Dissipatori di calore FSW realizzati con pressofusione per la mobilità elettrica
Considerazioni tecniche e strategiche per decidere se investire in una macchina FSW.
La saldatura Friction Stir Welding (FSW) dei dissipatori di calore pressofusi offre un grande vantaggio all’industria automobilistica. Sono sempre più numerose le aziende che ogni giorno puntano su questa tecnologia, e hanno molte ragioni per farlo. In questo articolo esamineremo più da vicino gli aspetti tecnici e commerciali della saldatura Friction Stir Welding nel caso specifico dei dissipatori di calore pressofusi per l’industria automobilistica. Dal punto di vista tecnico, parleremo dei requisiti di progettazione per una buona saldatura FSW del componente, della progettazione della maschera di serraggio, dei parametri e del controllo qualità. Successivamente, dal punto di vista del mercato e della strategia, approfondiremo il mercato dei dissipatori di calore ad acqua realizzati con FSW e l’importanza delle dimensioni del lotto nel calcolo e nell’ottimizzazione dei costi di produzione dei dissipatori di calore ad acqua realizzati con FSW. Ma prima, parliamo dei dissipatori di calore:
Ottimizzazione della gestione termica: il ruolo della FSW nei dissipatori di calore per la mobilità elettrica
Un dissipatore di calore è un componente utilizzato per abbassare la temperatura dei dispositivi elettronici. Al suo interno è presente un canale di flusso o un alloggiamento attraverso il quale circola acqua fredda. I componenti elettronici da raffreddare vengono posizionati nella sua parte posteriore. Questo funzionamento si basa sulla legge zero della termodinamica, che prevede il trasferimento del calore dalla parte calda dei componenti elettronici all’acqua, dove viene dissipato. Questo processo è favorito dalla circolazione dell’acqua fredda, che consente una più rapida eliminazione del calore in eccesso.
Parte anteriore del dissipatore di calore, dove si possono vedere l’alloggiamento e il relativo canale di circolazione dell’acqua.
Parte posteriore del dissipatore di calore, dove verranno posizionati i componenti elettronici.
L’alloggiamento deve essere perfettamente sigillato. Sul canale viene posizionata una copertura, che viene saldata al dissipatore di calore mediante FSW. In precedenza, questa operazione veniva eseguita tramite avvitamento o sigillatura, ma è più economico ricorrere alla saldatura Friction Stir Welding. Questo, unito alla sua elevata resistenza e alla perfetta tenuta, rende i dissipatori di calore pressofusi saldati con FSW un grande vantaggio competitivo per qualsiasi azienda.
Parlando in particolare del settore della mobilità elettrica
Nel settore della mobilità elettrica, i dissipatori di calore consentono alle apparecchiature elettroniche delle auto elettriche di funzionare correttamente, garantendo temperature stabili dei componenti ad alta densità (indipendentemente dalle condizioni ambientali). Ciò è possibile grazie al controllo elettronico della temperatura del carico termico.
In particolare, i dissipatori di calore in alluminio pressofuso sono progettati specificatamente per garantire prestazioni ottimali nel settore della mobilità elettrica, grazie alla loro capacità di dissipare il calore dai componenti dei dispositivi elettronici. Inoltre, il loro design richiede una lavorazione meccanica minore rispetto ad altri tipi di dissipatori, come quelli estrusi o lavorati, poiché i fori di montaggio, gli elementi di fissaggio e le alette di raffreddamento possono essere realizzati contemporaneamente.
Noi di Stirweld siamo consapevoli dell’importanza dei dissipatori di calore raffreddati ad acqua saldati con la tecnica FSW per l’industria automobilistica e, di conseguenza, della loro corretta produzione. Riteniamo che una progettazione corretta del pezzo, il suo serraggio e il controllo di qualità siano essenziali.
Dissipatori di calore FSW realizzati mediante pressofusione per l’industria automobilistica: progettazione del componente
La progettazione del dissipatore di calore pressofuso può essere inizialmente condotta in collaborazione tra l’azienda cliente e i nostri esperti di FSW. In questo lavoro collaborativo, il cliente fornisce i calcoli meccanici e Stirweld si occupa della resistenza del materiale. Siamo quindi in grado di fornire raccomandazioni (tenendo sempre conto delle specifiche del cliente):
Durante l’esecuzione del processo di saldatura Friction Stir Welding (FSW) per chiudere il canale di flusso in cui circola l’acqua fredda, l’utensile FSW esercita una pressione sulla lamiera e sul coperchio. Per questo motivo, al fine di evitare qualsiasi tipo di difetto, è fondamentale che lo spessore del coperchio sia progettato in modo ottimale, così come la penetrazione della saldatura.
