Contenitori di celle di tipo pouch realizzati da CRP Technology con procedimento di stampa 3D professionale e materiale Windform® FR2 per pacco batteria prototipale destinato a Energica Motor Company.
CRP Technology ha realizzato contenitori di celle” per test su pacchi batteria prototipali delle moto Energica sia da gara che da strada. I porta-celle sono prodotti con Sinterizzazione Laser Selettiva e il materiale composito Windform® FR2.
di Amedeo Torri
Primo costruttore di moto elettriche supersportive Made in Italy, Energica Motor Company S.p.A. è tra le società più attive da sempre nel mercato dei veicoli elettrici. Con la designazione a costruttore unico per la FIM Enel MotoE™ World Cup – la coppa del mondo dedicata a moto elettriche – lo sviluppo tecnologico di Energica ha avuto un’importante accelerazione, potendo contare su un elemento di competitività unico rappresentato dalla stessa MotoE. Energica è, infatti, l’unica azienda al mondo ad avere un banco di prova esclusivo per testare nuove soluzioni tecniche con i migliori piloti. Un supporto che si è rivelato senza precedenti per il dipartimento di Ricerca e Sviluppo di Energica, sia per l’esperienza racing sia per quella sulle moto di serie.
Essere tra i top player del mercato dei veicoli elettrici vuol dire avvalersi di partner tecnici in grado di produrre costantemente innovazione tecnologica e nuove soluzioni di alto livello in tempi molto ristretti: fin dalla sua fondazione, Energica si è avvalsa della collaborazione di CRP Technology , da oltre 25 anni specializzata nel campo della stampa 3D professionale con i materiali Windform®, nata dalla visione imprenditoriale della famiglia Cevolini.
Il caso applicativo seguente spiega come CRP Technology abbia assistito Energica nella ricerca e nello sviluppo di soluzioni porta-celle per test su pacchi batteria prototipali delle moto Energica, per modelli sia da gara che da strada.
A sinistra cassa batteria Energica Ego pronta per essere montata e, a destra, un dettaglio della cassa batteria in allestimento.
LA SFIDA
Le moto Energica si avvalgono di una batteria a polimeri di litio ad alta energia (Li-NMC) inserita in un guscio ermetico contenente le celle, il sistema di gestione batterie BMS (Battery Management System) e tutti i dispositivi necessari per garantire la sicurezza del veicolo. Inoltre, Energica è l’unica azienda al mondo ad aver progettato, brevettato e adottato sulle proprie moto un sistema di raffreddamento del guscio ermetico per ovviare al surriscaldamento delle batterie. Grazie a specifici percorsi di ventilazione, questa tecnologia consente di limitare lo stress delle batterie con notevole beneficio sia in termini di prestazioni del veicolo, sia della durata delle batterie stesse.
Il mantenimento degli altissimi standard tecnologici di Energica si basa sullo studio continuo compiuto dal reparto di Ricerca e Sviluppo sulle nuove celle che compaiono sul mercato, al fine di valutare il loro impiego nella produzione industriale. Il team di esperti di Energica parte dalla validazione della singola cella (screening iniziale) sino ad arrivare al test su strada del pacco batteria prototipale.
In questo caso specifico, lo studio è stato condotto su celle di tipo pouch – “a sacchetto” o “a busta” –: si tratta di batterie molto sottili che non dispongono di un contenitore rigido. Per poter svolgere in maniera efficace le analisi previste dal protocollo di Energica, il team di ingegneri ha deciso di dotare ogni singola cella pouch di un contenitore prismatico con la funzione di sostegno e rinforzo.
Al fine di testare anche su strada il pacco batteria prototipale, i porta-cella di ogni singola cella pouch dovevano essere realizzati in un materiale altamente performante, dalle ottime prestazioni meccaniche, e attraverso una tecnologia che incontrasse le richieste di Energica.
Screenshot di una singola cella di tipo pouch completa di porta-cella in Windform® FR2 e sistema di raffreddamento.
UNA SCELTA NATURALE
Dati i requisiti richiesti, Energica ha deciso di affidarsi a CRP Technology. Grazie al know-how maturato in tanti anni di attività a servizio dei settori industriali più competitivi ed esigenti, CRP Technology ha affiancato il team di ingegneri di Energica dalla prima fase di studio fino alla realizzazione dei porta-cella in stampa 3D professionale e con materiali Windform®. “Ci affidiamo a CRP Technology e al suo reparto di stampa 3D professionale perché hanno il materiale composito giusto per soddisfare ogni esigenza e, in particolare, per supportare un progetto complesso come quello delle moto elettriche Energica. Non mi riferisco a una motocicletta ordinaria, ma a una motocicletta elettrica ad alta tensione e potenza, dalle esigenze particolari. CRP Technology è il partner giusto per supportare i clienti nelle loro sfide quotidiane”, afferma Giampiero Testoni, Direttore Tecnico di Energica Motor Company.
Contenitori di celle di tipo pouch realizzati da CRP Technology in stampa 3D professionale e con materiale Windform® FR2 per test a banco e su strada di Energica Motor Company.
LA SOLUZIONE
Dopo un’attenta analisi delle esigenze di Energica e dei file 3D dell’applicazione, CRP Technology ha optato per la tecnologia della Sinterizzazione Laser Selettiva con il materiale Windform® FR2, il nuovo composito della famiglia Windform® TOP-LINE ritardante di fiamma e caricato fibra di vetro.
