Fabbricare sbarre per apparecchiature di ricarica dei veicoli elettrici

Un'officina di quadristica che prende lavoro sulla ricarica dei veicoli elettrici di solito trova i pezzi facili e il processo difficile. Le barre sono piccole, le sezioni sottili, il tonnellaggio richiesto è banale. Quello che coglie di sorpresa è che la fascia di tolleranza è più stretta di quella della quadristica, i lotti sono più piccoli, i disegni cambiano fra una produzione e l'altra, e un bordo fatto male torna indietro come guasto di isolamento diciotto mesi dopo la messa in servizio, non come reclamo estetico in accettazione.

Che aspetto hanno i pezzi

Le apparecchiature di ricarica si dividono in due popolazioni di sbarre piuttosto diverse.

Il lato in corrente alternata e di distribuzione di un armadio di ricarica ha un aspetto familiare: rame rettangolare, da 6 a 10 mm di spessore, punzonato e piegato, giunzioni bullonate, molto simile a un piccolo quadro di distribuzione. Non c'è niente di insolito.

È sul lato in corrente continua che il lavoro cambia. Le architetture di ricarica sono converse su campi di funzionamento all'incirca da 200 a 920 V in corrente continua per le installazioni CCS, con la specifica che ammette un campo tanto ampio quanto da 50 a 1000 V. Il Megawatt Charging System oggi in fase di diffusione per i veicoli pesanti è dichiarato a 1250 V e 3000 A in corrente continua. Quei numeri significano conduttori corti, larghi e sottili che portano corrente molto alta fra moduli di potenza, e significano che i conduttori sono impacchettati abbastanza vicini perché non sia l'aria da sola a isolare.

Il lavoro tipico sul lato in corrente continua e sulle interconnessioni fra moduli va da 1,5 a 6 mm di spessore, spesso sotto i 300 mm di lunghezza, in quantità da decine a poche centinaia per configurazione. I pezzi sono spesso laminati o isolati con film anziché nudi. E la revisione del disegno cambia, perché l'elettronica di potenza dentro un armadio di ricarica sta su un ciclo di prodotto di due o tre anni, non di venti.

Interfacce laminate e isolate

Dominano tre approcci di isolamento, e ciascuno pone al metallo una richiesta diversa.

La laminazione a film incolla poliestere o poliimmide sul conduttore, a volte con due o più conduttori costruiti in un unico pacco per ridurre l'induttanza di spira. Il film è sottile, spesso ben sotto il millimetro, e deve conformarsi allo spigolo del conduttore senza assottigliarsi né scavalcarlo.

La verniciatura a polvere applica polvere epossidica per via elettrostatica e la reticola in forno. Costa poco e sopravvive alla movimentazione. È anche implacabile con la geometria acuta, perché durante la reticolazione il rivestimento fluisce e la tensione superficiale lo tira via dagli spigoli convessi, lasciando il film al suo minimo spessore esattamente dove il campo è massimo.

Sovrastampaggio e incapsulamento mettono il conduttore in uno stampo e formano resina attorno, oppure annegano l'intero assieme. Danno il risultato meccanico migliore e la minore tolleranza all'aria intrappolata, perché un vuoto formatosi durante lo stampaggio resta sigillato all'interno e non si può ispezionare se non con una prova dielettrica che potrebbe comunque passare.

Le indicazioni pubblicate sul trattamento dei bordi delle sbarre laminate individuano quattro approcci: bordo aperto, sigillatura a pinzatura, FR4 e riempimento epossidico del bordo. La sigillatura a pinzatura richiede una sovrapposizione di isolante di almeno due volte lo spessore del conduttore oltre il bordo del rame, e quella sovrapposizione funziona solo se il bordo del rame è dove dice il disegno. È un vincolo di fabbricazione travestito da scelta di progetto.

È sul bordo che l'isolamento cede

La qualità della smussatura domina questo settore per una ragione fisica che la maggior parte delle specifiche enuncia come quota nuda senza dire da dove venga.

