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Bringing art into engineering

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Il valore aggiunto delle TECNOLOGIE viste da un punto di vista ingegneristico: Tecnologie edili, meccaniche, motoristiche e dei materiali. Cenni di scienze accompagnano l’approfondimento dei concetti fondamentali.

Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 4: Esempi ed applicazioni

Posted by Raffaele Berardi on 22 febbraio 2017

Rubrica: Prototipazione rapida

Titolo o argomento: Stampa 3D di tipo Liquid-Based

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Applicazioni

La stampa 3d stereolitografica trova largo impiego nella realizzazione di anteprime di prodotti; nella realizzazione di modelli destinati a test di design, nonché analisi e verifica della funzionalità; per prototipi di strumenti e utensili; per la produzione di piccoli volumi di strumenti direttamente utilizzabili (Rapid Tooling) come ad esempio dime, maschere, fissaggi, sostegni, centraggi, chiavi speciali; modelli per fusione a cera persa, colata in sabbia e stampaggio.

Derby, il cane con le protesi stampate mediante stereolitografia

Grazie alla stampa 3d stereolitografica è possibile costruire persino protesi direttamente utilizzabili. Nei corridoi della tecnologia ha avuto un notevole rilievo la tenera storia che ha visto Derby, uno splendido Husky, dapprima impossibilitato nell’uso delle zampe anteriori e poi fortunatamente riabilitato grazie all’impiego di protesi studiate su misura per i suoi arti.

L’implementazione è cominciata con una accurata scansione 3d degli arti anteriori di Derby, questo ha permesso di studiare l’anatomia esatta delle sue zampe e disegnare al CAD una varietà di soluzioni che è stato possibile testare rapidamente, e con costi contenuti, grazie alla stampa 3d di ogni modello mediante stereolitografia.

Una volta ottenuto il modello che permetteva un appoggio corretto e indolore degli arti, si è provveduto ad ottimizzarne le restanti geometrie per garantire una corretta presa a terra, l’assenza di interferenze tra le due protesi durante i movimenti tipici del cane in fase di “passeggiatina, zompetti e corsa”, nonché la sicurezza di movimenti morbidi, intuitivi che non provocassero particolari difficoltà passando da superfici solide a terreni argillosi. Prima dell’incontro tra Derby e Tara Anderson, esperta di stampa 3d presso la 3D Systems, Derby poteva muoversi solo su superfici morbide e per tempi ridotti… ora corre fino a 4 chilometri al giorno : )

Prospettive Bioingegneristiche

Questo tipo di tecnologia si sta espandendo notevolmente anche nel settore delle protesi ortopediche per l’uomo e nel settore della tecnologia odontotecnica ove ad esempio si inizano a stampare in 3d maschere di foratura per l’implantologia di denti finti (quelli con innesto mediante vite in titanio, per intenderci) nelle relative ossa, mascellare e mandibolare. Interessante anche la prototipazione di organi e tessuti verso cui sta volgendo la ricerca scientifica e di cui parleremo meglio più avanti.

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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 1: Tecnica
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 2: Fotopolimeri e Fotopolimerizzazione
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 3: Pro e contro, R&D
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 4: Esempi ed applicazioni

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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 3: Pro e contro, R&D

Posted by Raffaele Berardi on 19 febbraio 2017

Rubrica: Prototipazione rapida

Titolo o argomento: Stampa 3D di tipo Liquid-Based

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Pro e contro

A favore della prototipazione rapida mediante Stereolitografia SLA giocano fattori come la possibilità di lavorare in continuo, anche tutto il giorno, persino senza operatore. E’ possibile costruire prototipi i cui volumi vanno da un cubo di lato pari a 25 centimetri fino a parallelepipedi di circa 70 x 60 x 50 centimetri. Il livello di accuratezza della stampa SLA è molto buono e ne consente l’uso praticamente in tutti i campi tecnologici. La finitura delle superfici è tra le migliori in assoluto dell’intera gamma di tecnologie per la stampa 3d. Infine c’è un ampio range di materiali impiegabili in questa specifica tecnica di stampa che consente di generare modelli decisamente realistici e addirittura direttamente utilizzabili come ad esempio nel campo delle protesi.

