L’erogazione di precisione di resine termicamente conduttive è una delle sfide più ardue per tutti i sistemi di dosaggio. Le proprietà fisiche del materiale, infatti, sono difficilmente compatibili con la sofisticatezza meccanica delle macchine chiamate a gestirlo, perché i filler di dissipazione stressano e usurano tutti i componenti con cui entrano in contatto, dai sistemi di degasaggio ed alimentazione alle teste di dosaggio. Passiamo in rassegna alcuni dei principali problemi tecnici nella gestione di resine per la dissipazione termica, nonché le più moderne soluzioni produttive.
L’automotive elettrico
Il boom globale della mobilità elettrica sta rivoluzionando l’industria automotive e la sua vasta filiera, anche in Italia. Nonostante il crollo delle immatricolazioni complessive, nel nostro Paese nei primi 9 mesi del 2020 il mercato delle auto “full-electric” o “ibride plug-in” ha superato il 3% del totale (+2% rispetto al 2019), attestandosi a 30.000 unità. È una crescita del 155%. Che ruolo giocano in questo scenario i sistemi di dosaggio?
Il cuore di ogni veicolo elettrico è la batteria ad alto voltaggio (HV) agli ioni di litio che accumula, conserva ed eroga l’energia necessaria al funzionamento del motore. I criteri chiave di progettazione di queste batterie sono l’alta densità energetica, costi di produzione contenuti, riduzione del peso, scalabilità e stabilità meccanica. Un componente molto importante è l'alloggiamento che le protegge da influenze ambientali dannose come polvere o umidità. Fondamentali sono le sue proprietà di dissipazione del calore.
Il fattore termico gioca infatti un ruolo centrale sulla durata, sulla capacità e soprattutto sulla sicurezza operativa della batteria HV. Secondo l’equazione di Arrhenius, ridurre di 10°C la temperatura media di una batteria significa raddoppiarne la durata di vita operativa. Le temperature di esercizio ottimali sono comprese tra circa 20 e 40°C. Per ottenere questo risultato, ogni veicolo elettrico è dotato di un sistema attivo di gestione della batteria (BMS) che lavora ad aria o con un liquido refrigerante a circuito chiuso. Inoltre vengono applicati materiali passivi di nuova concezione che disperdono il calore per contatto grazie alle proprie caratteristiche fisiche e chimiche.
Vantaggi delle paste termoconduttive
I pad adesivi preformati che si vedono ancora spesso nelle piccole lavorazioni presentano alcune controindicazioni. In primo luogo è un materiale costoso e non sempre consistente in spessore. Inoltre va applicato meccanicamente, a pressione, il che può essere deleterio per componenti elettronici. Non si può assottigliare oltre un certo limite, pena l’impossibilità di maneggiarlo. Ancora, non si adatta in modo flessibile a substrati irregolari. Più importante, non è adatto a certi cruciali settori produttivi: ad esempio non è compatibile con i severi collaudi 5G o 6G del settore automotive, perché non garantisce la stabilità nel tempo rispetto alla vibrazione del veicolo in corsa.
Alla luce di tutto ciò, sempre più spesso si è passati ad utilizzare sostanze liquide di dissipazione o paste termoconduttive. Ad esempio, dosando opportune quantità di queste resine tra i moduli della batteria e il loro alloggiamento, si può ridurre la resistenza termica di quest’ultimo fino al 40-50%, abbassando in modo significativo la temperatura complessiva del pacco batterie.
Le proprietà meccaniche e di dissipazione termica garantite da queste resine sono cruciali per l’intero settore automotive: infatti trovano applicazione anche nelle reti di bordo, nella gestione delle componenti elettroniche, nelle aree LED, nella tecnologia dei sensori, nell’infrastruttura di ricarica e negli inverter. È questo il tipo di lavorazioni altamente specializzate che hanno favorito l’ingresso in campo dei produttori di sistemi di dosaggio di precisione.
La sfida tecnologica
La capacità di condurre calore di una resina termoconduttiva (TCA) è conferita dall’alta concentrazione di filler, generalmente ossido di alluminio, argento o nitruro di boro. I filler sono frammenti irregolari, sfere o cubetti, hanno spesso livelli di durezza molto elevati e profili a spigoli vivi. Per questo, all’aumentare delle proprietà dissipative delle resine, aumenta anche il loro peso specifico.
