In settori quali l'aviazione elettrica, l'automotive ad alte prestazioni e la nautica, agli ingegneri viene richiesto di realizzare macchine che non solo siano più efficienti, ma anche notevolmente più leggere e potenti. Per soddisfare queste esigenze saranno necessarie densità di potenza ben superiori a quelle attualmente considerate all'avanguardia. Nick Simpson, professore di macchine elettriche all'Università di Bristol, partner formativo di CWIEME Berlin, spiega perché raggiungere questo obiettivo significherà portare la densità di potenza oltre i livelli attuali.
 

Secondo le roadmap tecnologiche britanniche elaborate dall’Advanced Propulsion Centre e dall’Aerospace Technology Institute, entro il 2035 i motori elettrici dovranno raggiungere densità di potenza comprese tra 9 e 25 kW/kg. Ciò rappresenta un aumento fino a cinque volte superiore rispetto a quanto attualmente disponibile. I miglioramenti incrementali da soli non basteranno a consentire al settore di raggiungere tale obiettivo. È necessario un approccio più radicale.

Ripensare la densità di potenza 

La densità di potenza in rapporto alla massa è il rapporto tra la potenza che una macchina è in grado di produrre e la sua stessa 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, quali alloggiamenti ed elementi strutturali, sia da componenti attivi, tra cui avvolgimenti, acciai elettrici e magneti permanenti. Sul versante passivo, l'AM consente una leggerazza avanzata utilizzando strutture a reticolo e giroidali. Queste consentono di rimuovere il materiale dove non è meccanicamente necessario, mantenendo la rigidità e riducendo significativamente la massa.

Allo stesso tempo, l'AM permette 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, vengono solitamente realizzati avvolgendo conduttori circolari 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 qualsiasi geometria. I singoli conduttori possono essere modellati e posizionati per 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 utilizzando le tecniche di produzione tradizionali. Anziché costringere i progetti ad adattarsi al processo, la produzione additiva permette al processo di seguire il progetto.

Dalla prototipazione alla produzione

La produzione additiva viene spesso considerata principalmente come uno strumento di prototipazione, e il suo valore in questo ruolo è innegabile. Poiché la produzione additiva è un processo interamente digitale, i costi di attrezzaggio vengono drasticamente ridotti. I progetti possono essere modificati 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 per l'uso 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 del tutto i vincoli di produzione e partire da un foglio di progettazione vuoto.

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

Una svolta nel campo dei 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 i loro 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 rendevano difficile la lavorazione con le tradizionali tecniche di fusione laser a letto di polvere. Negli ultimi anni, tuttavia, progressi quali laser a maggiore potenza, 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 all'adozione. Questo 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, questa rimane un'area di sviluppo attiva piuttosto che un problema risolto.

Le difficoltà legate all'adozione 

Nonostante le sue potenzialità, l'adozione della produzione additiva nel settore delle macchine elettriche è stata relativamente lenta. Ciò non è dovuto a una resistenza all'innovazione, ma piuttosto alla realtà dei processi decisionali industriali.

La produzione additiva richiede ingenti investimenti di capitale, conoscenze specialistiche, nuove pratiche in materia di salute e sicurezza e complesse fasi di post-elaborazione. A causa del numero relativamente esiguo di casi di successo commerciale su larga scala nel settore delle macchine elettriche, molti produttori mantengono un atteggiamento cauto.

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, dalla gestione termica 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 nel settore

Le università svolgono un ruolo fondamentale nell’affrontare le sfide sia tecniche che di competenze legate 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 progressivamente sostituendo i tradizionali approcci CAD 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 il mondo dell'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 scambiarsi conoscenze, identificare i colli di bottiglia ed esplorare come le tecnologie emergenti possano essere tradotte in applicazioni concrete.

Guardando al futuro

Nei prossimi cinque-dieci anni, la produzione additiva è destinata a diventare uno strumento standard per la realizzazione di componenti per macchine elettriche ad alte prestazioni, in particolare in settori quali l’aerospaziale, l’automotive di alta gamma e le applicazioni navali.

I sistemi di produzione additiva di grande formato, una maggiore produttività e una migliore ripetibilità dei processi amplieranno la gamma di componenti realizzabili. Gli avvolgimenti prodotti con la produzione additiva, in particolare, offrono il potenziale per significativi miglioramenti 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 in grado di garantire prestazioni estreme dove richiesto, fornendo al contempo spunti per progetti più facilmente realizzabili che offrono gran parte dei vantaggi a un costo inferiore.

In questo senso, la produzione additiva non è solo una soluzione di produzione. È una lente attraverso la quale la comunità dell'ingegneria elettrica può reimmaginare ciò di cui sono capaci le macchine elettriche e quanto possano 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 da visitatore.