Cassa batteria in alluminio mediante fusione e CNC per moto elettriche Energica

Cassa batteria in alluminio mediante fusione e CNC per moto elettriche Energica
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La cassa batteria delle moto Energica: il componente tecnico realizzato grazie alle tecnologie del Gruppo CRP

La cassa batteria è il cuore pulsante delle moto Energica, il componente tecnico che contiene nella loro interezza le batterie ricaricabili, sigillandole al proprio interno.
La cassa batteria è un guscio ermetico contenente le celle, il Sistema di Gestione Batterie BMS (Battery Management System) e quei dispositivi necessari per garantire la sicurezza del veicolo. Questa soluzione consente di mantenere isolati tutti i componenti ad alta tensione, rendendo di fatto improbabile esporsi a qualsiasi rischio accidentale.

Solitamente le batterie contenute in questo componente producono calore in base all’utilizzo, che si dissipa in minima parte.
Nelle moto Energica il calore si sviluppa soprattutto nel momento in cui si richiede alle moto molta potenza (in accelerazione, e quindi in movimento) e quando vengono ricaricate rapidamente (Fast Charge), in misura minore.
La cassa batteria Energica è stata studiata proprio per evitare il surriscaldamento delle batterie nella fase di scarica.
Lo staff di Energica ha messo a punto uno schema di raffreddamento ad aria non forzata, coperto da brevetto, che utilizza l’aria che colpisce la moto mentre è in movimento: il contenitore della cassa batteria comprende una piastra di raffreddamento in alluminio (detta “setto centrale”) che serve a convogliare l’aria in entrata e ad agevolare la dissipazione del calore.
Questa piastra è provvista di una pluralità di fori passanti che comunicano con l’esterno e che la attraversano longitudinalmente.

I due semi-gusci che compongono la cassa e il setto centrale di raffreddamento sono un esempio eccellente della meccanica avanzata che CRP Meccanica, azienda del Gruppo CRP leader mondiale nel campo della lavorazioni meccaniche CNC di precisione, ha sviluppato grazie all’esperienza maturata in oltre 45 anni nell’ambito del motosport, F1 ed altri settori che richiedono una tecnologia allo stato dell’arte.

Cassa batteria in allestimento

Cassa batteria in allestimento

Qui di seguito viene descritto il processo che ha portato alla realizzazione della cassa batteria della moto Energica Ego.
Lo staff di Energica si è avvalso della collaborazione di due aziende del Gruppo CRP: CRP Technology, da oltre 20 anni leader nel campo della stampa 3D professionale –la Sinterizzazione Laser Selettiva- con la famiglia dei materiali compositi Windform®, e la succitata CRP Meccanica.

Energica e CRP hanno lavorato congiuntamente alla riprogettazione del componente.
La riprogettazione è stata necessaria per far fronte a due specifiche esigenze: il raffreddamento delle celle e il contenimento degli spazi.

Prima fase prototipale: realizzazione di un prototipo funzionale in stampa 3D professionale

Realizzato il file 3D del progetto, Energica si è affidata all’esperienza di CRP Technology, che da questo ha creato un prototipo funzionale utilizzando la tecnologia della sinterizzazione laser selettiva.
La scelta del materiale è caduta sul Windform® LX 2.0, materiale composito a base poliammidica caricato con fibre di vetro sostituito ora dalla sua evoluzione tecnica, il Windform® LX 3.0.
Il prototipo è stato costruito in uno dei sistemi large frame disponibili in CRP Technology, le cui dimensioni massime di lavoro sono 550X x 550Y x 450Z mm.
Si tratta di una particolarità degna di nota: è difficile trovare service in grado di garantire la realizzazione di pezzi di tali dimensioni.

Prototipo funzionale in stampa 3D professionale e Windform LX 2.0

Prototipo funzionale in stampa 3D professionale e Windform LX 2.0

Dettaglio della piastra di raffreddamento inserita tra i due semi-gusci realizzata in stampa 3D

Dettaglio della piastra di raffreddamento inserita tra i due semi-gusci realizzata in stampa 3D

Grazie alle caratteristiche meccaniche del materiale (resistenza e non conduttività elettrica) e alle peculiarità della tecnologia SLS, che unite hanno permesso la realizzazione di un’applicazione funzionale altamente performante, lo staff di Energica ha potuto eseguire direttamente sul prototipo in Windform® diverse attività di studio e test, accelerando i tempi della fase di ricerca e sviluppo.

Dettaglio di un intervento manuale sul prototipo in stampa 3D con modifiche per gli ingombri

Dettaglio di un intervento manuale sul prototipo in stampa 3D con modifiche per gli ingombri

Nel componente in fusione la zona è stata rimodellata e adattata

Nel componente in fusione la zona è stata rimodellata e adattata

Seconda fase prototipale: realizzazione del componente mediante fusione in alluminio

La cassa batteria di Energica è formata da due gusci di contenimento che, nella fase successiva a quella della loro creazione in stampa 3D e materiale Windform®, sono stati realizzati in alluminio mediante fusione, con seguenti riprese meccaniche CNC effettuate da CRP Meccanica e assemblaggio sul componente finito.
In questa fase il Gruppo CRP ha messo a punto un metodo di lavoro che è stato poi applicato all’intero sistema industriale.

