La produzione additiva come motore dell’innovazione per i data center

Crescita dei data center hyperscale e requisiti in aumento

I data center costituiscono il fondamento della società digitale. In particolare i cosiddetti data center hyperscale – strutture con diverse migliaia di server – crescono rapidamente, trainati dai servizi cloud e dalle applicazioni di intelligenza artificiale. All’inizio del 2024 è stata infatti superata a livello globale la soglia di oltre 1.000 data center hyperscale. Il volume complessivo di questi megadata center raddoppia circa ogni quattro anni e ogni anno si aggiungono ben oltre 100 nuovi grandi impianti.

Tuttavia, questa crescita comporta notevoli sfide tecniche e infrastrutturali. Il consumo energetico e lo sviluppo di calore aumentano con ogni nuova generazione di calcolo. Già oggi, in molti data center, il 33–40 % del consumo energetico totale è destinato esclusivamente al raffreddamento dei componenti. A questo si aggiunge un enorme consumo di acqua nei metodi di raffreddamento tradizionali: secondo le stime, a livello globale vengono utilizzate ogni anno centinaia di miliardi di litri di acqua dolce per il raffreddamento delle server farm – un fattore di costo ecologico e operativo.

Alla luce di questi sviluppi, appare chiaro che le soluzioni convenzionali stanno raggiungendo i loro limiti. Il raffreddamento ad aria tradizionale perde efficienza con rack di server sempre più densi e caldi. Persino concetti avanzati come il raffreddamento diretto a liquido o il raffreddamento per immersione sono messi a dura prova da densità di potenza crescenti. Approcci innovativi sono più richiesti che mai – nel campo della tecnologia di raffreddamento, ma anche nella progettazione dei componenti e nella catena di fornitura. È qui che entra in gioco la produzione additiva, che potrebbe rappresentare una tecnologia chiave per affrontare queste sfide.

Produzione additiva come approccio risolutivo nei data center

La produzione additiva – comunemente nota come stampa 3D – indica metodi di fabbricazione in cui i componenti vengono costruiti strato dopo strato a partire da modelli digitali. Negli ultimi anni questa tecnologia si è affermata in numerosi settori industriali e consente la realizzazione di design difficilmente realizzabili con i processi tradizionali (fresatura, fusione ecc.). Per la realizzazione dei moderni data center, la stampa 3D apre un ampio spettro di possibilità per far fronte alle crescenti esigenze:

• Produzione decentralizzata e maggiore rapidità di disponibilità: invece di fare affidamento su lunghe catene di approvvigionamento globali, in futuro i componenti potranno essere stampati più vicino al luogo di utilizzo. Uno studio di mercato stima che entro il 2033, solo per la produzione di componenti di raffreddamento come le piastre di raffreddamento nei data center, saranno necessari a livello mondiale circa 2.000 stampanti 3D in metallo (processo SLM). A titolo di confronto, ciò supera l’attuale produzione annuale complessiva di tutte le stampanti 3D industriali. Questo spostamento della produzione offre enormi opportunità per ridurre le dipendenze dalle catene di fornitura, poiché i componenti potrebbero essere realizzati direttamente in loco o a livello regionale. Soprattutto alla luce delle incertezze geopolitiche e dei ritardi nelle catene di approvvigionamento, la produzione decentralizzata on‑demand rappresenta un vantaggio strategico.

• Design ottimizzato per il raffreddamento e l’efficienza: la produzione additiva consente geometrie complesse che con i processi di fresatura o fusione sarebbero difficili o realizzabili solo tramite numerosi passaggi intermedi. In questo modo, dissipatori di calore e scambiatori termici possono essere progettati per garantire il massimo trasferimento di calore in spazi ridottissimi. Ad esempio, i canali di raffreddamento possono essere stampati direttamente all’interno dei componenti. Queste libertà di design sono essenziali per i futuri server ad alta densità, al fine di dissipare il calore in modo efficiente.
• Cicli di sviluppo più rapidi: grazie alla stampa 3D, prototipi e piccole serie possono essere realizzati in tempi molto più brevi. Gli ingegneri possono testare nuovi concetti di raffreddamento o componenti meccanici nell’arco di pochi giorni anziché mesi e migliorarli in modo iterativo. Questo sviluppo più agile riduce in modo significativo il time‑to‑market delle innovazioni nell’infrastruttura dei data center.
• Soluzioni su misura e integrate: nessun data center è uguale a un altro – grazie alla stampa 3D, i componenti possono essere adattati a requisiti specifici senza la necessità di costosi utensili speciali. In questo modo, ad esempio, staffe, carter o elementi di canalizzazione dei flussi possono essere realizzati su misura per una determinata configurazione di server. È inoltre possibile integrare più funzioni in un unico componente: ad esempio, un elemento strutturale del telaio che funge contemporaneamente da dissipatore di calore, oppure un tubo prodotto in stampa 3D direttamente con supporti e flange di collegamento in un unico pezzo. Questi componenti multifunzionali semplificano le strutture e possono ridurre peso e complessità di assemblaggio.