D’altra parte la stampa stereolitografica richiede strutture di supporto. I modelli 3d che hanno sporgenze e incavi (sottosquadri) devono avere strutture di sostegno che vengono stampate assieme ai modelli stessi. Tali strutture devono poi essere rimosse e questo richiede un lavoro extra, con la conseguente perdita di tempo, nonché il rischio di danneggiamento del modello 3d appena realizzato. Nota finale, per garantire la corretta robustezza del pezzo che si va ad ottenere, è importante sottoporlo ad un trattamento finale di indurimento onde evitare possibili rotture.

Ricerca e sviluppo

La ricerca è orientata ad ottenere resine con caratteristiche meccaniche via via superiori, processi di stampa più rapidi, software che offrono più funzioni, una tecnologia mirata ad ottenere stampi a basso costo per materiali termoplastici quali polipropilene, nylon, ABS, polietilene e policarbonato, nonché per la produzione di maschere, dime, supporti, utensili, guide, centraggi e tutto ciò che occorre come rapido ed efficiente ausilio alla produzione (ovvero l’ambito definito Rapid Tooling).

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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 1: Tecnica
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 2: Fotopolimeri e Fotopolimerizzazione
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 3: Pro e contro, R&D
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 4: Esempi ed applicazioni

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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 2: Fotopolimeri e Fotopolimerizzazione

Posted by Raffaele Berardi on 2 febbraio 2017

Rubrica: Prototipazione rapida

Titolo o argomento: Stampa 3D di tipo Liquid-Based

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Fotopolimeri

Ci sono diversi tipi di resine fotosensibili (o fotopolimeri) che possono solidificare se esposte a radiazioni elettromagnetiche che vanno dalle lunghezze d’onda dei raggi gamma, raggi X, raggi UV, radiazioni visibili all’occhio umano o, addirittura, raggi di elettroni (EB). Nella stampa 3D la sorgente elettromagnetica più utilizzata è quella dei raggi UV. Le resine fotosensibili agli UV sono formulate da monomeri liquidi reattivi, da agenti indurenti (che catalizzano la reazione aumentandone opportunamente la velocità) e da opportune polveri, filler e additivi utili a modificare le proprietà delle resine stesse.

Fotopolimerizzazione

La fotopolimerizzazione consiste in un processo analogo a quello della polimerizzazione ma basato su una reazione fotochimica ottenuta mediante l’induzione di energia emessa da sorgenti di radiazione elettromagnetica (E=h·ν dove “h” è la costante di Planck e “ν” la frequenza della radiazione elettromagnetica) quali ad esempio i raggi UV. La polimerizzazione, nella fattispecie la fotopolimerizzazione, assembla piccole molecole, dette “monomeri”, in catene di molecole che si ripetono in sequenza, dette “polimeri”. La reazione chimica è di tipo esotermico, ovvero con emissione di calore ed è accelerata grazie all’impiego di un catalizzatore, solitamente un radicale libero, generato termicamente o fotochimicamente. I radicali liberi generati mediante il processo fotochimico si ottengono grazie ad un fotoiniziatore che reagisce con la radiazione attinica, in questo caso i fotoni della luce ultravioletta, ovvero quel tipo di radiazione in grado di agire chimicamente su diverse sostanze. La luce attinica, quindi, agisce sul fotoiniziatore producendo un radicale libero il quale catalizza il processo di polimerizzazione. Affinché questo abbia luogo correttamente le catene di polimeri dovranno essere saldamente formate in un reticolo stabile che eviti la redissoluzione in monomeri liquidi. Le strade percorribili sono due: una lunga esposizione, incompatibile con i tempi ed i costi di prototipazione e produzione, oppure un laser ad elevata potenza.

