La giapponese DENSO rielabora le unità controllo motore, ricambi auto piccoli ma potenti
L’industria automobilistica globale si sta adoperando per adattarsi a una serie di importanti trasformazioni: l’aumento delle normative imposte dai governi e l’accordo di Parigi sui cambiamenti climatici, le sconvolgenti scoperte tecnologiche (alcune delle quali mettono l’industria in concorrenza diretta con giganti della tecnologia come Google) e le richieste dei consumatori per una maggiore efficienza e minori emissioni di carbonio.
A tal fine, le case automobilistiche sono alla ricerca di metodi per migliorare le prestazioni del motore e ridurre il peso del veicolo, riesaminando le oltre 30.000 parti che compongono un’auto, come il volante, i pedali, i sedili, il motore, i freni e un componente chiave abbastanza piccolo da essere contenuto nel palmo di una mano: l’unità di controllo motore (ECU).
L’ECU è un sistema di controllo dell’iniezione elettronica che permette di alimentare il motore fornendo la corretta quantità di carburante richiesta: in effetti è il “cervello” del motore. Questo sistema svolge un ruolo fondamentale perché ottimizza la quantità e la tempistica del carburante iniettato, migliorando le prestazioni di guida e riducendo la quantità di emissioni nocive.
Nel 2019, l’iF Design Award per la categoria Professional Concept è andato alla giapponese DENSO Corporation, uno dei principali produttori di componenti auto, per la sua ECU riprogettata. Fondata 70 anni fa, oggi DENSO sviluppa tecnologie per veicoli elettrici ed autonomi, intelligenza artificiale (IA), mobilità come servizio (MaaS) e anche calcolo quantistico. Per ottimizzare la ECU, Akira Okamoto, vice responsabile di progetto del design di prodotto di DENSO, ha utilizzato il design generativo per raggiungere due obiettivi critici: rendere il componente più leggero e aumentare le sue prestazioni termiche.
Okamoto sta sviluppando ECU da montare su piccoli motori diesel utilizzati nelle macchine edili ed agricole, incorporando il design generativo nel suo flusso di lavoro per creare modelli concettuali avanzati. “Fin dall’inizio, ho progettato i componenti tenendo sempre presente la leggerezza”, dice Okamoto. “Mi sono reso conto che avrei potuto utilizzare il design generativo per ridurre ulteriormente il peso”.
La “temperatura ambiente” del motore può raggiungere i 120 °C. Per funzionare senza problemi, la temperatura dell’hardware della ECU deve mantenersi inferiore a questa, disperdendo il calore attraverso il punto in cui entra in contatto con il blocco motore, dove le temperature sono di circa 105 °C.
“Posso avvalermi della mia esperienza per visualizzare una forma che disperda bene il calore”, dice Okamoto. “Tuttavia, un progetto leggero prevede meno percorsi per eliminare il calore, il che rende il suo trasferimento meno efficiente. Ho pensato che, con il design generativo, avrei potuto creare componenti usando nuove forme più leggere ma in grado di mantenere le loro proprietà di dispersione del calore”.
Risolvere il dilemma del trasferimento di calore
Nella sua ricerca, Okamoto ha utilizzato le funzionalità di design generativo presenti in Fusion 360 di Autodesk, anche se questo non dispone di parametri relativi al calore. “Per calcolare il calore, ho immaginato di trattarlo come un carico in modo che, aggiungendo il carico alle aree che necessitano di disperdere calore, si possa trovare la forma ottimale”, dice. Nel corso di questo procedimento, DENSO ha collaborato con i partner del gruppo Nichinan e con i designer Satoshi Yanagisawa e Yujiro Kaida.
Nel design generativo, l’intelligenza artificiale crea numerose variazioni di progetto in base ai parametri forniti dal progettista. Spulciando tra le scelte (scartando i progetti inadatti e accettando gli altri) si arriva al progetto ottimale. “Il nostro lavoro di progettazione per questa ECU è stato un susseguirsi di tentativi e di errori, e molti dei progetti generati sono stati inutilizzabili”, dice Okamoto. “Tuttavia, le varianti che potevano essere utilizzate hanno cominciato ad avere forme simili”.
“Ciò che mi è piaciuto di questo processo è stata la possibilità di realizzare una stampa 3D di un modello e avere una migliore percezione di come il calore poteva fluire attorno a quel componente”, continua. “Molti modelli erano brutti a prima vista, ma abbiamo iniziato a vedere la bellezza di questi progetti. Il progetto finale aveva una forma bellissima, che abbiamo modificato per consentirne la produzione con metodi convenzionali”.
Progettare per la produzione
Gli oggetti creati con il design generativo possono essere difficili da produrre senza la stampa 3D, che non è adatta alla produzione di massa. “Quando hai bisogno di decine di migliaia di parti, i costi e i tempi di produzione diventano sfide”, dice Okamoto. Per questo progetto, il team ha incorporato elementi del processo di design generativo in un pezzo che poteva essere realizzato con lo stampaggio a pressofusione convenzionale.
Per fare ciò, un involucro per circuito stampato di forma geometrica è stato realizzato e integrato con un telaio creato grazie al design generativo. Sono stati impiegati Alias SpeedForm e Fusion 360 di Autodesk per rastremare il corpo complessivo e conferirgli una forma morbida e sono stati apportati adeguamenti per la produzione tramite metodi convenzionali. “Abbiamo combinato gli elementi essenziali di ogni componente per creare la forma dell’unità complessiva”, dice Okamoto.
Un modello in piastra metallica del risultato si chiama Direct Mounted ECU Concept. “Abbiamo ottenuto una riduzione del 12% del peso complessivo”, dice Okamoto, “riuscendo a mantenere la capacità di dispersione del calore dell’originale. Il peso ridotto offre meno percorsi per la fuoriuscita del calore ma, poiché le prestazioni sono identiche, possiamo dire che la capacità esotermica del componente è migliorata rispetto all’originale”.
Sebbene Okamoto abbia sperimentato altri approcci per la riduzione del peso, come l’ottimizzazione topologica, questa è stata la prima volta che ha provato il design generativo. Ci sono voluti circa tre mesi per completare il progetto. “Malgrado ci sia voluto un po’ di tempo per arrivare al massimo, abbiamo ottenuto risultati in tempi relativamente brevi”, afferma Okamoto. “Pensiamo di poter realizzare guadagni ancora maggiori con le ECU più grandi, e abbiamo trovato aree che possiamo ulteriormente perfezionare nel prossimo ciclo di progettazione”.
“Se riusciremo ad alleggerire ogni singolo componente, anche di poco, il risultato complessivo sarà un’auto molto più leggera”, continua Okamoto. “Possiamo applicare questi risultati ad altri componenti, non solo alle ECU. L’ideale sarebbe utilizzare regolarmente questi metodi per alleggerire le automobili in generale. Attualmente questo modello è solo una proposta per i nostri clienti, ma il nostro prossimo obiettivo sarà quello di inserirlo nei componenti elettronici e testare le sue prestazioni per vedere i risultati concreti del nostro lavoro”.