Stampa 3D di pacco lamellare per moto da corsa, l’applicazione usata per migliorare la potenza del motore
Stampa 3D di pacco lamellare per moto da corsa realizzato da CRP Technology per il modello 125cc di CRP Racing rappresenta un importante avanzamento nello sviluppo e miglioramento del sistema di alimentazione del motore a 2 tempi.
Essendo le parti che compongono il pacco lamellare funzionali, queste sono state usate per testare nuove e diverse soluzioni da impiegare nella messa a punto di un metodo scientifico e garantire un’esatta ripetibilità.
In questo contesto, CRP Technology è costantemente impegnata nella ricerca e nello studio di nuove soluzioni e nuovi materiali, applicati alla tecnologia della sinterizzazione laser, finalizzati al Rapid Prototyping (RP) e Rapid Manufacturing (RM).
In quest’ ottica si iscrive il nuovo progetto sviluppato (e tutt’ora in fase di testing e miglioramento) dal dipartimento RP della CRP Technology in collaborazione con CRP Racing riguardante lo sviluppo della valvola lamellare (comunemente detta “pacco lamellare”) per la moto 125 cc realizzata nel nuovo materiale flessibile Windform FX con l’apporto della tecnologia Selective Laser Sintering (SLS).
Sviluppo
Il telaio del pacco lamellare realizzato in Windform FX rappresenta un eccellente esempio di connubio efficace tra il settore R&D di CRP Technology e le applicazioni su pista di CRP Racing.
Gli aspetti più innovativi di questa applicazione risiedono proprio nel materiale utilizzato e nei risultati ottenuti in termini di aumento del rendimento della valvola lamellare, incremento della ripetibilità e velocità di produzione e relativo contenimento dei costi.
Il materiale utilizzato è il nuovo materiale della famiglia Windform: Windform FX. Lanciato nel giugno del 2007, Windform FX è un materiale a base poliammidica di nuova generazione, le cui caratteristiche meccaniche e ripetibili lo rendono particolarmente adatto ad applicazioni di Rapid Manufacturing.
Windform FX si denota infatti per un’eccezionale resistenza alle ripetute sollecitazioni di piegatura e di torsione e per un’eccellente resistenza all’urto.
Esso è infatti un materiale particolarmente adatto alla realizzazione di componenti di RM anche di forma complessa e con pareti sottili, ma soprattutto flessibili, frequenti specialmente nei settori aerospaziali e del motorsport.
Ed è proprio grazie a queste sue specifiche proprietà strutturali che Windform FX è stato scelto per la realizzazione del telaio del pacco lamellare, componente che deve essere consistente e soprattutto resistente agli urti e alle vibrazioni.
Per capire meglio la portata della scelta d’uso di Windform FX per la realizzazione del pacco lamellare è bene descrivere brevemente il componente oggetto di studio e le relative caratteristiche.
Il pacco lamellare è costituito da un telaio a forma di cuneo nel quale la base è completamente aperta e costituisce l’area d’ingresso lato aspirazione, mentre sulle facce laterali di dimensioni maggiori sono ricavate delle finestre che costituiscono l’area di passaggio lato carter.
Al di sopra di tali finestre sono applicate delle lamelle elastiche sottili denominate “petali” che le coprono completamente. I petali si sollevano e permettere il passaggio del flusso quando la differenza di pressione è favorevole.
Le dimensioni e la forma del telaio e delle finestre determinano la permeabilità del componente con i petali in posizione di massima apertura, pertanto il dimensionamento è funzione delle caratteristiche del motore e la forma è studiata per ridurre al minimo le perdite fluidodinamiche.
Il petalo costituisce invece l’elemento che determina il funzionamento vero e proprio del sistema, infatti dalle sue caratteristiche dipende la legge di apertura e chiusura della valvola.
La funzionalità di questa valvola lamellare risiede proprio nella regolamentazione dell’immissione di gas freschi nella camera di manovella e/o combustione di un motore a due tempi.
Il pacco lamellare ha perciò una notevole importanza sulla prestazione della moto, in quanto una buona alimentazione di un motore a 2 tempi risulta fondamentale per l’erogazione della potenza e della coppia motrice.
In sintesi, il pacco lamellare limita il flusso dei gas dirottandoli in un’unica direzione; è costituito da sottili petali flessibili in metallo, fibra di vetro o fibra di carbonio fissate su un’estremità che si aprono e si chiudono al variare della pressione sui lati opposti del pacco lamellare.
Il ciclo del motore a due tempi
- Aspirazione /compressione: Il pistone, in salita verso il PMS (Punto Morto Superiore), crea una depressione nel carter pompa, e contemporaneamente apre la luce di aspirazione.
La depressione richiama la miscela (aria/benzina) fresca dalla luce di aspirazione immettendola nel carter pompa, che la porterà nel cilindro attraverso le luci di travaso nella fase successiva. - Scoppio/scarico: questo ciclo avviene immediatamente dopo l’accensione della miscela. Durante la discesa del pistone verso il PMI (Punto Morto Inferiore) avviene la compressione della miscela nel carter pompa.
Nel momento in cui si aprono le luci di travaso la miscela fresca aria-benzina entra nel cilindro anche grazie alla depressione generata dalla parte iniziale dell’impianto di scarico che aiuta il travaso dei gas freschi; durante la fase parte di questa miscela esce anche dalla luce di scarico, mista a gas combusti.