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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 3: Pro e contro, R&D
Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 4: Esempi ed applicazioni

Fotopolimerizzazione

La luce attinica, quindi, agisce sul fotoiniziatore producendo un
radicale libero il quale catalizza il processo di polimerizzazione.
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Stampa 3D: Stereolitografia SLA – Parte 1: Tecnica

Posted by Raffaele Berardi on 28 gennaio 2017

Rubrica: Prototipazione rapida

Titolo o argomento: Stampa 3D di tipo Liquid-Based

Tecnica

La Stereolitografia SLA (StereoLitographic Apparatus) è una tecnica di stampa 3D introdotta da 3D Systems nel 1988, essa permette di realizzare oggetti in plastica direttamente dai dati forniti dal file CAD e convertiti in un formato denominato STL (Stereolithographic file). Il processo inizia in una vasca nella quale viene immessa una resina liquida fotosensibile. All’interno della vasca è immerso un elevatore che, inizialmente, è  posto appena sotto il livello della resina fotosensibile ed è dotato di supporti atti a sostenere il pezzo che verrà realizzato.

L’operatore carica un file CAD che un sistema di traduzione converte in automatico in STL dopodiché l’unità centrale provvede a tagliare il modello 3D in sezioni (operazione di slicing) da 0,025mm fino ad un massimo di 0,5mm di spessore. Il computer controlla un sistema ottico basato su laser che va a polimerizzare, solidificando, uno strato di resina per volta; ogni strato corrisponde alla relativa sezione 2D in cui è stato suddiviso il modello. L’elevatore si abbassa di uno strato, ogni volta che una sezione 2D è stata ultimata, fino ad immergere l’intero prototipo al suo completamento. In questo modo c’è sempre uno strato di resina liquida pronta a polimerizzare nella parte superiore esposta al raggio laser.

Una lama, posta sulla superficie della resina, pulisce e riprepara lo strato successivo di resina in modo omogeneo per la polimerizzazione seguente (un po’ come se stendeste con una spatola il miele o una crema all’interno di una formina metallica per torte). Ora il laser può disegnare il nuovo strato. Al termine del processo il modello 3D fisico ottenuto viene estratto dalla vasca e sottoposto a pulizia dall’eccesso di polimeri.

I componenti principali dell’impianto sono: il computer (con il relativo software a corredo), l’unità centrale (controller), il pannello di controllo, il sistema laser (con la relativa ottica), la vasca, il sostegno elevatore (con i relativi supporti) e la lama di ripristino e omogeneizzazione dello strato superficiale.

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Video

Trovate un interessante video sulla stampa SLA professionale al seguente link:
https://www.youtube.com/watch?v=Gs5R3PHavSI

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Passaggio laser su resina fotopolimerica

Osservando il bagno di resina fotopolimerica si notano i rapidi movimenti
del laser intento a polimerizzare il nuovo strato.
Image’s copyright: 3dsystems.com

Estrazione pezzo da fotopolimerizzazione resina - Stampa 3d SLA Stereolitografica

Il sollevatore estrae il pezzo fotopolimerizzato dal bagno di resina.
Image’s copyright: 3dsystems.com

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Intervento di assistenza tecnica sull’Electrolux Trilobite 2.0 – Parte 1

Posted by Raffaele Berardi on 10 gennaio 2017

Rubrica: Robotica

Titolo o argomento: Intervento sui motori stepper dell’Electrolux Trilobite 2.0

L’Electrolux Trilobite 2.0 rappresenta il Robot aspirapolvere per eccellenza, si tratta di un prodotto avveniristico se consideriamo le caratteristiche generali del progetto e, soprattutto, se pensiamo che è stato immesso sul mercato circa 15 anni prima dei prodotti della concorrenza (estremamente raro che accada).

Oggi un bambino con un LEGO Mindstorms può fare di meglio, ovvio. Un ragazzo neodiplomato, mediante schede quali Arduino o le roboRIO e myRIO della National Instruments può persino ambire a costruire un prodotto realmente funzionante e soggetto a numerosi stadi di sviluppo nel tempo (magari con progetti “aperti” ovvero i famosi Open Source).

