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Più leggero, più rigido, più compatto: Porsche ha prodotto per la prima volta l'alloggiamento completo di un motore elettrico utilizzando la stampa 3D. Il motoriduttore realizzato con il processo di fusione laser additivo ha superato senza problemi tutti i test di qualità e carico. "Abbiamo così dimostrato che la produzione additiva, con tutti i suoi vantaggi, è adatta anche per componenti più grandi e sottoposti a forti sollecitazioni di un'auto sportiva elettrica", afferma Falk Heilfort, responsabile del progetto per lo sviluppo delle unità avanzate presso il Centro di sviluppo Porsche di Weissach. L'uso della trazione elettrica ottimizzata è concepibile, ad esempio, in un'auto supersportiva con piccole quantità.
Stampante 3D Porsche E-drive alloggiamento
Con il prototipo, gli ingegneri di pre-sviluppo hanno ottenuto diversi passaggi di sviluppo contemporaneamente. L'alloggiamento in metallo leggero prodotto in modo additivo pesa meno di un componente fuso in modo convenzionale e riduce il peso complessivo della trasmissione di circa il dieci percento. Grazie a strutture speciali che sono possibili solo con la stampa 3D, la rigidità nelle aree fortemente caricate è raddoppiata allo stesso tempo. Un altro vantaggio della produzione additiva: è possibile integrare numerose funzioni e componenti, il che riduce notevolmente lo sforzo di assemblaggio e presenta vantaggi diretti per la qualità dei componenti.
La stampa 3D apre nuove possibilità
La stampa 3D apre nuove possibilità nello sviluppo e nella produzione di componenti in piccole quantità. Porsche sta promuovendo intensamente l'uso della produzione additiva per ottimizzare i componenti altamente sollecitati. Alcuni mesi fa, nuovi tipi di pistoni stampati con un design innovativo hanno superato il loro test pratico sull'auto sportiva ad alte prestazioni 911 GT2 RS. Anche l'alloggiamento sviluppato per una trazione elettrica completa soddisfa elevati standard di qualità. L'ingranaggio bistadio a valle è integrato nella stessa carcassa del motore elettrico. Questo approccio altamente integrato è progettato per l'uso sull'asse anteriore di un'auto sportiva.
Azionamento elettrico con il potenziale della produzione additiva
"Il nostro obiettivo era costruire un motore elettrico con il potenziale della produzione additiva. Con l'obiettivo di integrare quante più funzioni e componenti possibili nell'alloggiamento della trasmissione, risparmiando peso e ottimizzando la struttura“, Afferma Falk Heilfort. Nessun altro processo di produzione offre così tante opzioni e un'implementazione così rapida come la stampa 3D. Senza passaggi intermedi come la produzione di strumenti, la stampante può essere alimentata con i dati di progetto direttamente dal computer. I componenti vengono quindi creati strato per strato da una lega di alluminio in polvere. Di conseguenza, sono possibili progetti come alloggiamenti con canali di raffreddamento integrati in quasi tutte le geometrie. Ogni strato è fuso in se stesso e con quello precedente. Esistono diverse tecnologie per questo. L'alloggiamento della trasmissione è stato creato utilizzando il cosiddetto processo di fusione del metallo laser (LMF) da polvere di metallo ad alta purezza. Un raggio laser riscalda la superficie della polvere in base al contorno del pezzo e la fonde.
Integrazione di cuscinetti, scambiatori di calore, alimentazione dell'olio
L'ottimizzazione dell'azionamento elettrico è iniziata con l'integrazione strutturale di cuscinetti, scambiatori di calore e alimentazione dell'olio. Questa è stata seguita dalla definizione calcolata dal computer dei carichi e delle interfacce e dalla conseguente determinazione dei percorsi di carico. Il passo successivo nella metodologia di sviluppo virtuale è stato quello di ottimizzare i percorsi di carico integrando le cosiddette strutture reticolari. Queste strutture "a graticcio" sono modellate sulla natura, come la struttura delle ossa o delle piante. "Siamo stati in grado di espandere e migliorare le nostre soluzioni software e la metodologia per la creazione di tali componenti e ora possiamo implementare i componenti virtualmente in brevissimo tempo", afferma Sebastian Wachter, specialista in metodologia di costruzione e ottimizzazione della topologia nel pre-sviluppo di unità. In relazione all'intelligenza artificiale, esistono approcci interessanti per il futuro in termini di ottimizzazione delle metodologie di sviluppo.
Tuttavia, l'ampia libertà creativa della stampa 3D è anche associata a requisiti di progettazione speciali. Gli ingegneri devono tenere presente che i pezzi in lavorazione vengono creati strato per strato attraverso la fusione. Se ciò si traduce in sporgenze maggiori nella geometria, potrebbe essere necessario pianificare elementi di supporto, ad esempio le nervature, ma non devono sporgere nei canali di trasporto dei supporti. È quindi importante tenere conto della direzione in cui l'alloggio verrà costruito durante la costruzione. Con la tecnologia della macchina attualmente disponibile, la stampa del primo prototipo di custodia ha richiesto diversi giorni. Inoltre, a causa delle dimensioni del componente, la stampa doveva essere eseguita in due processi di costruzione. Con l'ultima generazione di macchine, è possibile ridurre questo tempo del 90 percento e produrre l'intero alloggiamento in un unico processo di costruzione.
L'integrazione delle funzioni e l'ottimizzazione della topologia hanno consentito di ridurre il peso dei componenti dell'alloggiamento di circa il 40%. Ciò significa un risparmio di peso di circa il dieci percento per l'intera unità grazie alla costruzione leggera. Allo stesso tempo, la rigidità è stata notevolmente aumentata. Nonostante uno spessore della parete di soli 1,5 millimetri, la rigidità tra la macchina elettrica e la trasmissione è aumentata del 100 percento grazie alle strutture reticolari. La struttura a nido d'ape riduce le vibrazioni delle pareti sottili dell'alloggiamento e migliora notevolmente l'acustica dell'intero azionamento. Integrando i componenti, l'unità di azionamento è diventata più compatta, il pacchetto di azionamento è stato migliorato e il lavoro di installazione è stato ridotto di circa 40 fasi di lavoro. Ciò si traduce in un tempo di produzione inferiore di circa 20 minuti. Un ulteriore vantaggio: l'integrazione dello scambiatore di calore a ingranaggi con trasferimento di calore ottimizzato migliora il raffreddamento dell'intero azionamento. Questo è un requisito fondamentale per ulteriori aumenti delle prestazioni.
L'alloggiamento stampato in 3D mostra ancora una volta il potenziale che la produzione additiva ha per Porsche nell'area dell'innovazione di prodotto. Ulteriori potenzialità sorgono nelle aree di innovazione di processo - sviluppo agile e produzione flessibile - e in nuove aree di business come l'individualizzazione con nuove offerte per i clienti e nell'area della produzione di pezzi di ricambio. Questa tecnologia di produzione è tecnicamente ed economicamente interessante per Porsche, soprattutto per le serie speciali e piccole così come per il motorsport.
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Alloggiamento E-drive della stampante 3D di Porsche!
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