup – la coppa del mondo dedicata a moto elettriche, la cui prima edizione si è conclusa poco tempo fa con l’incoronazione di Matteo Ferrari (team Gresini) sul gradino più alto del podio – lo sviluppo tecnologico di Energica ha avuto una importante accelerazione, potendo contare su un elemento di competitività unico rappresentato dalla stessa MotoE:  Energica è infatti l’unica azienda al mondo ad avere un banco di prova esclusivo per testare nuove soluzioni tecniche con i migliori piloti al mondo. Un supporto che si è rivelato senza precedenti per il dipartimento di Ricerca e Sviluppo di Energica, sia per l’esperienza racing sia per l’esperienza sulle moto di serie. Essere tra i top player del mercato dei veicoli elettrici vuol dire avvalersi di partner tecnici in grado di produrre, costantemente, innovazione tecnologica e nuove soluzioni di altissimo livello in tempi molto ristretti: fin dalla sua fondazione, Energica si è avvalsa della collaborazione di CRP Technology, da oltre 25 anni leader nel campo della stampa 3D professionale con i materiali Windform, nata – proprio come Energica – dalla visione imprenditoriale della famiglia Cevolini.Il caso applicativo che segue spiega come CRP Technology abbia assistito Energica nella ricerca e sviluppo di porta-celle per test su pacchi batteria prototipali delle moto Energica, sia da gara che da strada.

La sfida

Contenitori di celle di tipo pouch realizzati da CRP Technology in stampa 3D professionale e Windform® FR2 per test a banco e su strada. Cliente: Energica Motor Company.

Le moto Energica si avvalgono di una batteria a polimeri di litio ad alta energia (Li-NMC). La batteria è inserita in un guscio ermetico contenente le celle, il Sistema di Gestione Batterie BMS (Battery Management System) e tutti i dispositivi necessari per garantire la sicurezza del veicolo. Inoltre, Energica è l’unica azienda al mondo ad aver progettato, brevettato e adottato sui propri veicoli elettrici un sistema di raffreddamento del guscio ermetico per ovviare al surriscaldamento delle batterie. Grazie a specifici percorsi di ventilazione, questa tecnologia consente di limitare lo stress delle batterie con notevole beneficio sia in termini di prestazioni del veicolo sia della durata delle batterie stesse. Il mantenimento degli altissimi standard tecnologici di Energica si basa anche sullo studio che il reparto di Ricerca e Sviluppo compie, di continuo, sulle nuove celle che compaiono sul mercato, al fine di valutare il loro impiego nella produzione industriale. Il team di esperti di Energica parte dalla validazione della singola cella (screening iniziale) per arrivare a testare su strada il pacco batteria prototipale. I test che vengono condotti sulle celle fanno parte del know-how di Energica, e per questo non si possono divulgare in dettaglio. In questo caso specifico, lo studio è stato condotto su celle di tipo pouch (“ a sacchetto” o “a busta”). Si tratta di batterie molto sottili che non dispongono di un contenitore rigido. Per poter svolgere in maniera efficace le analisi previste dal protocollo di Energica, il team di ingegneri ha deciso di dotare ogni singola cella pouch di un contenitore prismatico con la funzione di sostegno e rinforzo. Per testare anche su strada il pacco batteria prototipale, i porta-cella di ogni singola cella pouch dovevano essere realizzati in un materiale altamente performante dalle ottime prestazioni meccaniche, e attraverso una tecnologia che incontrasse le richieste di Energica. Per questi motivi, Energica si è affidata a CRP Technology: grazie al know-how maturato in tanti anni di attività a servizio dei settori industriali più competitivi ed esigenti, CRP Technology ha affiancato il team di ingegneri di Energica dalla prima fase di studio fino alla realizzazione dei porta-cella in stampa 3D professionale e Windform®.

La soluzione

Dopo un’attenta analisi delle esigenze dei veicoli elettrici Energica e dei file 3D dell’applicazione, CRP Technology ha optato per usare la tecnologia della sinterizzazione laser selettiva con il materiale Windform FR2, il nuovo composito della famiglia Windform TOP-LINE ritardante di fiamma e caricato fibra di vetro. “Dovendo costruire prototipi funzionali di custodie per celle di tipo pouch che sarebbero stati utilizzate in vari test, comprese prove su strada- spiega l’Ingegner Franco Cevolini, Direttore Tecnico e Vice presidente di CRP Technology – risultò fin da subito necessario utilizzare un materiale con determinate caratteristiche, ovvero: materiale plastico, non conduttivo elettricamente, rigido, resistente in temperatura, flame retardant.” E’ stato scelto il Windform FR2 perché è l’unico materiale in commercio che possiede tutte queste peculiarità. “Entrando più nel dettaglio – spiega l’ingegner Cevolini – la caratteristica flame retardant è molto importante, perché garantisce l’autoestinguenza nel caso in cui si verificassero anomalie di funzionamento che potrebbero sfociare in un picco di tensione temporaneo, con conseguente fusione localizzata seguita da un principio di combustione. Facciamo un esempio: – specifica l’ingegnere – Se dovesse verificarsi un inizio di combustione in una porzione localizzata del contenitore della cella, e questo polimero fosse flame retardant, allora la combustione verrebbe soffocata. Invece, se il materiale non fosse flame retardant, allora si andrebbe incontro a problemi seri, ovvero che la combustione degeneri in incendio. Utilizzare il Windform® FR2 scongiura questa possibilità.” Anche la rigidezza è molto importante: “Il materiale – continua l’Ingegner Cevolini – doveva presentare prestazioni meccaniche tali da garantire al pacco batteria prototipale una rigidezza d’insieme per supportare la variazione volumetrica che le celle subiscono nella fase di carica e scarica. Si tratta di una variazione che genera pressioni: il porta-cella doveva quindi essere in grado di resistere a queste pressioni.