Le pecche del Trilobite 2.0 sono rappresentate dal costo estremamente elevato che aveva all’epoca (circa 1600,00 Euro nel 2002, scesi poi intorno ai 1200,00 Euro, se non vado errato, negli anni a seguire) e dall’assistenza tecnica disponibile solo in Francia. Il problema del costo è stato risolto con il suo successore, il Motionsense (ERV5210TG), andando in contro alle nuove esigenze di mercato.

Per l’assistenza tecnica invece ci siamo attrezzati di teorie meccatroniche e tanta, tanta pazienza (grazie al trasferimento tecnologico il servizio ora è anche offerto su www.berardi-store.eu). Questo ha reso possibile intervenire su una buona parte degli errori che si possono verificare durante la “vita” del robot, partendo da banali problemi riguardanti i sensori di contatto, quelli ad infrarossi e quelli ad ultrasuoni, passando per problemi di alimentazione, la cura delle celle, la loro manutenzione, l’eventuale sostituzione, il controllo del sistema di ricarica, continuando poi con il sistema di aspirazione e filtraggio, fino agli interventi sui motori stepper, ed i relativi encoder, che azionano le ruote, ne riconoscono la posizione e permettono al robot, dialogando con l’unità centrale, di sapere in ogni momento come è posizionato (rispetto alla base di partenza e rispetto agli ostacoli che sta incontrando sul suo percorso).

Nella galleria fotografica esposta di seguito uno splendido Trilobite di circa 15 anni al quale, per mio errore, ho danneggiato un motore stepper, quello della ruota sinistra. Per anni e anni ho lasciato un espositore a terra sul quale lui puntualmente saliva, anche con un certo impegno… e dai e dai ho bruciato un motore. Ma potete immaginarvelo come sono gli studi e i laboratori dei secchioni, no?!

L’intervento per aprire l’intero Robot e verificare la provenienza dell’errore che lo ha fermato, nonché l’entità del danno, non è proprio una passeggiata. L’errore è sempre dietro l’angolo e si rischia di danneggiare facilmente parti molto costose. Anche i ricambi iniziano ad essere meno disponibili. I soli motori stepper ad esempio non sono disponibili e viene offerta solo la possibilità di acquistare l’intero set ruota comprensivo anche di sospensione, trasmissione, stepper ed encoder. Avere però numerose aziende nel mondo con le quali si dialoga per aggiornamenti tecnologici o per ordinare componentistica utile ai nostri prototipi offre qualche vantaggio, come vedremo nel seguito.

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Intervento di assistenza tecnica sull’Electrolux Trilobite – Parte 1
Intervento di assistenza tecnica sull’Electrolux Trilobite – Parte 2

Electrolux Trilobite smontato pezzo per pezzo Elettronica Electrolux Trilobite Display Electrolux trilobite e ruota motrice sinistra dotata di stepper e trasmissione Suggestiva vista del robot aspirapolvere Electrolux TrilobiteScocca superiore Electrolux Trilobite Dettagli Electrolux Trilobite Elettronica in primo piano - Electrolux Trilobite Primo piano elettronica Electrolux Trilobite Componenti Electrolux Trilobite Componenti Electrolux Trilobite - Cover e pacchi batterie Vista dal retro dei sensori ad infrarossi e ad ultrasuoni Electrolux Trilobite durante l'assistenza tecnica

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 3 – Soluzione definitiva

Posted by Raffaele Berardi on 23 dicembre 2016

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

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Con la scheda di carica dedicata per le singole celle Li-Poly, connessa all’alimentatore da laboratorio, è stato possibile raggiungere una piena carica dei due banchi di celle che risultavano fuori tensione. Empiricamente è possibile rendersi conto che le celle riescono a sopportare “qualche” maltrattamento “oltre i limiti” se il periodo di tempo non è prolungato, se la situazione non si ripete un numero eccessivo di volte e se il pacco batterie non viene utilizzato durante la situazione anomala. L’operazione di ripristino è stata condotta con la strumentazione dedicata in modo preciso e monitorato verificando non solo le tensioni ma la quantità di cariche effettivamente introducibili nelle celle che hanno subito lo stress da sottotensione. Una volta raggiunte le 10 tensioni massime equalizzate, con uno sbilanciamento contenuto in pochi millivolt, è stato di nuovo possibile utilizzare il pacco batterie, scaricarlo e ricaricarlo con il normale caricatore avendo l’accortezza di monitorare tutti i passaggi dei diversi stati di utilizzo e verificare che ogni cosa fosse tornata al proprio posto.

