Additive manufacturing e scambiatori di calore : sviluppo di un radiatore per motociclo in lega di alluminio via selective laser melting

Heat exchangers are important devices used in many fields of industry. They play a fundamental role in determining thermal and energetic efficiency of industrial processes and products. Motorcycles and other kind of vehicles use compact heat exchangers to control the engine temperature. This category of heat exchangers uses air as the coolant fluid. This makes their design complicated to realize with conventional manufacturing methods, limiting design freedom as well as exchanging performance. Additive manufacturing technologies, in particular Selective Laser Melting (SLM) can open new possibilities for this kind of components. Following a design for manufacturing approach, designers can reach higher aesthetic results, improving also the functionality of those devices. This, on the other and, must always take into account the economical sustainability of the product itself. The present work investigates the use of SLM technology to produce an innovative compact motorcycle heat exchanger. The investigation explores the potential of this technology to develop new forms to fulfil the desired function. The present work concentrates mainly on the technological feasibility, exploring the process ability to realize thin geometries, in a range of thickness between 100 and 500µm. Moreover, the investigation focus on the capability to produce small internal channels with a complex path, trying to solve the powder removal problem. The work follows an experimental approach. The first part of the investigation was conducted on 18Ni300 Maraging steel, while the final experimentation was conducted on the aluminum alloy AlSi10Mg selected for the application. In the last part of the work, two prototypes of heat exchanger were produced and tested with a transient test to determine the heat exchanging performance.

Gli scambiatori di calore sono dispositivi utilizzati in diversi ambiti e giocano un ruolo fondamentale nel determinare l’efficienza energetica dei prodotti e dei processi industriali. I motocicli, come anche altre tipologie di veicolo, utilizzano scambiatori di calore di tipo compatto per regolare e controllare la temperatura del motore. Questa particolare categoria di scambiatori sfrutta l’aria quale fluido di raffreddamento. Ciò rende complicato il loro disegno e i limiti imposti dalle tecnologie convenzionali non consentono di realizzare una progettazione realmente ottimizzata. Dal punto di vista del progetto di un veicolo, ciò impone notevoli limiti alla libertà del disegno e costringe ad operare compromessi estetici evidenti. Le tecnologie di manifattura additiva, con particolare riferimento al Selective Laser Melting, possono aprire scenari interessanti per questi oggetti. L’utilizzo di un approccio “design for manufacturing”, in questo caso, consentirebbe di raggiungere livelli estetici e prestazionali superiori, sempre osservando gli aspetti di sostenibilità economica del prodotto. Il presente lavoro indaga la possibilità di utilizzare la tecnologia SLM per produrre e innovare gli scambiatori di calore compatti utilizzati in ambito motociclistico. La ricerca si focalizza principalmente sul tema della fattibilità tecnologica. In questo ambito è stata investigata la capacità del Selective Laser Melting di produrre geometrie sottili in un intervallo di valori compreso tra 100 e 500µm. Oltre a questo, il lavoro si concentra anche sul tema delle cavità interne cercando di risolvere il problema della rimozione della polvere. Secondariamente il lavoro investiga anche il tema delle prestazioni, che è stato affrontato basandosi su modelli matematici e fisici semplici. L’indagine delle varie tematiche segue un approccio sperimentale. Sono stati condotti esperimenti su due materiali: acciaio Maraging 18Ni300 per una prima fase e la lega di alluminio AlSi10Mg selezionata per l’applicazione in una fase successiva. Nella parte conclusiva della tesi sono stati prodotti due prototipi di scambiatore di calore successivamente caratterizzati attraverso un transient test.