Oggi il mercato si sta spostando verso resine siliconiche, epossidiche e poliuretaniche, dotate di filler che portano il loro peso specifico a oltre 3,5 g/ml, ben oltre quello dell’alluminio. Le poliuretaniche arrivano fino ad un coefficiente di dissipazione di 1,6 K (W/°K m), e spaziano in campi di temperatura che vanno da -50°C a +160°C. Le resine epossidiche e siliconiche arrivano ad una conduttività termica di oltre 4,5 K. Esistono poi resine speciali con filler di argento o gallio che arrivano rispettivamente fino a 8 K o perfino 13 K, ma hanno costi proibitivi per la scala industriale e il loro utilizzo si limita a produzioni altamente specializzate.
La presenza di filler abrasivi comporta enormi sfide per i sistemi di erogazione di queste resine. Quasi ogni tipo di pompa impiegata va incontro ad una grave usura meccanica che comporta una riduzione progressiva della precisione in erogazione, crescenti costi di manutenzione e significativi periodi di fermo macchina. Per ridurre al minimo questi problemi è essenziale utilizzare i giusti sistemi di preparazione ed erogazione. I sistemi con pompa a ingranaggi, ad esempio, non sono adatti a gestire materiali abrasivi, perché l’interferenza meccanica pregiudicherebbe rapidamente la vita operativa della pompa. Lo stato dell’arte per l’erogazione di resine bicomponenti per la dissipazione termica sono i sistemi di dosaggio volumetrico a pistoni con miscelatore statico usa e getta. Si tratta dei sistemi in cui si è specializzata Atra, in collaborazione esclusiva per l’Italia con il partner tedesco Scheugenpflug.
I vantaggi della pompa volumetrica a pistoni
Il mercato propone molte diverse tecnologie, ma anni di ricerca e lavoro sul campo con numerose applicazioni hanno convinto Atra che quella a pistoni sia la più performante. Nella pompa a cavità progressiva PCP, ad esempio, lo scorrimento tra rotore e statore comporta l’usura di tutte le parti rotanti. Le più moderne viti ceramizzate riducono leggermente il problema, che comunque rimane per la parete interna dello statore in polimero. Anche nella pompa a pistoni naturalmente le paste abrasive comportano inevitabili sfregamenti meccanici, ma alcuni accorgimenti tecnici esclusivi sviluppati da Atra e Scheugenpflug hanno migliorato la resistenza di ogni parte coinvolta.
In primo luogo, mentre il pistone lavora, la sua parte posteriore viene opportunamente lubrificata. Inoltre le valvole di immissione della resina (altro elemento critico) sono realizzate con membrane speciali che permettono di controllare il passaggio del fluido abrasivo senza contatto diretto. Durante l’azione di chiusura, l’elasticità della membrana riduce il carico delle particelle abrasive presenti sulle sedi metalliche della valvola. La flessibilità della membrana evita così il logoramento della sua sede.
Queste particolari soluzioni tecniche si trovano anche nell’unità di alimentazione e degasaggio di Scheugenpflug. Per evitare l’abrasione della valvola di immissione del materiale, è stata inserita una speciale tenuta che evita lo schiacciamento del materiale tra le parti metalliche. I filler sono così forzati al contatto con l’elastomero, che di fatto assorbe la deformazione.
Queste soluzioni tecniche esclusive stanno trovando sempre maggior riconoscimento presso aziende di ogni dimensione. Un’importante integratore internazionale nel settore automotive, ad esempio, aveva scelto in passato pompe a cavità per dispensare materiale altamente abrasivo durante la lavorazione di moduli di potenza. L’azienda aveva un’esigenza produttiva di molte migliaia di pezzi al giorno, 24/7, su più linee. Si verificava tuttavia un problema di tenuta posteriore, un’usura sistematica della guarnizione dell'albero motore, e dopo un certo numero di cicli arrivava inevitabilmente lo sgocciolamento di materiale. Valutati complessivamente i costi di manutenzione, ricambistica e fermo linee, l’azienda si è rivolta ad Atra per installare teste volumetriche a pistoni DOS P.