Ora che la condizione per il pacco è fuori dalla situazione di pericolo risulta opportuno segnalare al costruttore della scheda BMS il consumo anomalo che l’elettronica esercita sulla 7a e 10a fila di celle, problema che però si verifica esclusivamente lasciando acceso  il sistema a pacco inutilizzato. Seguiranno numerosi test per controllare che le celle non abbiano subito una sorta di trauma irreversibile e vadano repentinamente a scaricarsi di nuovo nei settori incriminati.

Durante la fase di carica, se nella serie c’è una cella degradata, ovvero con capacità ridotta, c’è il pericolo che al raggiungimento della carica completa essa sarà soggetta a sovraccarica per tutto il tempo impiegato dalle altre celle a raggiungere anch’esse lo stato di carica completa. Il risultato è un possibile aumento di temperatura e pressione che può danneggiare la cella “traumatizzata”. Durante la scarica, la cella più degradata sarà soggetta ad una profondità di scarica maggiore e tenderà a fallire prima delle altre (fonte ENEA).

La capacità (espressa in Ah, Ampere Ora) è il parametro di riferimento dello stato di attività della cella. Una sua variazione rispetto ai dati di targa offre importanti informazioni riguardo la reale disponibilità di energia ed allo stato di invecchiamento delle celle. Le capacità delle celle che costituiscono un pacco batterie dovrebbero essere simili, questo per evitare un comportamento non uniforme che comporterebbe una distribuzione non omogenea della tensione in ogni cella con diminuzione complessiva delle prestazioni del pacco.

Ci sono molte cause di disequalizzazione delle celle. Uno dei fattori principali è connesso con il principio generale che non tutte le celle sono realmente uguali. Ciò accade per via delle inevitabili tolleranze di produzione. Altri fattori sono la distribuzione di temperatura all’interno del pacco ed il diverso invecchiamento delle celle oppure anomalie che possono verificarsi in seguito ad errori di funzionamento dell’elettronica (come nel caso riportato in questa serie di articoli) che, se protratti nel tempo, possono lasciare segni permamenti. Il tutto si traduce in variazioni nell’impedenza interna, che è il parametro secondo il quale le celle si comportano durante i processi di carica e scarica.

Quando una cella è danneggiata oltre un certo limite, deve essere sostituita l’intera batteria oppure deve essere rimossa la fila di celle in serie che presentano l’anomalia andando così a ridurre la tensione massima raggiungibile. In alternativa le conseguenze sarebbero estremamente costose. La sostituzione della singola cella non risolverebbe il problema poiché le caratteristiche di una cella “fresca” sarebbero abbastanza differenti da quelle delle celle invecchiate e ciò aumenterebbe le possibilità di rottura.

Mediante l’equalizzazione passiva ogni cella (o gruppo di celle in parallelo) ha in parallelo la serie di un resistore e un elemento di commutazione (interruttore). Gli interruttori vengono comandati da una logica di controllo che chiude selettivamente le batterie che hanno raggiunto la carica completa sulle rispettive resistenze: l’intera corrente di carica bypassa le celle completamente cariche e l’energia ad essa associata viene dissipata sulle resistenze, fino a che le celle più deboli, che continuano a caricarsi, raggiungono anch’esse lo stato di carica completa.

I principali fattori di rischio per le batterie, di qualunque tipo esse siano, sono la sovraccarica o la scarica troppo profonda. Il primo fattore può portare alla distruzione della batteria, mentre il secondo può condurre ad una riduzione permanente della capacità massima immagazzinabile ed è proprio questo il parametro che nel nostro caso dobbiamo tenere sotto controllo per sapere se l’anomalia è stata tollerata o se si sono superati i limiti oltre i quali è avvenuto un cambiamento chimico completo e irreversibile.