Parta dalla geometria. Un bordo cesoiato o punzonato non è squadrato. Ha un arrotondamento sul lato d'ingresso della matrice, una fascia lucida, una zona di frattura e una bava sul lato d'uscita. Lo «spigolo» è di fatto un raggio di qualche decina di micrometri e, in certi punti, è una punta di bava con raggio ancora minore.

Ora ci metta sopra l'isolamento. Qualunque sia il processo, il materiale deve girare un angolo retto attorno a quello spigolo. Il film scavalca invece di conformarsi. La polvere arretra. La resina di stampaggio deve riempire uno spigolo rientrante contro la propria tensione superficiale e contro l'aria che già si trova lì. In ciascun caso il risultato probabile è una piccola sacca d'aria intrappolata fra conduttore e isolamento, proprio sullo spigolo.

Quella sacca è il problema, per due ragioni che si sommano.

Primo, il campo lì è massimo. Il campo elettrico si concentra su una caratteristica convessa del conduttore e, per raggi piccoli, l'esaltazione locale scala all'incirca con l'inverso del raggio. Una punta di bava da 20 µm in un campo comodo su una faccia piana non è comoda sulla punta.

Secondo, l'aria è il materiale più debole dell'assieme e sta portando più della propria quota di campo. In un vuoto circondato da un dielettrico solido, il campo nel vuoto è più alto di quello nel solido all'incirca nel rapporto delle rispettive permittività relative. Resina epossidica e poliestere stanno attorno a 3-4; l'aria a 1. Quindi il vuoto vede da tre a quattro volte il campo della resina circostante, pur avendo all'incirca un decimo della sua rigidità dielettrica.

Il vuoto ionizza e, una volta ionizzato, non si ferma. La scarica parziale erode l'isolamento dall'interno, la cavità erosa cresce, l'attività di scarica cresce con essa, e alla fine il pezzo cede a una tensione che il giorno della prova aveva tenuto. La letteratura di ricerca sulle sbarre laminate è coerente su questo: l'innesco delle scariche parziali nei difetti annegati avviene a pochi kilovolt, valore che sta dentro il campo di funzionamento di un'architettura a 800 V o 1000 V in corrente continua una volta contate le sovratensioni transitorie.

Uno spigolo raggiato riduce il fattore di esaltazione e, cosa più utile, dà al materiale isolante una geometria che può bagnare e a cui può conformarsi. Il campo non diventa mai uniforme; diventa sopportabile. È tutto qui l'argomento a favore della smussatura in questa applicazione, e poggia sulla fisica e non su un punto di norma.

Che cosa dicono davvero le norme a riguardo

La IEC 60664-1 è la norma di coordinamento dell'isolamento, ed è il riferimento giusto per i valori di distanza in aria e superficiale nel progetto di una stazione di ricarica. La distanza in aria si ricava dalla tensione di tenuta a impulso nominale insieme al grado di inquinamento e all'altitudine; la distanza superficiale dalla tensione di lavoro insieme al grado di inquinamento e all'indice comparativo di tracciamento del materiale isolante. Sono questi i parametri su cui lavora chi progetta la ricarica EV.

Quello che la IEC 60664-1 non fa è dirle di smussare. Non lo fa nemmeno la IEC 61439. Va detto, perché parecchia comunicazione dei fornitori afferma che la IEC 61439 imponga un raggio di spigolo sulle sbarre, e un punto del genere non esiste. Il raggio di spigolo è un mezzo tecnico per soddisfare le prescrizioni su tenuta dielettrica, distanze in aria e distanze superficiali, e per rendere producibile un processo di isolamento. Se la specifica di un cliente richiede un raggio particolare, quel numero è uscito dal suo processo di isolamento: chieda quindi quale processo sia. La risposta cambia il significato di «buono»: un raggio dimensionato per la sigillatura a pinzatura non è il raggio dimensionato per la verniciatura a polvere.

Che aspetto ha un buon bordo in officina

Due operazioni distinte, spesso confuse.

La sbavatura toglie la bava e l'ossido. È un'operazione di condizionamento superficiale su tutta la faccia, ed è quello che si fa prima del trattamento galvanico o prima che venga applicato un film adesivo. Una macchina di sbavatura a due fasi che lavora spessori da 0,5 a 50 mm a 5–30 m/min porta l'intero lotto a una condizione uniforme, cosa che per l'adesione del rivestimento conta più della finitura media.

