Questo capitolo tratta i manufatti plastici della colonnina. Come richiesto nel quaderno dei compiti si sono sviluppati una serie di elementi in composito termoplastico riciclabile. Questi possono essere fabbricati mediante sistemi tradizionali di stampaggio a compressione/iniezione. Per favorire la saldatura si è cercato di minimizzare la quantità di elementi
Figura 113: assieme elementi termoplastici della colonnina
La base della colonnina è un’ellisse 420x300 mm mentre l’estremità superiore è un rettangolo 285x436 mm. Queste dimensioni sono sufficienti per contenere tutti gli elementi necessari al funzionamento della colonnina.
Nota: in questo studio di fattibilità non è stato implementato il cavo uscita corrente AC (funzione 9), i manufatti plastici dovranno essere successivamente modificati e muniti di superfici adatte all’uscita e all’ancoraggio del connettore tipo 2 per la ricarica delle auto elettriche.
Di seguito sono raggruppati in categorie i manufatti termoplastici della colonnina di ricarica:
• Elementi semi-strutturali:
o 2x manufatti principali: elementi ellittici lunghi 1165 mm
Figura 114: elementi principali (manufatto posteriore SX; manufatto anteriore DX)
o 2x elementi curva a 90°
o 1x supporto display
Figura 115: curva 90° SX; supporto display DX o 2x portellini accesso
Figura 116: portellini accesso (superiore SX; inferiore DX)
• Altri elementi
o Ingresso aria raffreddamento o Uscita aria raffreddamento
Figura 117: ingresso aria SX; uscita aria DX
6.1.1 Le nervature di rinforzo
In tutti gli elementi semi-strutturali della colonnina sono necessarie delle nervature di rinforzo. Queste permettono di ottenere caratteristiche meccaniche superiori a parità di spessore. Siccome questa grandezza è limitata dal processo di fabbricazione (pochi millimetri), l’aggiunta di questi particolari è indispensabile.
Nella letteratura vi sono informazioni in riferimento al dimensionamento di queste nervature di rinforzo.
Dimensionamento nervature:
Figura 118: dimensionamento delle nervature
• Spessore parete: 𝑤 = 4 𝑚𝑚
• Spessore della base: 𝑏 < 0.7 ∙ 𝑤 = 2.8 𝑚𝑚 (CAD: 2.8mm)
• Altezza nervatura: ℎ = 3 ∙ 𝑏 = 8.4 𝑚𝑚 (CAD: 8.4mm)
• Distanza minima basi nervatura: 𝑑 >ℎ
3= 2.8 𝑚𝑚 (CAD 20mm)
• Inclinazione nervatura: 𝛼 = 1.5° ÷ 2°
• Raggi di raccordo: 𝑟 = 0.25 ÷ 0.4 𝑤 = 1 ÷ 1.6 𝑚𝑚 (CAD 1.5mm) I valori scelti sono riportati nei disegni CAD e soddisfano le condizioni descritte nella letteratura.
La disposizione delle nervature di rinforzo
Un ulteriore analisi ha permesso di identificare una disposizione idonea per le nervature di rinforzo. Si è cercato di rinforzare le direzioni a cedevolezza maggiore per garantire un aumento delle caratteristiche meccaniche globali dei manufatti semi-strutturali della colonnina. Un fattore importante da considerare è l’assenza di sottosquadra generati da questi elementi di rinforzo. Le soluzioni proposte soddisfano questo requisito
Elementi principali:
La soluzione proposta prevede l’utilizzo di nervature che seguono la geometria ellittica del manufatto.
Queste sono raggruppate in fasce per permettere il posizionamento dei dadi a scatto (sistema di ancoraggio). Questa conformazione da rigidezza alla struttura aumentando di conseguenza la resistenza strutturale.
Figura 119: disposizione nervature elementi principali colonnina Curva a 90°:
In questo caso le nervature di rinforzo seguono l’estrusione della superfice ellittica fino a raggiungere l’estremità rettangolare. Con questa direzione si aiutano le pareti sottili a sorreggere il display touch utilizzato come interfaccia utilizzatore.
Figura 120: disposizione nervature curva a 90°
Portellini:
La disposizione scelta per i portellini è la medesima utilizzata nei manufatti laterali della colonnina. Le nervature proseguono fino a collegarsi all’alloggiamento dei sistemi di chiusura. Questo garantisce una maggiore resistenza e rigidezza di chiusura.