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 2 – Soluzione provvisoria
Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie Li-Ion. Parte 3 – Soluzione definitiva

Connessione alimentatore da laboratorio, abbinato alla scheda dedicata per le celle agli ioni di litio, al singolo banco di celle in serie

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 2 – Soluzione temporanea

Posted by Raffaele Berardi on 23 dicembre 2016

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

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Non potendo utilizzare il normale caricatore del pacco batterie 40-42 Volt per caricare un solo banco di celle in serie, in quanto da solo corrisponde ad una frazione della tensione totale (in questo caso un decimo), ci siamo dovuti ingegnare in altro modo. Mediante un alimentatore da laboratorio è stato possibile impostare valori di tensione e corrente ideali per una singola fila di celle (nel caso delle Li-Poly, 4,2 Volt e circa 2 Ampere di corrente). Il problema è che le celle agli ioni di litio, a differenza di quelle al piombo o al nichel cadmio, non si possono caricare con una corrente continua ma con una corrente a impulsi.

Per ottenere questo proposito tra l’alimentatore e le celle va interposta una specifica scheda di carica per le celle agli ioni di litio. In attesa dell’arrivo di questa particolare scheda, non potendo la fila di celle numero 7 rimanere a lungo in stato di sottotensione, abbiamo posto rimedio alla situazione utilizzando un alimentatore della LEGO degli anni ’80 che veniva impiegato per i trenini 12 Volt. Questo alimentatore è dotato di un potenziometro il quale, mediante un multimetro, è stato tarato a 4,160-4,180 Volt erogando una corrente di 0,8 Ampere (di meglio non era proprio possibile). L’intervento ha avuto successo, le celle hanno accettato la carica portandosi rapidamente al di fuori della zona di rischio (sottotensione < 2,7 Volt).

La soluzione ovviamente non può ritenersi definitiva ma di puro e semplice tamponamento in attesa dell’arrivo della scheda dedicata per la carica delle singole file di celle li-ion. Un rimedio improbabile ha evitato che le celle permanessero troppo a lungo in uno stato chimicamente sfavorevole. A tensioni basse, infatti, la corrente del collettore può dissolvere il rame nell’elettrolita: ciò formerà delle placche sulle particelle dell’anodo di grafite, le quali inibiranno l’utilizzazione dei materiali attivi e ridurranno le prestazioni e la vita delle celle (fonte ENEA). Il riproporsi per più volte di questi bassi valori di tensione, può condurre alla formazione di dendriti di rame e provocare corto circuiti all’interno delle singole celle.

Di grande aiuto è stata la protezione elettronica da sottotensione che non ha permesso l’utilizzo del pacco in presenza di questa anomalia, nonché l’interfaccia che ci ha permesso di individuare, tramite una comunicazione seriale (RS232 convertita a USB con una seriale virtuale) i settori colpiti dall’anomalia.

La corrente proveniente dal solo alimentatore da laboratorio non è stata accettata dalle celle mentre quella proveniente dall’alimentatore della LEGO sì. E’ da osservare che l’alimentatore da laboratorio ha una ridottissima tensione e corrente di ripple (il residuo di alternata presente nella tensione e corrente continua) mentre l’alimentatore LEGO non presentava valori così puri di tensione e corrente continua e, inoltre, i valori di tensione oscillavano fortemente andando quasi a simulare degli impulsi (discorso che approfondiremo debitamente in seguito).