“Dovendo costruire prototipi funzionali di custodie per celle di tipo pouch da utilizzare nei vari test, comprese le prove su strada, fin da subito è parso necessario utilizzare un materiale con determinate caratteristiche, ovvero: materiale plastico, non conduttivo elettricamente, rigido, resistente in temperatura e flame retardant”, spiega l’Ingegner Franco Cevolini, Direttore Tecnico e VicePresidente di CRP Technology. Per questo, è stato scelto il Windform® FR2, in quanto si tratta dell’unico materiale in commercio che possiede tutte queste peculiarità.
“Entrando più nel dettaglio, la caratteristica flame retardant è molto importante, perché garantisce l’autoestinguenza nel caso in cui si verificassero anomalie di funzionamento che potrebbero sfociare in un picco di tensione temporaneo, con conseguente fusione localizzata seguita da un principio di combustione. Se dovesse verificarsi, ad esempio, un inizio di combustione in una porzione localizzata del contenitore della cella e questo polimero fosse flame retardant, allora la combustione verrebbe soffocata. In caso contrario, la combustione potrebbe degenerare in incendio. Utilizzare Windform® FR2 scongiura questa possibilità”, chiarisce Cevolini.
“Anche la rigidezza è molto importante: il materiale doveva presentare prestazioni meccaniche tali da garantire al pacco batteria prototipale una rigidezza d’insieme per supportare la variazione volumetrica che le celle subiscono nella fase di carica e scarica. Si tratta di una variazione che genera pressioni: il porta-cella doveva essere in grado di resistere”, aggiunge Cevolini.
Screenshot di una singola cella con porta-cella. Le frecce rosse indicano la direzione dell’aumento di volume.
UN CASO DI SUCCESSO
Dopo un attento studio di tecnologia e materiale con cui realizzare i pezzi e la convalida di Energica Motor Company, il reparto di stampa 3D di CRP Technology ha proceduto con la realizzazione e consegna, in tempi brevi, dei porta-cella. L’applicazione ha permesso, ancora una volta, di mettere in evidenza il perfetto connubio tra la tecnologia della Sinterizzazione Laser Selettiva con i materiali compositi Windform®.
Grazie al Windform® FR2, infatti, in brevissimo tempo, e con risultati eccellenti e altamente performanti sul piano delle proprietà meccaniche, elettriche e termiche, è stato possibile svolgere sul pacco batterie prototipale tutti i test e le analisi previste dal protocollo di Energica.
FOCUS: PROBLEMATICHE RISOLTE
Sono due le possibili problematiche delle celle di tipo pouch. Queste possono essere risolte grazie alla stampa 3D e all’utilizzo del materiale composito Windform® FR2.
La prima problematica è legata all’aumento di volume delle celle di tipo pouch: un argomento di estrema importanza, che non deve essere sottovalutato. Durante la fase di carica, all’interno del sacchetto delle celle pouch si forma del gas che ne fa aumentare il volume: le celle tendono così a “gonfiarsi”. “Per svolgere i test sul pacco batteria prototipale, caratterizzato da un certo numero di celle in sequenza – come mostrato nelle immagini sei e sette – ogni cella deve stare nella propria posizione e non si deve muovere. La stabilità deve essere garantita dal contenitore della cella. Le celle di tipo pouch devono essere compresse in una misura ben definita, in modo da permettere a ogni cella di ‘spanciare’. Il porta-cella riveste quindi un ruolo fondamentale: deve possedere una certa resistenza per contenere l’espansione della cella senza che queste si rompano”, spiega Giampiero Testoni, Direttore Tecnico di Energica.
Screenshot di una sequenza di celle con porta-cella.
Pacco batteria prototipale pronto per test.
Il team di ingegneri di Energica, coadiuvato da CRP Technology, ha verificato che il materiale Windform® FR2 e il processo di Sinterizzazione Laser Selettiva garantiscono un alto livello di precisione che consente alla cella di mantenere la posizione all’interno del pacco batteria. “Il contenitore della cella in Windform® FR2 lascia alla cella stessa quel grado di libertà per aumentare e/o diminuire di volume senza deformarsi, andare fuori posizione o interferire una con l’altra”, conclude Testoni.
La seconda problematica riguarda invece il calore da dissipare. L’aumento di volume delle celle a sacchetto genera del calore che deve essere dissipato. Come soluzione a tale problema, a ogni singola cella e porta-cella (unità ripetitiva) è stata fissata una piastra di metallo che presenta due strutture laterali. La funzione della piastra è quella di raffreddante: il calore viene trasferito alle strutture laterali e da qui dissipato all’esterno, grazie al sistema di raffreddamento del guscio ermetico brevettato da Energica.
Esploso di un porta-cella con cella e sistema di raffreddamento. Il calore viene trasferito alla piastra e portato sui lati esterni (frecce rosse) per la dissipazione (frecce blu).
Le ultime due immagini rappresentano la zona interessata maggiormente dall’incremento di calore. Questo spessore non deve subire deformazioni: un’eventuale perdita di precarico della vite potrebbe generare delle scintille con conseguente principio di incendio. Verifiche e test hanno dimostrato che il Windform® FR2 mantiene la rigidezza richiesta, e non si deforma con l’aumento di calore.
“Quando un polimero inizia a riscaldarsi perde le caratteristiche meccaniche e subisce deformazioni, ma non accade nel Windform® FR2, perché è un materiale caricato e mantiene la caratteristica di rigidezza. La temperatura di inflessione del sottocarico del Windform® FR2 è più alta di qualsiasi altro materiale non caricato con le stesse caratteristiche flame retardant”, spiega, infine, l’Ingegner Cevolini. ©TECNeLaB
Esploso di un porta-cella con cella e sistema di raffreddamento. In rosso la zona del porta-cella interessata maggiormente dall’incremento di calore, che deve rimanere rigida.
Dettaglio della zona del porta-cella interessata maggiormente dall’incremento di calore.