Cassa batteria realizzata in alluminio mediante fusione

Cassa batteria realizzata in alluminio mediante fusione

CRP ha lavorato a stretto contato con la fonderia scelta da Energica per la realizzazione dei prototipi mediante fusione: “Abbiamo suggerito al fornitore – sottolineano dallo staff tecnico di CRP – la tecnologia da utilizzare in questa specifica fase prototipale, ovvero la fusione in sabbia e resina sinterizzata, nota anche come Rapid Casting, altro esempio di produzione additiva.
Ma non solo: abbiamo utilizzato dei programmi di simulazione di processo che ci hanno permesso di studiare a livello teorico il comportamento della fusione, consentendoci di prevenire le problematiche che sarebbero potute insorgere, limitandole in un range di facile gestione.
Il guscio di contenimento è una delle strutture più difficili da fondere perché tende a distorcersi e a complicare le successive lavorazioni meccaniche.
Abbiamo modificato le geometrie del componente e messo a punto una forma che risultasse stabile e ferma nella posizione durante la lavorazione.
Il processo da noi perfezionato è stato trasmesso alla fonderia, che così ha potuto realizzare il pezzo senza incorrere in sgradevoli sorprese”.

Prototipo funzionale in stampa 3D professionale e Windform LX 2.0 - dettaglio di un intervento per mettere a punto le lavorazioni meccaniche

Prototipo funzionale in stampa 3D professionale e Windform® LX 2.0 – dettaglio di un intervento per mettere a punto le lavorazioni meccaniche

Cassa batteria in alluminio mediante fusione - dettaglio delle lavorazioni meccaniche

Cassa batteria in alluminio mediante fusione – dettaglio delle lavorazioni meccaniche

Nessun altro fornitore è riuscito in quello che ha fatto CRP – raccontano da Energica -. Abbiamo chiesto allo staff di CRP l’impossibile e… loro l’hanno reso possibile, rispettando requisiti di precisione particolarmente elevati. Lo staff di CRP ha ottenuto quote con tolleranze molto strette, perfettamente in linea con le nostre richieste ed esigenze”.

Terza fase: produzione industriale del componente mediante fusione in sabbia

Nella terza fase, quella di produzione, il componente è stato realizzato mediante fusione tradizionale in sabbia, utilizzando la stessa lega impiegata nella seconda fase e traendo il massimo profitto dall’esperienza precedente.

Si tratta di una scelta oculata e precisa – spiegano da CRP – in quanto abbiamo utilizzato la fase 2 non solo per creare il prototipo funzionale, ma anche per mettere a punto i parametri di processo da impiegare nell’ultima fase. Questo ci ha permesso di approcciarci alla all’ultima fase in totale sicurezza; infatti non abbiamo riscontrato alcuna problematica o imprevisto durante la produzione della cassa batteria”.
Per questo motivo, la fase prototipale 2 è da considerarsi molto importante.

La cassa batteria in fusione pronta per essere montata su Energica

La cassa batteria in fusione pronta per essere montata su Energica

Dettaglio della cassa batteria in allestimento

Dettaglio della cassa batteria in allestimento

Da notare la scelta sui generis di racchiudere le celle della batteria all’interno di un guscio metallico realizzato mediante fusione.
Dalle esperienze in ambito racing elettrico e dai pochi esempi di moto elettriche attualmente sul mercato, CRP ha notato che la cassa batteria spesso viene realizzata in materiale composito, ma questo genera diverse problematiche:

  • a livello di sicurezza in termini di conducibilità elettrica: il composito, se rinforzato fibra carbonio, tende ad essere leggermente conduttivo ed essendoci all’interno una componentistica elettrica di alto voltaggio, può essere pericoloso
  • a livello di sicurezza stradale: in caso di caduta il composito, se non è strutturale, non garantisce una protezione adeguata. Lo staff di Energica, supportato da CRP, ha dimensionato il guscio della cassa batteria in lega di alluminio in maniera tale da poter far fronte a problematiche derivanti da eventuali scivolate e cadute della moto durante l’utilizzo, garantendo la massima sicurezza per il pilota ed il personale di soccorso

I fenomeni EMI e le prove EMC

Tutti i veicoli (elettrici e non) devono essere sottoposti a prove di immunità ai campi elettromagnetici.
In tutte le moto Energica, il Sistema di Gestione delle batterie (BMS) è racchiuso nel guscio della cassa batteria, che è un contenitore ermetico di metallo: il componente risulta così protetto dalle radiazioni elettromagnetiche.
Optando per realizzare la cassa batteria in fusione in sabbia e metallo, Energica ha superato brillantemente e senza problemi tutti i test di immunità ai cambi elettromagnetici.
Per le casse batteria in materiali compositi, invece, bisogna prevedere un’operazione preliminare di schermatura, con conseguente aumento dei prezzi e dilatazione dei tempi.