Iniettori per veicoli a idrogeno, la svolta con l’additive manufacturing

Sfruttando l’additive manufacturing, un costruttore di veicoli sta valutando la conversione a idrogeno dei propri motori diesel. Fondamentale il contributo di Madeinadd, che ha risolto le sfide tecnologiche e assicurato al cliente importanti benefici in termini di tempi e costi.

L’utilizzo dell’idrogeno sta riscuotendo molto interesse da parte dei costruttori di veicoli, in particolare di quelli destinati al trasporto pesante. Dalla sua combustione, infatti, viene generato come sottoprodotto di scarto solo semplice acqua e l’impiego di questi mezzi diventerebbe così pienamente sostenibile. Riprogettare il motore di un mezzo diesel per adeguarlo alla nuova alimentazione è però tutt’altro che semplice. Per questo, affidarsi a società come Madeinadd può rivelarsi la scelta vincente per raggiungere i risultati voluti.

La sfida tecnologica

Il committente vanta una grande esperienza nello sviluppo di sistemi powertrain diesel tradizionali, ma la conversione all’idrogeno si è rivelata complessa. Molte le sfide da affrontare, a partire dalla necessità di ridurre i tempi di industrializzazione semplificando nel contempo i particolari realizzati - l’obiettivo era quello di intervenire sul sistema di iniezione - il tutto tenendo in considerazione i più spinti parametri di utilizzo dell’idrogeno stesso.

Per realizzare un sistema a iniezione diretta in camera di combustione basato sull’idrogeno si è reso perciò necessario intervenire anche sul sistema di aspirazione dell’aria, integrando entrambe le funzioni in un unico componente. 

I tecnici di Madeinadd hanno analizzato le condizioni di utilizzo fornite dal cliente al fine di modellare una geometria in grado di rispondere alle nuove specifiche. L’integrazione di più funzioni ha richiesto un attento studio al fine di evitare l’incremento di pesi e volumi dei pezzi che, altrimenti, avrebbero vanificato i benefici portati dalla combustione dell’idrogeno. Si è deciso dunque di partire da un prototipo monocilindrico, una sorta di simulacro utile per valutare il comportamento in termini di combustione garantito dalle nuove geometrie sviluppate.

Riprogettare da zero per ottenere i migliori risultati

L’idrogeno è un gas complesso da gestire: nei motori a combustione interna viene utilizzato a pressioni decisamente più alte rispetto a quanto necessario con la sola aria8 bar contro circa 4), mentre la peculiare tendenza delle sue molecole a insinuarsi nella struttura cristallina dei materiali rende critico il livello di porosità dei manufatti.

Una volta stabiliti vincoli e richieste tecniche, i progettisti di Madeinadd hanno integrato le diverse funzioni all’interno di un unico componente; inoltre, hanno stabilito alcuni test di validazione delle funzionalità, in particolare di tenuta in pressione, per verificare che l’idrogeno non filtrasse attraverso il componente o nei punti di accoppiamento con altre parti del motore.

L’integrazione del condotto e del sistema di iniezione ha permesso di ridurre gli assemblaggi ed eliminare le problematiche derivanti dai successivi processi (come la saldatura), con evidenti benefici economici, di affidabilità e di riduzione delle tempistiche.

Il materiale scelto, alluminio da colata AlSi10Mg, è lo stesso utilizzato per la produzione dei componenti per i motori diesel: si tratta di una lega metallica molto diffusa e idonea alla lavorazione tramite DMLS (Direct Metal Laser Sintering), la tecnologia identificata da Madeinadd come più adatta per questa applicazione.

Risultati superiori alle aspettative

Il componente progettato e realizzato da Madeinadd attraverso la propria rete di partner certificati è stato successivamente sottoposto alle verifiche tecniche concordate: l’esito positivo è andato ad arricchire la documentazione di progetto, messa poi a disposizione del cliente. Ottimi i risultati ottenuti anche a banco, dove sia il singolo componente, sia il motore di test hanno superato le prestazioni attese.

Interessante notare come il livello di porosità raggiunto soddisfi abbondantemente le richieste del committente: a fronte di un valore tipico ottenibile con la colata in sabbia che si attesta tra il 7 e il 10%, la sinterizzazione laser ha permesso di raggiungere un valore pari a 0,3%, contribuendo così in maniera determinante al superamento dei test di validazione.

L’intero percorso, dall’avvio del progetto alle prime prove, ha richiesto poco meno di 6 settimane: un dato significativo se si pensa che, con tecnologie tradizionali, sarebbero state necessarie tra le 12 e le 14 settimane. Inoltre, la quasi totale assenza di vincoli geometrici da rispettare ha consentito di costruire un particolare pensato espressamente per svolgere al meglio il proprio scopo. Con l’approccio tradizionale, in genere il collettore di aspirazione viene realizzato tramite colata in sabbia, mentre iniettore e diffusore sono costituiti da un semplice lamierino piegato e tranciato. Naturalmente il particolare realizzato in additive manufacturing, proprio come avviene con i componenti realizzati in fonderia, ha richiesto alcune lavorazioni di ripresa su macchine a controllo numerico, per raggiungere il livello di accuratezza e rugosità superficiali imposti dal progetto nei punti di accoppiamento tra le flange e nella sede di installazione dell’iniettore. 

Approccio vincente con l’additive manufacturing

L’utilizzo delle strategie consentite dall’additive manufacturing ha permesso di tagliare del 10% i costi di sviluppo del particolare e del 30% i tempi. L’integrazione di più funzioni in un solo componente ha inoltre evitato di dover assemblare più parti, con ulteriori benefici lungo la catena produttiva.

Alla luce di questi vantaggi, il cliente ha deciso di proseguire con il medesimo approccio anche nello sviluppo del componente finale per il motore a 4 cilindri, costituito da un condotto di aspirazione con quattro canali di iniezione idrogeno e common rail integrato, con un target produttivo che inizialmente sarà di alcune centinaia di pezzi all’anno.

Una volta percorsa la strada dell’additive manufacturing, il precedente approccio progettuale e produttivo basato sulle tecnologie sottrattive ha evidenziato molti suoi limiti. Potendo contare sul supporto di un partner come Madeinadd si ottiene così una netta riduzione in termini di costi e di time to market, aprendo nel contempo nuove prospettive di sviluppo per il futuro.

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