Inoltre, è possibile apportare diverse modifiche al design. Ecco due esempi che vengono solitamente implementati:
Superficie di contatto superiore: percorso della spalla dell’utensile
È fondamentale che l’intera spalla dell’utensile FSW sia a contatto diretto con il pezzo per garantire una saldatura corretta. Pertanto, la corretta definizione della distanza tra la saldatura e il bordo del pezzo è molto importante per garantire che l’intero diametro della spalla dell’utensile sia a perfetto contatto con il pezzo.
Entra sotto la copertura
Per garantire che la saldatura FSW possa essere eseguita correttamente e che non si verifichino perdite, è necessario che sotto il coperchio sia presente un gradino che ne consenta il posizionamento perfetto. La progettazione delle dimensioni di questo gradino riveste quindi un’importanza cruciale.
È inoltre importante tenere conto dei punti di inizio e fine della saldatura FSW. Ciò è fondamentale poiché l’utensile FSW lascia un foro quando si arresta. Per evitare che questo foro diventi un problema di tenuta, viene creata una zona specifica per l’inizio e la fine della saldatura FSW. Possiamo vedere un esempio nelle immagini seguenti:
Saldatura di dissipatori di calore per pressofusione mediante saldatura Friction Stir Welding: progettazione della maschera
Non è possibile eseguire correttamente la saldatura FSW di un dissipatore di calore pressofuso per l’industria automobilistica senza aver prima progettato un sistema di serraggio adeguato. A tal fine, occorre tenere in considerazione due aspetti:
Forza verticale
Per assorbire la forza verticale, viene utilizzato un supporto di rinforzo posto sotto l’alloggiamento. Il supporto è un componente creato appositamente come base, in cui viene inserito il dissipatore di calore. Di conseguenza, deve avere la stessa forma e le stesse dimensioni dell’alloggiamento utilizzato per far circolare l’acqua nel dissipatore di calore, il che significa che sarà diverso per ogni tipo di dissipatore da saldare.
La funzione della maschera di serraggio è quella di sostenere la forza esercitata durante la saldatura dei dissipatori di calore FSW pressofusi mediante saldatura Friction Stir Welding (carico FSW verticale di 5-6 kN), impedendo la deformazione dei pezzi.
Movimenti laterali
Per impedire che il dissipatore di calore pressofuso si sposti lateralmente, cosa che comprometterebbe irrimediabilmente la saldatura, utilizziamo un dispositivo che lo mantiene saldamente in posizione.
Se osserviamo l’immagine qui sopra, possiamo notare che alcune frecce gialle indicano il bloccaggio in XY per evitare lo spostamento del pezzo. Inoltre, le frecce arancioni indicano il bloccaggio in Z per evitare il sollevamento del pezzo, in altre parole, per garantire che il coperchio del dissipatore di calore non si sposti durante lo svolgimento del processo FSW.
Si tratta di una maschera automatica che consente di sollevare progressivamente i pistoni quando si deve eseguire la saldatura FSW nell’area corrispondente.
Dissipatori di calore realizzati con pressofusione FSW per l’industria automobilistica: parametri e controllo qualità
Oltre alla dima di saldatura, occorre tenere in considerazione altri 4parametri principali per eseguire la saldatura Friction Stir Welding su dissipatori di calore pressofusi destinati all’industria automobilistica:
Al fine di garantire che tutti questi parametri siano corretti e che, di conseguenza, la saldatura risulti priva di difetti, vengono eseguite diverse prove, selezionate in base alle specifiche del cliente e alla norma ISO 25239. Esistono 2 tipi di prove:
Ma prima di tutto, sai quali tipi di difetti FSW si possono riscontrare?
Esistono due tipi di difetti: le imperfezioni superficiali e i difetti interni. Nelle tabelle seguenti sono riportati i diversi tipi di difetti rientranti in queste categorie, nonché il tipo di prova che viene eseguita per verificare la loro presenza.
È fondamentale eseguire questi test tutte le volte che è necessario per garantire che le saldature realizzate sui dissipatori di calore ad acqua destinati all’industria automobilistica siano di qualità impeccabile.
Inoltre, tutti i parametri utilizzati per la saldatura (FSW) dei dissipatori di calore pressofusi destinati all’industria automobilistica saranno raccolti in un documento denominato ” Welding Procedure Specification – WPS” (Specifiche di procedura di saldatura).