In assenza di valvola, i gas uscirebbero dal collettore di aspirazione e non si creerebbe quella pressione che permette il lavaggio della camera di combustione. Ecco l’importanza dell’apertura e chiusura continua delle lamelle ad ogni ciclo.
Se un motore da competizione a due tempi raggiunge i 14,000 giri al minuto le lamelle compiranno circa 230 oscillazioni al secondo.
Aspetti cruciali del pacco lamellare
Gli sforzi principali a cui viene sottoposto normalmente il particolare in questione sono le notevoli vibrazioni (ogni giro motore la lamella in carbonio va a sbattere contro la parete del pacco lamellare) e il passaggio di benzina.
Perciò i problemi più critici che vanno tenuti presenti al momento della progettazione del particolare sono i problemi di rottura dovuti alla grande depressione a cui sono sottoposti, unita alle vibrazioni causate dai ripetuti colpi delle lamelle in carbonio contro le pareti di battuta del pacco lamellare.
Ecco allora che il materiale di costruzione delle lamelle è importante non solo perché esse sono sottoposte ad uno stress non indifferente ma anche perché devono esserci differenze di rigidità. Il loro spessore e quindi la loro rigidità determina differenze di comportamento rilevanti.
In passato, per realizzare il pacco lamellare è stato utilizzato l’alluminio con riporto di gomma superficiale. Con questa tecnologia non vi erano particolari limiti legati alla prestazione del pacco lamellare in sé (senza diffusore), tuttavia il costo relativo ad una produzione tipica per il motorsport e quindi non di serie era davvero elevato. Allo stesso modo, i tempi di approvvigionamento e la “libertà” di disegno e personalizzazione, non erano assolutamente idonei per le applicazioni sportive. Inoltre, gli inserti interni (diffusori) venivano sviluppati e prodotti manualmente, con difficilissima ripetibilità e senza una base scientifica, in quanto venivano fatti mediante stuccatura e successiva lavorazione manuale.
Per tutte queste ragioni, CRP Racing in collaborazione con il dipartimento di R&D e RP di CRP Technology ha scelto di testare nuove e diverse soluzioni per cercare di ottenere un metodo scientifico, una esatta ripetibilità dopo aver trovato sperimentalmente la migliore configurazione che possa ciò garantire la migliore funzionalità del particolare, nell’equilibrio tra flessibilità e rigidezza.
Le soluzioni pensate e realizzate sono state sostanzialmente due.
In entrambi i casi si è partiti dall’ingegnerizzazione e lo studio CAD del componente.
La prima soluzione
La prima soluzione prevede la realizzazione del pacco lamellare con il suo diffusore integrato, quindi in un unico particolare, utilizzando il materiale Windform FX.
L’obiettivo è quello di conferire una maggiore rigidezza a tutto il sistema.
Questa soluzione permette la realizzazione di un “gruppo” (telaio + diffusore) estremamente compatto, e permette di ottimizzare al meglio i flussi aerodinamici nella “transizione” tra telaio e diffusore, che ora sono integrati in un unico oggetto.
La seconda soluzione
La seconda soluzione concerne invece la realizzazione del pacco lamellare (vedi immagine sotto) in due pezzi, il telaio e il diffusore, utilizzando due diversi materiali:
- il diffusore viene sinterizzato utilizzando il Windform XT, materiale composito caricato fibra di carbonio
- il telaio, che deve resistere all’urto delle lamelle, viene sinterizzato in Windform FX
Questa soluzione garantisce una grande versatilità durante la fase di sviluppo e messa a punto dei pacchi lamellari. E’ infatti possibile:
- variare la caratteristica del motore, realizzando diverse tipologie di diffusori, tutti intercambiabili sullo stesso telaio, che possono essere facilmente sostituiti durante le prove al banco o in pista, senza dover spostare le lamelle da un telaio all’altro. In questo modo i risultati delle prove sono perfettamente confrontabili e permettono di validare la geometria migliore violentemente ad una frequenza molto elevata.
- sfruttare appieno l’elasticità del materiale Windform FX usato per il telaio, quando i petali “colpiscono” violentemente ad alta frequenza
I primi esiti di test al banco, nonostante le prime difficoltà incontrate, come solitamente accade in tutti i primi progetti di sviluppo, hanno mostrato buoni margini di sviluppo e certamente i test futuri serviranno a migliorare e sviluppare un progetto che certamente aprirà una nuova strada nello studio dell’alimentazione del motore 2T.
Conclusioni
Le potenzialità insite in questo progetto stanno proprio negli obiettivi che si vogliono raggiungere: i pacchi lamellari che abbiamo realizzato sono volti ad equiparare il risultato ottenuto con le valvole tradizionali e per questo sono identici ad un pezzo campione realizzato in alluminio.
Una volta individuata la configurazione che presenta i necessari requisiti strutturali e prestazionali si può dare spazio a tutte le nuove idee di valvola lamellare senza più avere limitazioni legate alla tecnologia di realizzazione del pezzo e cosa ancor più importante si può garantire la ripetibilità del componente con costi contenuti.
CRP Technology e CRP Racing proseguiranno il lavoro iniziato, puntando a migliorare e mettere a punto quelle imprecisioni o problemi non ancora risolti.