La smussatura è un'asportazione controllata dello spigolo secondo un profilo definito. Sui pezzi sottili per EV è qui che sta la difficoltà, perché una barra da 2 mm ha pochissimo spigolo da asportare e una smussatura pesante mangia una sezione che era stata dimensionata per la corrente. Un centro di smussatura CNC che lavora materiale da 3 a 15 mm di spessore a ±0,05 mm di posizionamento e ripetibilità, con mandrino BT40 fino a 6000 rpm, produce un profilo uguale sul pezzo uno e sul pezzo quattrocento. Una smerigliatrice da banco no e, su un pezzo laminato dove la sovrapposizione del film è specificata rispetto al bordo del rame, una smussatura che vaga è una smussatura che sposta il bordo.

La sequenza conta quanto le operazioni. Smussi prima di sbavare, così il passaggio di sbavatura pulisce la bava secondaria che l'utensile di smussatura solleva; sbavi prima di qualunque trattamento galvanico o rivestimento, perché ossido sotto un rivestimento è un cedimento di adesione in attesa di un ciclo termico; e non pieghi dopo il rivestimento se la specifica del rivestimento non lo consente, perché la fibra esterna di una piega si allunga e un rivestimento che era continuo a 3 mm di raggio può non esserlo a 2 mm. Sugli assiemi laminati la formatura va conclusa prima della laminazione, punto.

Due verifiche pratiche che intercettano la maggior parte dei problemi prima della linea di isolamento. Guardi lo spigolo sotto ingrandimento invece di passarci il pollice, perché un pollice trova una bava e manca una ripiegatura rientrante. E controlli la smussatura sull'ultimo pezzo del lotto, non sul primo, perché l'usura dell'utensile sul rame è lenta e cumulativa e si manifesta come un raggio che si restringe gradualmente.

Il vincolo di produzione è il cambio produzione

Cinquanta pezzi di una configurazione, poi una revisione, poi ottanta della successiva. È questo il ritmo del lavoro sulla ricarica EV, e significa che la macchina passa più tempo a essere attrezzata che a lavorare. A decidere quanta parte del turno ci perde sono tre cose.

Prima viene la capacità della torretta. Una famiglia di pezzi a mix elevato ha bisogno di molte misure di foro, e ogni utensile che non è in torretta è un cambio utensile manuale a metà commessa. Un centro di lavoro con 24 stazioni utensile, estendibili a 36, farà girare un elenco di lavori misti senza che un operatore tocchi gli utensili. La stessa commessa su una macchina con otto stazioni diventa un esercizio di sequenziamento in cui si raggruppano i pezzi per utensile invece che per data di consegna, e il costo di programmazione di quella scelta resta invisibile finché qualcuno non lo misura.

Poi il tempo dal programma al pezzo, che è il singolo costo nascosto più grande nel lavoro a basso volume. Se una revisione richiede un'ora di programmazione manuale, una famiglia di prodotti su un ciclo di due anni brucia settimane di tempo tecnico che non erano state quotate. Un software che importa la geometria e produce il programma senza reinserire a mano le quote toglie sia l'ora sia gli errori di trascrizione che l'inserimento manuale porta con sé.

Il nesting è il terzo. Pezzi piccoli da materiale sottile generano molto spezzone, e il nesting sull'intera commessa con un magazzino spezzoni permette alla commessa successiva di consumare i residui della precedente. In un'officina che gira cinquanta codici articolo al mese questo si vede nel dato di resa del materiale, non solo in una rastrelliera più ordinata.

Per la parte più leggera del lavoro, una macchina multifunzione compatta da 300 kN che copre 160 × 15 mm è di norma tonnellaggio più che sufficiente. Il tonnellaggio non è mai stato il vincolo. Lo era il tempo di attrezzaggio.

Se sta verificando se una sezione sottile accetterà una piega senza criccare al raggio che il suo disegno prescrive, il calcolatore della forza di piegatura le darà la forza e le permetterà di controllare l'apertura della matrice prima di tagliare metallo.