DEsign and Production of Lattice structures for Optimized heat exchangers for sustainable mobilitY applications
Progetto DEPLOY mira a progettare, modellare e produrre strutture reticolari tridimensionali per applicazioni di scambio termico, da realizzare mediante manifattura additiva (AM), perseguendo al contempo resistenza meccanica, peso ridotto, elevato rapporto superficie/volume e rugosità superficiale regolabile.
Saranno investigate strutture reticolari basate su Triply-Periodic Minimal Surfaces (TPMS), tra cui le configurazioni gyroid e Schwarz, identificate come le più promettenti.
La manifattura additiva consente la produzione di celle periodiche personalizzate con un elevato grado di libertà geometrica. Le leghe di alluminio sono considerate candidati particolarmente adatti per il raffreddamento o il riscaldamento di dispositivi meccanici. Le proprietà termomeccaniche e la densità di questi materiali possono essere regolate mediante l’ottimizzazione dei parametri del processo di AM.
Come caso di studio rappresentativo, sarà sviluppato uno scambiatore di calore compatto liquido-liquido basato su architetture TPMS micro-architettate.
Il progetto mira inoltre a studiare la natura direzionale della conducibilità termica e della rugosità superficiale come conseguenza del processo di AM. Queste due caratteristiche anisotrope possono, in linea di principio, abilitare nuovi approcci di ottimizzazione. Lo scambiatore di calore potrà quindi essere progettato non solo in termini di forma tridimensionale e distribuzione vuoto/solido, ma anche considerando proprietà termiche dipendenti dalla direzione e la regolazione dell’area superficiale.
Dal punto di vista termo-strutturale, saranno condotte indagini computazionali preliminari per valutare la fattibilità della transizione dalle unità tradizionali a componenti reticolari ottimizzati: verranno analizzate le proprietà meccaniche e termiche e saranno selezionate le architetture più idonee per realizzare dispositivi stabili, leggeri ed efficienti.
Metodi di ottimizzazione numerica, in sinergia con i vincoli del Design for Additive Manufacturing, saranno applicati per determinare la configurazione finale ottimale, dalla micro-scala (cella periodica unitaria) alla macro-scala (scambiatore di calore o involucro isolante).
Per determinare le prestazioni di scambio termico, saranno selezionati gli approcci di modellazione più appropriati combinando modelli analitici e simulazioni numeriche, sfruttando sia dati disponibili in letteratura sia l’esperienza specifica del Principal Investigator nello sviluppo di modelli originali di trasferimento di calore.
Inoltre, verrà condotta un’analisi delle proprietà rigidezza/peso e resistenza/peso, principalmente orientata alla progettazione leggera, al fine di valutare il rapporto ottimale dimensione/spessore della struttura TPMS grazie al know-how dei proponenti.
Infine, le celle unitarie più promettenti saranno utilizzate per realizzare prototipi di scambiatori di calore, al fine di validare sperimentalmente le previsioni numeriche. Verrà inoltre tentato un nuovo approccio per investigare l’efficacia della rimozione della polvere dalle cavità interne dei componenti appena prodotti tramite simulazioni CFD tridimensionali, con l’obiettivo di identificare eventuali ulteriori vincoli progettuali.
Gli approcci di progettazione e modellazione sviluppati, insieme al dataset acquisito relativo alle proprietà strutturali e geometriche e ai risultati sperimentali, sono destinati a favorire l’adozione di queste strutture nei dispositivi per la mobilità.