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Alimentatore LEGO 0-12 Volt

Connessione alimentatore LEGO al singolo banco di celle in serie Connessione alimentatore LEGO al singolo banco di celle in serie

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Diagnosi anomalia e intervento di ripristino su un pacco batterie agli Ioni di Litio ad elevate prestazioni per impiego nel settore Automotive & Motorsport. Parte 1 – Rilievo dati

Posted by Raffaele Berardi on 22 dicembre 2016

Rubrica: Strumenti per il Lab

Titolo o argomento: Rilievo e correzione di anomalie (quando possibile)

Anche l’elettronica più sofisticata alle volte fa cilecca e, nei casi che meno immagineremmo sono spesso le soluzioni più semplici a venirci in contro per risolvere un problema tecnico anche complesso. E’ il caso del sofisticato pacco batterie agli ioni di litio oggetto dell’analisi di questo articolo. Oltre ad una risma di celle opportunamente collegate in serie ed in parallelo, il pacco è dotato di un’elettronica a corredo per la gestione, il controllo e la protezione dello stesso. E’ presente un Battery Management System che si occupa di verificare la tensione delle celle in serie verificando sovra e sotto tensioni e, quando necessario, operare il bilanciamento tra le celle in modo passivo andando a ridurre la tensione di quelle che hanno il valore più alto trasformando l’energia elettrica in calore (ottenendo quindi un bilanciamento mediante perdita di energia). L’elettronica è autoalimentata dal pacco stesso ed è inoltre dotata di sensori di temperatura, sonda di corrente, teleruttore per l’accensione e lo spegnimento del sistema. Un’interfaccia grafica (immagine in basso) permette di visualizzare sul computer i dati tenuti sotto controllo, effettuare dei datalogging e delle diagnosi.

Il problema che si è verificato è partito proprio dall’elettronica a corredo, il pacco batterie è stato lasciato acceso un giorno intero, anche se inutilizzato, e l’elettronica, a riposo, ha assorbito energia in modo anomalo dalla settima e dalla decima fila di celle in serie. Il BMS, che solitamente effettua il bilanciamento al termine della carica, non ha operato alcun bilanciamento con l’impianto acceso in stato di stand-by perché questa logica di funzionamento non era prevista e/o perché la scarica esercitata dall’elettronica sulla settima e decima fila di celle superava di gran lunga i pochi millivolt bilanciabili attraverso le resistenze. Lo sbilanciamento, solitamente contenuto entro i 4-8 mV è arrivato a 2 Volt, un valore enorme. La settima fila di celle è scesa di tensione fino al pericolosissimo valore di 2,1-2,2 Volt e non è stato possibile intervenire caricando con il normale caricatore in quanto tutte le altre file di celle in serie raggiungevano in pochi secondi il loro massimo potenziale ponendo fine alla fase di carica.

Una volta intercettata la cavetteria che connette le file di celle in serie alla scheda del BMS, ed identificati i singoli poli di ogni banco, è stato possibile optare per connettere un carico ad ogni coppia di poli (positivo, negativo) al fine di scaricare tutte le altre file e ridurre l’imbalance. Naturalmente non era certo possibile scendere fino a 2,2 Volt (dato che il valore limite di tensione minima, teoricamente, è di 2,7 Volt), in alternativa era invece possibile operare in modo opposto andando a caricare solo le file di celle a rischio, ovvero i due banchi nei quali è stata rilevata una tensione anomala. Ma per poter effettuare questo tipo di carica di emergenza era necessario fornirsi di un’alimentazione 4,2 Volt, quindi una sorta di caricatore idoneo per una sola fila di celle al posto del caricatore ordinario 40-42 Volt. Ed è proprio qui che si sono complicate le cose.

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Schermata interfaccia BMS pacco batterie agli ioni di litio

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Le torri dissipative, un ottimo ausilio contro i terremoti

Posted by Raffaele Berardi on 2 novembre 2016

Rubrica: Tecnologie in edilizia

Titolo o argomento: Dissipare l’energia dei terremoti

Mentre il paese pensa ai fiori di lillà e non ci facciamo mancare ogni tipo di ossessione, ci sfugge qualcosa di più importante. L’Italia, la terra delle menti brillanti (tra i maggiori esportatori al mondo di cervelli), ha potenzialmente soluzioni per ogni cosa e la capacità di intraprenderle autonomamente essendo una primizia mondiale (purtroppo sovente mal custodita) in settori quali, le scienze, la medicina, l’ingegneria, la robotica, l’aerospaziale, l’energia, i materiali, l’industria, la fisica, l’arte, la cultura… e molto altro condotto sempre con doti quali la capacità di innovare, la creatività, l’originalità…