Figura 121: disposizione nervature portellini
6.1.2 Le saldature dei polimeri termoplastici
Esistono varie tipologie di saldature utilizzabili per collegare elementi termoplastici:
• Saldatura con riporto di materiale eseguito manualmente con cannello ed aria calda (con apporto di materiale)
• Saldatura con riporto di materiale eseguito manuale con estrusore a filo continuo (con apporto di materiale)
• Saldatura di testa/testa con appositi macchinari (senza apporto di materiale)
• Saldatura a bicchiere con appositi macchinari (solo per tubi)
Il metodo di saldatura più idoneo per collegare tutti gli elementi della colonnina è quello testa/testa con appositi macchinari. Questo permette di ottenere un’ottima qualità di saldatura senza l’aggiunta di ulteriore materiale. I parametri principali di questa lavorazione sono la temperatura, la pressione e la durata, i quali dipendono dalla tipologia di polimero in uso e la conformazione del manufatto da saldare.
Vi è la possibilità di eseguire questa tipologia di processo mediante diverse macchine dedicate:
• Saldatura ad ultrasuoni (20,30,35 kHz): metodo applicabile a quasi tutti i materiali termoplastici.
• Saldatura a vibrazione (tra 95 e 260 Hz): metodo adatto per la saldatura di manufatti di grandi dimensioni. Utilizzato molto nel settore automobilistico e garantisce una tenuta ermetica.
La saldatura testa/testa necessita di superfici di contatto specifiche. Per garantire l’assenza di sottosquadra nello stampo adoperato per la produzione si è deciso di inglobare le superfici di saldatura all’interno dello spessore della parete dei manufatti polimerici. Come riportato nell’immagine la proposta 2 garantisce spessori uniformi ma comporta la presenza di sottosquadra evidenziati in rosso. La scelta intrapresa (proposta 1) è applicabile in quanto lo spessore della parete stessa lo permette.
Figura 122: varianti superfici saldatura
Il tipo di processo e la conformazione esatta delle superfici di saldatura sarà da discutere assieme al tecnico stampista/ saldatore. Si dovranno prevedere del sopramateriale per la fusione degli elementi e superfici ad incastro come raffigurato nel disegno a mano libera sotto riportato.
Nota: le nervature presenti nei disegni CAD proseguono su tutta la superfice interna. Assieme allo specialista saldatore è necessario valutare quando interrompere gli elementi di rinforzo per garantire una superfice piatta per la testa di saldatura.
Figura 123: le superfici di saldatura
• [A] Testa/testa di saldatura: è necessario prevedere una superfice di appoggio sia interna che esterna per applicare l’energia necessaria alla fusione del materiale termoplastico
• [B] Siccome con questa tipologia di saldatura non è previsto alcun apporto di materiale spesso si predispone una o più lingue di polimero aggiuntivo per garantire una saldatura ottimale.
• [C] Nell’assemblaggio di manufatti termoplastici si lascia sempre un’apertura sulla superfice esterna (visibile). Questo garantisce la completa aderenza della battuta interna e svolge un ruolo fondamentale nell’estetica del componente finale garantendo l’incapacità dell’occhio umano di percepire eventuali difetti di tolleranza altrimenti visibili.
Per rappresentare queste superfici nel disegno CAD e nelle simulazioni di riempimento Moldflow si è adoperato un disegno semplificato come accordato con il relatore. È stato deciso di garantire 1 mm di aria ed una sovrapposizione del materiale di 4 mm
Figura 124: le superfici di saldatura nei disegni CAD
6.1.3 Sistema di ancoraggio
Per quanto riguarda il sistema di ancoraggio degli elementi polimerici della colonnina alla struttura metallica interna sono state valutate le seguenti tipologie di sistemi di fissaggio
• Dadi a scatto: sistema largante impiegato per il fissaggio di manufatti prodotti sia per iniezione che per compressione
Figura 125: dadi a scatto (sistema di fissaggio)
• Borchie: metodo maggiormente utilizzato nei manufatti stampati per iniezione
Figura 126: le borchie (sistema di fissaggio)
Per la connina di ricarica è stato scelto il sistema di ancoraggio con dadi a scatto. Durante tutta la progettazione si è tenuta comunque in considerazione anche la seconda possibilità nel caso in cui vi siano problemi ad applicare i dadi a scatto.
Di seguito è riportato il dimensionamento degli elementi di fissaggio per i dadi a scatto. Il foro centrale non è realizzabile durante il riempimento ma è necessaria una successiva lavorazione di foratura.
