Grazie alla progettazione attraverso specifici software di ottimizzazione topologica, un team di ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D per produrre uno scambiatore di calore con prestazioni 20 volte superiori agli scambiatori ad oggi sul mercato.
In questo articolo parleremo di
Ottimizzazione topologica: cos’è
L’utilizzo dei software di ottimizzazione topologica è parte integrante dei processi di manifattura additiva. I sistemi di stampa 3D rappresentano infatti l’unica tecnologia in grado di produrre le matematiche complesse generate dagli algoritmi della Topology Optimization. L’evoluzione delle tecnologie 3D e dei materiali di stampa ha abilitato una nuova metodologia di progettazione capace di produrre applicazioni con performance mai viste prima. Basti pensare che le parti prodotte in AM e progettate attraverso ottimizzazione topologica, presentano in genere una netta riduzione di peso e caratteristiche meccaniche pari o migliori rispetto alle geometrie convenzionali.
Ottimizzazione topologica: come funziona
Come già trattato nel nostro breve articolo del 2018 Ottimizzazione topologica e stampa 3d: componenti leggeri per l’industria, l’ottimizzazione topologica si basa su un algoritmo in grado di eliminare gli elementi ridondanti all’interno di un elemento finito, in base a criteri di carico assegnati e a vincoli geometrici. Un modello matematico al servizio di una nuova distribuzione delle masse, per la realizzazione di modelli più leggeri e performanti.
Scambiatore di calore e stampa 3D
Il caso studio in oggetto è basato sull’applicazione dei principi dell’ottimizzazione topologica alla progettazione di uno scambiatore di calore innovativo.
“Abbiamo sviluppato un software di ottimizzazione della forma per progettare uno scambiatore di calore ad alte prestazioni”, ha affermato William King, professore di scienze meccaniche e ingegneria presso il Grainger College of Engineering e co-study leader. “Il software ci consente di identificare i progetti 3D che sono significativamente diversi e migliori rispetto ai progetti convenzionali”.
Il team di progettisti ha iniziato studiando un tipo di scambiatore noto come scambiatore di calore tube in tube, in cui un tubo è annidato all’interno di un altro tubo. Questa tipologia di scambiatori di calore sono usati per la gestione di acqua potabile e negli impianti energetici degli edifici. Utilizzando una combinazione di software di ottimizzazione topologica e tecnologie di manifattura additiva, i ricercatori hanno progettato e sono stati in grado di produrre le alette metalliche all’interno dei tubi.
“Abbiamo progettato, fabbricato e testato uno scambiatore di calore tubo-in-tubo ottimizzato”, ha affermato Nenad Miljkovic, professore associato di scienze e ingegneria meccanica e co-study leader. “Il nostro scambiatore di calore ottimizzato ha una densità di potenza volumetrica circa 20 volte superiore rispetto a un attuale dispositivo tubo-in-tubo commerciale all’avanguardia”.
Considerata la domanda crescente di scambiatori di calore compatti ed efficienti per l’industria, questo nuovo caso studio porterà ben presto ad un probabile rinnovamento radicale di tutto il settore.
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