Il ruolo fondamentale della saldatura nella produzione moderna di moduli
L’incollaggio nell’industria automobilistica sta acquisendo sempre più importanza, a partire dall’incollaggio dei parabrezza, di vari componenti interni di rifinitura e di componenti elettrici, fino a un crescente impiego in applicazioni strutturali. Viene inoltre ampiamente utilizzato nell’assemblaggio dei moduli batteria.
L’incollaggio, in sostituzione dei dispositivi di fissaggio meccanici, può offrire maggiore flessibilità progettuale, migliorare la stabilità meccanica e mitigare gli effetti di vibrazioni e urti.
L'incollaggio copre una vasta gamma di applicazioni, da quelle strutturali a quelle semistrutturali, flessibili e sensibili alla pressione, e può essere impiegato in contesti quali l'incollaggio tra celle, la protezione delle sbarre collettrici e le applicazioni di gestione termica.
Requisiti chiave di prestazione per l'incollaggio delle batterie
Le caratteristiche dell'incollaggio dipenderanno dall'applicazione.
Cavi per condizioni ambientali estreme
Indipendentemente dal fatto che si tratti di applicazioni per l’accumulo di energia a terra o per veicoli elettrici, i moduli batteria possono essere esposti a temperature estreme, sia di caldo che di freddo. Per l’industria automobilistica, le linee guida di progettazione impongono un intervallo compreso tra -40 °C e 80 °C, in cui vengono impiegati sistemi di raffreddamento e riscaldamento per ridurre al minimo il rischio di congelamento o surriscaldamento.
Nel caso delle applicazioni su veicoli, i giunti saranno soggetti a vibrazioni e dovranno essere sufficientemente resistenti da impedire guasti in caso di incidente. Per quanto riguarda l’incollaggio del coperchio, devono inoltre resistere ai sali stradali e garantire una tenuta a prova di perdite per i componenti interni del pacco batterie.
Legame cellula-cellula: stabilità, sostegno e sicurezza
Gli adesivi utilizzati per l'incollaggio tra celle avranno un ruolo fondamentale nel garantire la stabilità meccanica, in particolare nelle applicazioni automobilistiche in cui la batteria sarà soggetta a vibrazioni.
Nel caso delle celle cilindriche, la schiuma poliuretanica adesiva può fornire ulteriore supporto e rigidità alle singole celle all’interno del modulo.
Nel caso dell’assemblaggio di moduli prismatici, le singole celle possono essere incollate in una pila prima dell’installazione nel modulo.
Nel caso dei moduli a sacchetto, è necessaria una certa compressibilità dell’adesivo per consentire la flessibilità mentre la cella si espande e si contrae durante il ciclo di carica/scarica.
Il ruolo dell'incollaggio nella gestione termica
Secondo il Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili degli Stati Uniti, le batterie agli ioni di litio funzionano in modo più efficiente a temperature comprese tra i 15 °C e i 30 °C; tuttavia, come già osservato in precedenza, i pacchi batteria sono esposti a temperature estreme ben al di fuori di questo intervallo.
Per i moduli a sacchetto e prismatici, questi possono in genere essere fissati a una piastra di raffreddamento utilizzando adesivi che incorporano materiali di riempimento termoconduttivi come il nitruro di boro, i nitruri di alluminio e materiali simili. Questi adesivi offrono un’elevata conduttività termica unita all’isolamento elettrico, proteggendo dai cortocircuiti tra le celle.
Nel caso delle celle cilindriche, è possibile avvolgere nastri di raffreddamento attorno alle celle stesse per garantire il raffreddamento del sistema.
Resistenza, rigidità e sollecitazioni strutturali sui giunti
Nel caso di applicazioni strutturali, l’incollaggio può contribuire a ridurre il numero di elementi di fissaggio meccanici utilizzati nella confezione e consente ai produttori di ottimizzare i propri processi produttivi. Gli adesivi utilizzati in queste applicazioni devono garantire prestazioni ottimali in condizioni estreme, in presenza di calore elevato, umidità e ambienti corrosivi e, nel caso della sigillatura dei coperchi, devono impedire l’ingresso di sostanze contaminanti nella confezione.