Figura 127: superfice di fissaggio dadi a scatto
Come collegamento tra i dispositivi di ancoraggio e la struttura metallica sono previste delle lamiere piegate. Oltre a questa funzione, contribuiscono alla resistenza strutturale degli elementi plastici in quanto seguono tutta la lunghezza dei manufatti.
Figura 128: disposizione elementi di rinforzo manufatti plastici colonnina
Come riportato in figura le lamiere di rinforzo hanno una forma particolare per garantire lo spazio necessario alle nervature definite in precedenza. La distanza tra i fori è di 170 mm e lo spessore del materiale è di 3 mm. In particolare, sono impiegate 3 differenti tipologie di elementi metallici:
• 6x elementi a L 3x15x57 mm o 2x elementi lunghi 880 mm o 2x elementi lunghi 30 mm o 2x elementi lunghi 200mm
• 4x elementi a L 3x15x23 mm lunghi 1050 mm
• 4x elementi a C 3X15x18.5x25 mm lunghe1050 mm
Con questa conformazione l’assieme manufatti plastici può essere facilmente sfilato dalla struttura per sostituirlo in caso di danneggiamenti senza necessariamente smontare il frame metallico dalla base in calcestruzzo.
Nota: per il sistema di ancoraggio dell’unità di raffreddamento fare riferimento al capitolo “sistema di raffreddamento”.
6.1.4 Portellini di accesso
Per semplificare la gestione dei componenti di ricambio e semplificare il montaggio della colonnina è stato deciso di uniformare la chiusura dei due portellini. L’accesso ai moduli elettrici è possibile solo mediante chiave dedicata ed è permesso solo ai tecnici specializzati. Questo protegge gli utilizzatori e i moduli stessi da eventuali danni. La chiusura è garantita mediante elementi GN115. Entrambi i portellini sono muniti di guarnizione per garantire la resistenza al grado IP 55 richiesto. La tipologia di chiave necessaria ad aprire la stazione di ricarica può essere facilmente sostituita. Gli stessi fornitori di questo elemento dispongono di diverse tipologie di chiusura (triangolo, rombo, chiave 5000, chiave dedicata,
…) che possono essere scelte e montate tranquillamente. Nel disegno CAD di questo progetto si è utilizzato un esagono incassato.
Chiusura GN115
Vi sono diversi fornitori possibili per gli elementi di chiusura GN115. In questo paragrafo è stato identificato con componente adatto al montaggio sui portellini della stazione di ricarica:
• Nome: CQ.SST
• Fornitore: Elesa
• Codice: CQ/T-45-26-SST
• Grado IP: 6.6.
• Descrizione: Chiusure a levetta con chiave ad incasso, acciaio INOX
Figura 129: chiusura tipo GN 115
Guarnizione portellino
Come anticipato sono presenti le stesse guarnizioni per i due portellini. Sono state prese in considerazione diverse varianti.
Figura 130: varianti guarnizione portellino
La variante migliore è la 2. Questa scelta permette di semplificare gli stampi utilizzati per la realizzazione dei manufatti plastici garantendo comunque una doppia superfice di appoggio per l’allineamento del polimero di isolazione. La variante 4 non è stata considerata in quanto andrebbe in interferenza con il sistema di chiusura GN 115. La scelta comporta l’utilizzo di guarnizioni adesive.
Anche in questo caso vi sono svariati fornitori e molteplici tipologie utilizzabili. È stata identificata una possibile tipologia adatta a questo impiego. Questa azienda garantisce una resistenza completa agli agenti atmosferici (umidità, raggi UV, temperature) per una durata minima di 5 anni:
• Nome: Kronstik E
• Fornitore: Mappy italia SA
• Codice prodotto: P5300050010N100
• Dimensioni sezione: larghezza 5 mm; e altezza 10
• Descrizione: Guarnizione adesiva in EPDM estruso profilata disegno E
Figura 131: guarnizione portellino
Nota: il sistema di chiusure è stato dimensionato per garantire un’interferenza di 6 mm che garantisce la tenuta ermetica dei portellini
Elementi di battuta
Per conservare l’integrità dei manufatti polimerici sono previsti dei blocchettini metallici. Questi elementi sono in Acciaio e vengono incollati in prossimità dei sistemi di chiusura GN115. La realizzazione di questi componenti è prevista mediante fresatura CNC in quanto la superfice di incollaggio è ellittica e deve coincidere con quella dei manufatti plastici.
Figura 132: elementi battuta chiusure GN 115