Conclusioni

Dopo l’attento studio di tecnologia e materiale con cui realizzare i pezzi, e la convalida di Energica Motor Company, il reparto di stampa 3D di CRP Technology ha proceduto con la realizzazione e consegna, in tempi brevi, dei porta-cella per veicoli elettrici. L’applicazione ha permesso, ancora una volta, di mettere in evidenza il perfetto connubio tra la tecnologia della sinterizzazione laser selettiva e i materiali compositi Windform. Grazie al Windform FR2, infatti, in brevissimo tempo e con risultati eccellenti ed altamente performanti sul piano delle proprietà meccaniche, elettriche e termiche, è stato possibile svolgere sul pacco batterie prototipale tutti i test ed analisi previsti dal protocollo di Energica.

 Le possibili problematiche

Screenshot di una sequenza di celle con porta-cella.
Pacco batteria prototipale pronto per test.

Aumento di volume. L’aumento di volume delle celle di tipo pouch è un argomento di estrema importanza, che non deve essere sottovalutato. Durante la fase di carica, all’interno del sacchetto delle celle pouch si forma del gas che ne fa aumentare il volume. Le celle tendono così a “gonfiarsi”. “Per svolgere i test sul pacco batteria prototipale, che è caratterizzato da un certo numero di celle in sequenza – spiega Giampiero Testoni, Direttore Tecnico di Energica – ogni cella deve stare nella sua posizione e non si deve muovere. La stabilità deve essere garantita dal contenitore della cella. Le celle di tipo pouch devono essere compresse in una misura ben definita, in modo da permettere ad ogni cella di “spanciare”. Il porta-cella riveste quindi un ruolo fondamentale: deve possedere una certa resistenza per contenere l’espansione della cella senza che queste si rompano.” Il team di ingegneri di Energica, coadiuvato da CRP Technology, ha verificato che il Windform FR2 e il processo di sinterizzazione laser selettiva garantiscono un alto livello di precisione che consente alla cella di mantenere la posizione all’interno del pacco batteria. “Il contenitore della cella in Windform FR2 – chiosa Testoni – lascia alla cella stessa quel grado di libertà per aumentare e/o diminuire di volume senza deformarsi, senza andare fuori posizione, senza interferire una con l’altra.”

Calore da dissipare. L’aumento di volume delle cella a sacchetto genera del calore che deve essere dissipato. Come soluzione a tale problema, a ogni singola cella e porta-cella (unità ripetitiva) è stata fissata una piastra di metallo che presenta due strutture laterali. La funzione della piastra è quella di raffreddante: il calore viene trasferito alle strutture laterali e da qui dissipato all’esterno, grazie al sistema di raffreddamento del guscio ermetico brevettato da Energica.

Esploso di un porta-cella con cella e sistema di raffreddamento. In rosso la zona del porta-cella interessata maggiormente dall’incremento di calore; questa zona deve rimanere rigida.
Dettaglio della zona del porta-cella interessata maggiormente dall’incremento di calore.

Nelle immagini qui vicino la zona interessata maggiormente dall’incremento di calore. Questo spessore non deve subire deformazioni: un’eventuale perdita di precarico della vite potrebbe generare delle scintille con conseguente principio di incendio. Verifiche e test hanno dimostrato che il Windform FR2 mantiene la rigidezza richiesta, e non si deforma con l’aumento di calore. “Quando un polimero inizia a riscaldarsi perde le caratteristiche meccaniche e subisce deformazioni – spiega l’Ingegner Cevolini – ma non accade nel Windform FR2 perché è un materiale caricato e mantiene la caratteristica di rigidezza. La temperatura di inflessione del sottocarico del Windform® FR2 è più alta di qualsiasi altro materiale non caricato con le stesse caratteristiche flame retardant”

“Ci affidiamo a CRP Technology e al suo reparto di stampa 3D professionale perché hanno il materiale composito giusto per soddisfare ogni esigenza, in particolare per supportare un progetto complesso come le moto elettriche Energica. Non mi riferisco ad una motocicletta ordinaria, ma a veicoli elettrici ad alta tensione e potenza che ha esigenze particolari. CRP Technology è il partner giusto per supportare i clienti nelle loro sfide quotidiane.” – Giampiero Testoni, Direttore Tecnico Energica Motor Company