Il presente documento contiene parametri quali lo spessore del materiale di base, l’identificativo dell’utensile FSW, la configurazione di serraggio o il tipo di saldatura che verrà eseguita (a testa/a sovrapposizione).
Il presente documento garantisce che tutti i parametri di saldatura FSW siano stati progettati appositamente e che non si verifichino problemi di qualità durante la saldatura FSW di dissipatori di calore pressofusi destinati all’industria automobilistica.
Mercato dei dissipatori di calore ad acqua FSW
Innanzitutto, occorre menzionare la normativa europea sulle emissioni di CO2. Secondo tale normativa, le emissioni di CO2 in Europa dovrebbero essere limitate a 95 g/km nel 2021, a 81 g/km nel 2025 e a 59 g/km nel 2030.
Vediamo ancora più chiaramente nel grafico seguente cosa succederà:
Non c’è dubbio che questa normativa europea stia avendo un forte impatto sul settore della mobilità elettrica, un fenomeno che continueremo a osservare con ancora maggiore intensità in futuro. Un chiaro esempio è rappresentato dalla differenza tra la produzione di veicoli ibridi ed elettrici registrata nel 2018 e quella prevista per entrambe le tipologie di veicoli nel 2030. Nel caso dei veicoli ibridi, la quota passerà dal 6% del 2018 al 55% nel 2030, una crescita esponenziale. Assisteremo a questa crescita anche per quanto riguarda i veicoli elettrici, la cui quota di mercato passerà dall’1% del 2018 al 22% nel 2030.
Il vantaggio principale dei veicoli ibridi ed elettrici è il loro minore impatto ambientale e, sebbene in passato si ritenesse che le loro prestazioni fossero inferiori, la tendenza attuale è quella di migliorare la velocità e l’autonomia dei veicoli elettrici. A ciò si aggiungono la richiesta di velocità di ricarica più elevate, l’aumento della densità di potenza (maggiore presenza di componenti elettronici) e l’ambizione di rendere i veicoli elettrici accessibili al grande pubblico.
Naturalmente, i maggiori gruppi automobilistici europei stanno puntando su questo tipo di veicoli, creando una flotta di veicoli elettrici e ibridi nel continente. Stiamo parlando di gruppi quali:
A questo proposito, si prevede che entro la fine del 2022 le case automobilistiche lanceranno sul mercato 17 nuovi modelli. Seguendo questa tendenza, si stima che entro il 2023 l’offerta di veicoli elettrici e ibridi dei costruttori europei raggiungerà circa 150 modelli sul mercato. Si prevede che questa tendenza continui, fino a raggiungere i 33 milioni di veicoli elettrici e ibridi venduti in Europa entro il 2040.
Di pari passo con questo aumento del numero di veicoli a mobilità elettrica, assisteremo a un incremento del numero di componenti FSW per piattaforma, che passerà da 1 nel 2020 a 3 nel 2030. Ciò significa che la saldatura per attrito con agitazione (FSW) dei dissipatori di calore pressofusi sarà sempre più richiesta.
Costo del dissipatore di calore ad acqua FSW
La dimensione del lotto dei componenti per la mobilità elettrica è fondamentale per scegliere l’attrezzatura FSW più adatta alla vostra azienda. Nella maggior parte dei casi, gli OEM del settore automobilistico richiedono offerte per quantità fino a 600.000 pezzi. Tuttavia, quando viene finalmente reso noto il volume effettivo del lotto annuale da produrre, è frequente che questo non sia così grande come previsto. La nostra analisi indica che è opportuno prevedere volumi di produzione compresi tra circa 35.000 e 50.000 componenti per i primi due anni di produzione di componenti pressofusi destinati al settore automobilistico.
Alla luce di questa esperienza, sembra che il costo di una macchina a portale dedicata abbia un impatto significativo sul prezzo unitario dei pezzi. Un buon modo per aggiudicarsi le richieste di preventivo è quello di offrire il costo di processo FSW più basso.
Stirweld ha risolto questo problema proponendo l’installazione della testa FSW sulle macchine CNC. Quando la macchina non esegue la saldatura Friction Stir Welding, può essere utilizzata per operazioni di fresatura (sono necessari 10 minuti per montare o smontare la testa FSW). Inoltre, una nuova testa FSW può essere consegnata in due settimane, il che garantisce un’elevata flessibilità produttiva, sia in caso di aumento che di diminuzione dei volumi.
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