Preparazione di precisione delle superfici: metodi laser per un migliore incollaggio
I laser possono rappresentare la soluzione ideale per la preparazione delle superfici in vista dell'incollaggio, consentendo di intervenire solo dove necessario.
- Pulizia laser di contaminanti quali ossidi presenti sull’alluminio o sul rame, residui di oli da taglio, polvere e sporco accumulati durante il trasporto e la movimentazione dei materiali.
- Ablazione laser di rivestimenti, vernici e strati anodizzati dai pezzi, consentendo l'incollaggio diretto dei materiali di base dei pezzi stessi.
- Strutturazione o texturizzazione superficiale con laser
I laser possono rappresentare strumenti ideali per ottenere risultati di texturizzazione ripetibili su una vasta gamma di tipi di componenti. Grazie ai sistemi di scansione del raggio, il laser può essere programmato con precisione per creare microtexture sulla superficie del componente, aumentandone così l’area superficiale. Grazie all’ampia gamma di adesivi e riempitivi disponibili, la texture può essere facilmente personalizzata per massimizzare la bagnabilità del pezzo.
Nel caso della produzione di batterie, i laser rappresentano un processo senza contatto ideale, compatibile con un’ampia gamma di materiali, tra cui alluminio, rame, materiali rivestiti e polimeri. Facilmente scalabili, i processi laser sono estremamente ripetibili e facilmente integrabili nei processi di produzione automatizzati.
Perché la preparazione delle superfici con il laser è più efficace dei metodi tradizionali
Sono disponibili diversi processi, tra cui l'abrasione meccanica, il trattamento chimico e il trattamento al plasma.
- Abrasione meccanica e sabbiatura
Queste tecniche offrono semplicità d’uso, ma con l’usura dei materiali abrasivi o degli strumenti utilizzati, i risultati possono risultare incostanti. - La pulizia chimica e l'incisione
possono rivelarsi molto efficaci e presentano un vantaggio rispetto al laser quando non è disponibile una “linea di vista” che consenta al laser di raggiungere le caratteristiche interne di determinati tipi di componenti. Uno svantaggio di questo metodo è, ovviamente, rappresentato dalle preoccupazioni ambientali e dai costi di smaltimento dei rifiuti pericolosi, mentre i laser sono rispettosi dell’ambiente. - Il trattamento al plasma
può rivelarsi efficace in ambiti in cui il livello di contaminazione è intrinsecamente basso ed è relativamente facile da implementare su apparecchiature di processo in linea. Come i processi laser, è anch’esso rispettoso dell’ambiente; tuttavia, le sue capacità di strutturazione superficiale sono limitate rispetto alla flessibilità del laser.
Sebbene la tecnologia laser comporti costi iniziali più elevati, è in grado di garantire risultati precisi e ripetibili senza materiali di consumo né sostanze chimiche, oltre a essere altamente selettiva, consentendo di pulire, attivare o texturizzare solo le aree che devono essere trattate. La flessibilità della tecnologia laser e la riduzione dei costi operativi offrono ai produttori un interessante ritorno sull’investimento per tutta la durata di vita delle apparecchiature.
Considerazioni finali: realizzare batterie migliori grazie a legami più efficaci
La produzione di pacchi batteria si affida sempre più all’uso di adesivi nel processo produttivo per realizzare batterie in grado di resistere a vibrazioni, cicli termici, calore elevato e umidità, garantendo al contempo una lunga durata all’utente finale.
I laser sono fondamentali nella preparazione delle superfici per massimizzare le prestazioni di un’ampia gamma di adesivi utilizzati nel processo produttivo. I risultati sono:
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- Maggiore resistenza al taglio e alla trazione
- Maggiore durata del prodotto grazie a legami più resistenti.
- Migliore adattamento della struttura superficiale alla viscosità dell'adesivo e alle caratteristiche del riempitivo, ovvero una migliore bagnabilità su un maggior numero di materiali.
Poiché si tratta di un processo senza contatto, altamente ripetibile e facile da integrare nelle linee di produzione ad alto volume, i processi laser stanno diventando il metodo preferito per la preparazione delle superfici nelle diverse applicazioni di incollaggio utilizzate nei moderni sistemi di accumulo stazionario dei veicoli elettrici.
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