In settori quali l'aviazione elettrica, l'automotive ad alte prestazioni e la nautica, agli ingegneri viene richiesto di realizzare macchine non solo più efficienti, ma anche significativamente più leggere e potenti. Per soddisfare queste esigenze sarà necessaria una densità di potenza ben superiore a quella che oggi è considerata all'avanguardia. Nick Simpson, professore di Macchine elettriche all'Università di Bristol, partner formativo del CWIEME Berlin, spiega perché per raggiungere questo obiettivo sarà necessario spingere la densità di potenza oltre i livelli attuali.
 

Secondo le roadmap tecnologiche britanniche dell'Advanced Propulsion Centre e dell'Aerospace Technology Institute, entro il 2035 le macchine elettriche dovranno raggiungere densità di potenza comprese tra 9 e 25 kW/kg. Ciò rappresenta un aumento fino a cinque volte superiore a quello attualmente disponibile. I soli miglioramenti incrementali non consentiranno al settore di raggiungere tale obiettivo. È necessario qualcosa di più radicale.

Ripensare la densità di potenza 

La densità di potenza massica è il rapporto tra la potenza che una macchina è in grado di produrre e la sua massa ed è solitamente misurata in kW/kg. I metodi di produzione tradizionali impongono vincoli geometrici e materiali che limitano la possibilità di aumentare questo rapporto. La produzione additiva (AM), al contrario, offre ai progettisti una libertà molto maggiore.

Le macchine elettriche sono costituite sia da componenti passivi, come alloggiamenti ed elementi strutturali, sia da componenti attivi, tra cui avvolgimenti, acciai elettrici e magneti permanenti. Dal punto di vista passivo, l'AM consente un alleggerimento avanzato grazie all'uso di strutture reticolari e giroidee. Queste consentono di rimuovere il materiale dove non è meccanicamente necessario, mantenendo la rigidità e riducendo significativamente la massa.

Allo stesso tempo, l'AM consente di integrare canali di raffreddamento e camicie direttamente nelle strutture e di posizionarli esattamente dove viene generato il calore. Una migliore gestione termica è fondamentale, poiché i limiti di temperatura sono spesso il vincolo determinante per la densità di potenza. Tuttavia, l'opportunità più rivoluzionaria risiede nei componenti attivi.

Nuove geometrie

La progettazione delle macchine elettriche convenzionali è fortemente influenzata dalle modalità di produzione dei componenti. Gli avvolgimenti, ad esempio, sono tipicamente realizzati avvolgendo conduttori rotondi o rettangolari, un processo altamente automatizzato ma intrinsecamente limitante.

La produzione additiva cambia completamente questa situazione. Se gli avvolgimenti possono essere stampati, possono essere prodotti in quasi tutte le geometrie. I singoli conduttori possono essere modellati e posizionati in modo da ottimizzare contemporaneamente le prestazioni elettromagnetiche, il comportamento termico e l'integrità meccanica.

Questa libertà geometrica consente agli ingegneri di esplorare topologie di macchine completamente nuove, guidando il flusso magnetico e la corrente elettrica in modi che semplicemente non sono possibili con le tecniche di produzione tradizionali. Anziché costringere i progetti ad adattarsi al processo, la produzione additiva consente al processo di seguire il progetto.

Dalla prototipazione alla produzione

La produzione additiva è spesso considerata principalmente uno strumento di prototipazione, e il suo valore in questo ruolo è innegabile. Poiché la produzione additiva è un processo completamente digitale, i costi degli utensili sono drasticamente ridotti. I progetti possono essere iterati rapidamente, aggiornati digitalmente e testati fisicamente a una frazione del costo dei metodi convenzionali.

Tuttavia, la produzione additiva sta andando sempre più oltre la prototipazione per arrivare alla produzione finale, in particolare per applicazioni ad alte prestazioni e a basso volume. Nel campo delle macchine elettriche, questa transizione è stata guidata dalla necessità di eliminare completamente i vincoli di produzione e partire da un foglio di progettazione vuoto.

Considerando la produzione additiva come un processo pronto per la produzione piuttosto che sperimentale, i ricercatori e gli ingegneri possono valutare come potrebbe essere una macchina elettrica se la geometria non fosse più il fattore limitante.

Innovazione nei materiali

Storicamente, le prestazioni dei materiali hanno rappresentato un ostacolo significativo all'adozione della produzione additiva nelle applicazioni elettriche. Mentre i materiali strutturali come l'alluminio e l'acciaio hanno raggiunto la parità con gli equivalenti prodotti in modo convenzionale, i materiali altamente conduttivi come il rame hanno posto sfide maggiori.

