Design, production, and testing of a fan-less edge device for continuous monitoring of machine tools

In this thesis, we tackle a practical and pressing problem in industrial environments: how to reliably monitor machine tools using edge computing devices that can survive harsh shop-floor conditions. Traditional industrial PCs often rely on active cooling systems with fans, which tend to fail over time due to dust buildup and mechanical wear. These failures reduce system reliability and increase maintenance costs. To address this, we developed a robust, fanless edge computing device specifically designed for continuous predictive maintenance applications. At the core of our approach is a passively cooled enclosure for the AAEON EPIC-ADN9 Single Board Computer. Our design process followed an iterative digital prototyping workflow using Rhino and Grasshopper. These tools allowed us to procedurally generate and refine parametric fin-stack geometries for the heatsink. We experimented with integrating the Golden Ratio into the fin layout, introducing variable spacing between fins to enhance both thermal dissipation and geometric harmony. The design was then optimized for manufacturability in Autodesk Fusion 360, ensuring compatibility with high-precision 5-axis CNC machining. Aerospace-grade Aluminium 7075 was selected to balance strength, weight, and thermal performance. To validate the design, we conducted steady-state Natural Convection (CFD) simulations in Fusion 360 and ANSYS Fluent. To compare different fin configurations objectively, we introduced a new non-dimensional performance constant, Δ, which evaluates thermal efficiency across varying CPU power levels. Among the tested designs, the S3.3 configuration, featuring a 14 mm fin height and 5.5 mm spacing, emerged as the most effective solution for high-power workloads. The final enclosure is designed to be fabricated from Aerospace-grade Aluminium 7075 alloy using a Yasda YMC650 5-axis CNC mill, ensuring high-precision manufacturing of the complex, freeform fin structures. By combining parametric design, advanced simulation, and practical manufacturing considerations, this work presents a complete framework for developing durable, high-performance edge computing devices tailored to modern industrial environments.

In questa tesi affrontiamo un problema concreto e urgente negli ambienti industriali: come monitorare in modo affidabile le macchine utensili utilizzando dispositivi di edge computing in grado di resistere alle condizioni gravose dell’officina. I PC industriali tradizionali si basano spesso su sistemi di raffreddamento attivo con ventole, che tendono a guastarsi nel tempo a causa dell’accumulo di polvere e dell’usura meccanica. Questi guasti riducono l’affidabilità del sistema e aumentano i costi di manutenzione. Per rispondere a queste criticità, abbiamo sviluppato un dispositivo di edge computing robusto e fanless, progettato specificamente per applicazioni di manutenzione predittiva continua. Al centro del nostro approccio vi è un enclosure a raffreddamento passivo per la Single Board Computer AAEON EPIC-ADN9. Il processo di progettazione ha seguito un flusso di prototipazione digitale iterativo basato su Rhino e Grasshopper. Questi strumenti ci hanno permesso di generare e perfezionare proceduralmente geometrie parametriche di fin-stack per il dissipatore di calore. Abbiamo sperimentato l’integrazione della Sezione Aurea nella disposizione delle alette, introducendo una spaziatura variabile per migliorare sia la dissipazione termica sia l’armonia geometrica. Il design è stato successivamente ottimizzato per la producibilità in Autodesk Fusion 360, garantendo la compatibilità con lavorazioni CNC a 5 assi ad alta precisione. È stata selezionata una lega di Alluminio 7075 di grado aerospaziale per bilanciare resistenza meccanica, peso e prestazioni termiche. Per validare il progetto, abbiamo condotto simulazioni CFD in regime stazionario di convezione naturale in Fusion 360 e ANSYS Fluent. Per confrontare in modo oggettivo le diverse configurazioni di alette, abbiamo introdotto una nuova costante adimensionale di prestazione, Δ, che valuta l’efficienza termica al variare dei livelli di potenza della CPU. Tra le configurazioni testate, la S3.3, caratterizzata da un’altezza delle alette di 14 mm e una spaziatura di 5,5 mm, si è dimostrata la soluzione più efficace per carichi di lavoro ad alta potenza. L’enclosure finale è progettato per essere realizzato in lega di Alluminio 7075 di grado aerospaziale mediante una fresatrice CNC a 5 assi Yasda YMC650, garantendo una produzione ad alta precisione delle complesse strutture alettate freeform. Combinando progettazione parametrica, simulazioni avanzate e considerazioni pratiche di produzione, questo lavoro presenta un framework completo per lo sviluppo di dispositivi di edge computing durevoli e ad alte prestazioni, pensati per i moderni ambienti industriali.