Un altro vantaggio considerevole delle teste a pistoni è che una singola testa di dosaggio può lavorare contemporaneamente in parallelo su pezzi multipli, fino ad un massimo di dodici. Per dosare in contemporanea più pezzi con una resina bicomponente, il sistema di Atra può impiegare una macchina unica, con un unico motore, mentre altri produttori dovrebbero mettere in campo un motore per ogni pompa, con evidenti maggiori investimenti, manutenzioni e costo dei materiali di consumo.
Essendo poi un sistema unico a più uscite, la testa multipla di Atra garantisce una perfetta uniformità di dosaggio da ciascuno degli ugelli. Al contrario, eventuali sistemi indipendenti comportano possibili difformità di erogazione causate da variazioni elettriche tra i diversi motori, oppure meccaniche o di usura asimmetrica tra le diverse teste. Queste difformità possono aumentare esponenzialmente durante la vita del sistema.
La pompa a pistoni presenta importanti vantaggi anche dal punto di vista manutentivo. Nella DOS P TCA di Atra, ad esempio, la membrana interna si usura molto più lentamente dello statore di una pompa a cavità, è più piccola, più economica, e può essere sostituita in pochi minuti. È poi interessante notare che, nonostante il prezzo della testa di dosaggio naturalmente aumenti all’aumentare della sua dimensione e del numero di ugelli, un sistema multiplo a motore singolo diventa proporzionalmente sempre più competitivo all’aumentare della sua complessità e del numero di punti di dosaggio previsti.
Il rapporto costo/benefici tra pad e dosaggio 2K
Anche dal punto di vista economico, per progetti che prevedono grandi volumi produttivi, automazione e precisione, l’uso di un’interfaccia di dissipazione liquida tende ad essere più vantaggioso rispetto a quello di una soluzione basata sui pad. Nonostante i costi di investimento iniziale per il sistema, infatti, le caratteristiche del lavoro finito presentano vantaggi ineguagliabili.
Grazie all’altissima precisione e affidabilità delle teste DOS P TCA, ad esempio, è possibile personalizzare e modificare l’applicazione sul pezzo, anche nel caso di variazioni del progetto nel corso della produzione. L’applicazione nel suo insieme è fino a tre volte più veloce. La conduttività termica (a parità di materiale) è più elevata, si adatta meglio al substrato e non stressa meccanicamente i componenti sensibili durante l’applicazione. I costi di stoccaggio, movimentazione e assemblaggio sono ridotti. Più importante ancora, è possibile scendere fino a spessori molto sottili (riducendo il costo) e migliorare al tempo stesso lo scambio termico: con l’applicazione di materiali TCA liquidi 1K o 2K questo risultato è a portata di mano.
La precisione di dosaggio in miscelazione, quantità erogata e posizione sul pezzo è essenziale anche nel garantire la duplice funzione di una resina TCA: conducibilità termica e proprietà adesive tra substrato e mezzo di dissipazione. Anche in materiali con un alto coefficiente di dissipazione K3 o K4, infatti, uno strato troppo sottile renderà più difficile il contatto completo, mentre l'applicazione di uno strato troppo spesso avrà un effetto isolante (oltre ad aumentare i costi). Inoltre, una concentrazione troppo elevata di filler migliorerebbe le proprietà di dissipazione termica ma comporterebbe l'immediata degradazione delle proprietà adesive. Al contrario, una concentrazione troppo bassa rischierebbe di non dissipare correttamente il calore.
Concludendo, i sistemi di dosaggio volumetrico a pistoni con miscelatore statico usa e getta si stanno rivelando la scelta più affidabile nel campo dell’erogazione di resine bicomponenti per la dissipazione termica. Garantiscono altissima precisione volumetrica, ridotti costi di manutenzione, erogazione veloce e ripetibile, possibilità di lavorare in dosaggio multiplo parallelo su più pezzi contemporaneamente con un solo motore. È importante ricordare questi aspetti al momento della scelta del proprio impianto, perché spesso sistemi apparentemente vantaggiosi sotto il profilo del prezzo si rivelano poi problematici in termini di manutenzione e ricambi.