L'elevata riflettività e conducibilità termica del rame ne hanno reso difficile la lavorazione con le tradizionali tecniche di fusione laser a letto di polvere. Negli ultimi anni, tuttavia, progressi quali laser a potenza più elevata, lunghezze d'onda alternative e nuovi processi di produzione additiva, tra cui il binder jetting, hanno superato molte di queste limitazioni.

Oggi, i conduttori in rame e alluminio prodotti con la produzione additiva possono raggiungere prestazioni paragonabili a quelle dei materiali trafilati, eliminando un ostacolo critico alla loro adozione. Ciò è essenziale: senza eguagliare le prestazioni dei materiali esistenti, anche le geometrie più innovative non riusciranno a ottenere l'accettazione industriale.

I materiali magnetici morbidi e duri rimangono più impegnativi. Gli acciai elettrici laminati convenzionali sono progettati specificamente per ridurre le perdite per correnti parassite, e replicare questo comportamento attraverso la produzione additiva è complesso. Sebbene la ricerca stia progredendo a livello globale, questo rimane un'area di sviluppo attiva piuttosto che un problema risolto.

Sfide legate all'adozione 

Nonostante le sue promesse, l'adozione della produzione additiva nelle macchine elettriche è stata relativamente lenta. Ciò non è dovuto alla resistenza all'innovazione, ma piuttosto alla realtà del processo decisionale industriale.

La produzione additiva richiede investimenti di capitale significativi, conoscenze specialistiche, nuove pratiche di salute e sicurezza e complesse fasi di post-elaborazione. Con relativamente pochi casi di successo commerciale su larga scala nel settore delle macchine elettriche, molti produttori rimangono cauti.

Un'ulteriore sfida risiede nel divario di competenze. La progettazione per la produzione additiva, in particolare per i componenti elettrici attivi, richiede competenze che spaziano dall'elettromagnetismo, alla scienza dei materiali, alla gestione termica e alla progettazione computazionale. È possibile esternalizzare la produzione a centri di stampa di terze parti, ma senza una comprensione interna, può essere difficile ottenere risultati costanti e ad alte prestazioni.

Collaborazione industriale

Le università svolgono un ruolo fondamentale nell'affrontare le sfide tecniche e di competenze associate alla produzione additiva. Oltre a sviluppare nuovi processi e materiali, hanno il compito di formare ingegneri in grado di operare in un paradigma di progettazione e produzione digitale.

La produzione additiva sta sostituendo sempre più gli approcci CAD tradizionali, basati sull'intervento umano, con metodi di progettazione computazionale e algoritmica. Ciò rappresenta un profondo cambiamento nel modo in cui gli ingegneri concepiscono, progettano e ottimizzano i componenti, e ci vorrà del tempo prima che l'industria e l'istruzione si allineino completamente.

Eventi di settore come il CWIEME di Berlino forniscono una piattaforma fondamentale per questo allineamento. Consentono a ricercatori, produttori e fornitori di scambiare conoscenze, identificare i colli di bottiglia ed esplorare come le tecnologie emergenti possano essere tradotte in applicazioni reali.

Guardando al futuro

Nei prossimi cinque-dieci anni, la produzione additiva diventerà probabilmente uno strumento standard per la produzione di componenti elettrici ad alte prestazioni, in particolare in settori quali l'aerospaziale, l'automobilistico di alta gamma e le applicazioni marine.

I sistemi AM di grande formato, la maggiore produttività e la maggiore ripetibilità dei processi amplieranno la gamma di componenti che possono essere prodotti. Gli avvolgimenti prodotti con la produzione additiva, in particolare, offrono il potenziale per significativi guadagni in termini di efficienza, prestazioni termiche e densità di potenza.

Tuttavia, è improbabile che la produzione additiva sostituisca completamente i processi convenzionali. Agirà invece come una tecnologia complementare che consentirà prestazioni estreme dove necessario, fornendo al contempo progetti più facilmente realizzabili che offrono gran parte dei vantaggi a costi inferiori.

In questo senso, la produzione additiva non è solo una soluzione di produzione. È una lente attraverso la quale la comunità degli ingegneri elettrici può reimmaginare ciò che le macchine elettriche sono in grado di fare e quanto possono avvicinarsi a soddisfare le esigenze di un futuro completamente elettrificato.

La produzione additiva sarà un'area di interesse al CWIEME Berlin, che si terrà alla Messe Berlin dal 19 al 21 maggio 2026. Per saperne di più e stare al passo con le tendenze, registrati oggi stesso per ottenere un biglietto visitatore.