Penso però sia veramente un peccato che certe chicche del progresso siano masticate solo da tecnologi di settore e mai chiacchierate in larga diffusione affinché tutti ne conoscano quantomeno l’esistenza. Un esempio importante, in questo periodo di risveglio del nostro sottosuolo (con la serie di terremoti iniziata il 24 Agosto ed in realtà mai terminata, a memoria storica, dal 1700), è rappresentato dalle “Torri dissipative” brevettate con merito (con brevetto internazionale che comprende anche Cina, Giappone e Stati Uniti, affermatosi  nel 2013 al Salone Internazionale delle Invenzioni di Ginevra, la più importante esposizione di invenzioni al mondo), in una versione innovativa, dall’Ing. Alessandro Balducci dell’Università Politecnica delle Marche. All’evento queste innovative Torri dissipative hanno vinto la medaglia d’oro* e la menzione speciale nell’ambito della classe D, ovvero Costruzioni, Architettura, Edilizia civile.

*Il brevetto era in competizione, a Ginevra, con circa 800 invenzioni dal mondo delle imprese, istituti, università e inventori provenienti da 41 paesi, davanti a oltre 60.000 visitatori. La giuria internazionale era composta da 85 specialisti di ogni settore.

Le Torri dissipative sono state mostrate anche durante l’evento “Your Future Festival”, tenutosi presso l’Università Politecnica delle Marche nel 2014, dove studenti e visitatori ne hanno potuto apprezzare un fedele e funzionante modello in scala (immagini in basso). Si tratta di un dispositivo per la protezione sismica degli edifici, una protezione che potremmo definire di tipo attivo se paragonata ad esempio ai dispositivi di sicurezza dei veicoli.

La tecnologia sviluppata dall’Ingegner Balducci vanta una notevole efficacia (consente agli edifici di resistere anche a terremoti di grande intensità) e costi di applicazione decisamente contenuti (circa 150 Euro per ogni metro quadro). Tanto per capirci con il costo di una piccola utilitaria si può evitare di perdere la casa (previa possibilità di installazione del dispositivo) o importanti strutture come scuole e ospedali.

Il sistema prevede l’applicazione di torri (costituite da tralicci metallici) all’esterno degli edifici. Queste vengono posizionate in modo strategico, a ridosso dei punti critici delle strutture, al fine di assorbire le oscillazioni degli edifici e scaricarle alle loro basi. Tali basi sono vincolate a terra tramite un appoggio centrale a cerniera sferica (immagini in basso) e le oscillazioni sono controllate da dispositivi di dissipazione montati su manovellismi di amplificazione degli spostamenti, disposti radialmente per risultare attivi in tutte le direzioni. L’effetto che ne deriva si traduce in una significativa riduzione delle accelerazioni e degli spostamenti dell’edificio. Il sistema, in quanto esterno, può essere applicato agli edifici senza interferenze con gli spazi e quindi senza interrompere l’operatività delle funzioni degli edifici stessi: per questo è stato giudicato particolarmente adatto a ospedali e scuole.

La prima realizzazione in assoluto delle torri dissipative è stata operata presso una scuola, il Liceo Benedetto Croce di Avezzano, seguito poi dal Liceo da Varano nel centro di Camerino e dal complesso Ospedaliero di Torrette di Ancona. L’applicaione sta ora avendo successo a livello mondiale.

Maggiori informazioni

Per maggiori informazioni trovate tutta la documentazione necessaria ed i contatti con l’Ingegner Alessandro Balducci, al seguente link: www.torridissipative.com

Curiosità

Il sistema di connessione del traliccio all’edificio è assimilabile ai triangoli delle sospensioni che nelle vetture connettono le ruote al telaio.

Il traliccio della torre è di per sé assimilabile al telaio in tubi a traliccio di una vettura o di una moto da corsa.

Il sistema di dissipazione dell’energia alla base della torre è invece assimilabile al sistema di leveraggi di una sospensione motociclistica.

Torri dissipative innovative - Ing. Balducci

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