Campi di applicazione della stampa 3D nei data center

Componenti di raffreddamento: scambiatori di calore, heat pipe e cold plate

Uno dei principali ambiti di applicazione della stampa 3D nei data center è la tecnologia di raffreddamento. In questo settore la tecnologia offre probabilmente il maggiore potenziale, poiché un raffreddamento efficiente riduce direttamente il consumo energetico e consente densità di calcolo più elevate. Diversi approcci sono già oggetto di ricerca e in parte implementati nei primi prodotti:

Scambiatori di calore e heat pipe: Oltre ai sistemi di raffreddamento diretto dei chip, anche scambiatori di calore di dimensioni maggiori nei data center possono beneficiare della produzione additiva. Ad esempio, piastre di raffreddamento ad acqua per i circuiti di raffreddamento dei rack, scambiatori aria‑acqua o componenti per i sistemi di raffreddamento secondario vengono sempre più concepiti in chiave additiva. Grazie a strutture di canali continue e lisce, la perdita di pressione rimane ridotta, richiedendo meno energia di pompaggio e garantendo un’elevata efficienza dello scambiatore di calore. Anche le heat pipe – ovvero tubi di raffreddamento a trasferimento di calore con cambio di fase – possono essere ripensate: i primi esperimenti con heat pipe stampate in 3D in alluminio hanno mostrato una resistenza termica inferiore di oltre il 24 % rispetto alle soluzioni convenzionali. Grazie alla stampa 3D è possibile integrare direttamente strutture capillari fini o evaporatori dalla forma complessa, aumentando così l’efficienza di questi elementi di raffreddamento passivi.

Proprio in questo ambito PROTIQ può mettere a disposizione la propria competenza distintiva: come primo operatore a livello mondiale, PROTIQ ha lavorato con successo rame puro nella stampa 3D industriale. Grazie a questo risultato pionieristico, è possibile realizzare strutture di raffreddamento ad alta conducibilità con la massima efficienza – ideali per scambiatori di calore e heat pipe, dove la conducibilità termica è un fattore determinante.

Maggiori informazioni sulla stampa 3D con rame puro presso PROTIQ >

Cold Plates: Questi dissipatori di calore piatti, attraverso i quali circola il fluido di raffreddamento, sono posizionati direttamente su processori o GPU per dissipare il calore. Le cold plate convenzionali contengono per lo più microcanali o alette fresati, ma raggiungono limiti geometrici. Con la produzione additiva è possibile realizzare strutture interne dei canali complesse, che massimizzano lo scambio termico. Ad esempio, strutture gyroid potrebbero essere stampate all’interno della piastra di raffreddamento, aumentando drasticamente la superficie e ottimizzando il flusso. Un design presentato di recente ha raggiunto così fino al 35 % di prestazioni di raffreddamento migliori rispetto alle tradizionali piastre a microcanali. Tali progressi mostrano l’enorme potenziale: grazie a piastre di raffreddamento in rame stampate in 3D con geometrie ottimizzate, è possibile gestire carichi termici più elevati o ridurre l’energia richiesta dalle pompe.

La stampa 3D può rivoluzionare la tecnologia di raffreddamento dei data center. Strutture interne complesse portano a una maggiore efficienza nello scambio termico, a una minore resistenza al flusso e quindi a sistemi di raffreddamento più efficienti dal punto di vista energetico. Considerata l’elevata quota di energia destinata al raffreddamento nei data center, i potenziali risparmi sono considerevoli: ogni punto percentuale di miglioramento dell’efficienza ha un impatto significativo sulla Power Usage Effectiveness.

Componenti strutturali meccanici e parti di alloggiamento

Oltre alla gestione termica, la produzione additiva offre vantaggi anche per i componenti meccanici nei data center. Rack per server, alloggiamenti, gestione dei cavi e, in generale, l’infrastruttura potrebbero essere progettati in modo più flessibile e ottimizzato grazie alla stampa 3D:

Componenti di montaggio e fissaggio: nei migliaia di rack di un hyperscaler vengono installati innumerevoli piccoli componenti come staffe, adattatori, distanziatori, cerniere ecc. Spesso questi devono essere adattati a dispositivi specifici o a condizioni strutturali particolari. Invece di soluzioni standard universali, con la stampa 3D è possibile realizzare soluzioni di fissaggio personalizzate on‑demand. Ad esempio, possono essere stampati elementi di supporto o strutture portanti su misura per canaline dei cavi, supporti per ventilatori o pannellature, che sfruttano in modo ottimale lo spazio disponibile. Anche i pezzi di ricambio per sistemi di rack più datati, non più forniti dall’OEM, possono essere ricostruiti digitalmente e ristampati. La libertà di design consente inoltre strutture più leggere – ad esempio rinforzi a griglia o supporti ottimizzati topologicamente, che riducono il materiale mantenendo comunque la stabilità. Nel complesso, ciò permette di ridurre peso e consumo di materiale, un aspetto rilevante per grandi installazioni.

Rack e involucri: è inoltre ipotizzabile la produzione additiva di interi moduli di rack o di parti di involucro. Sebbene armadi server completamente stampati in 3D non siano ancora economicamente vantaggiosi, lo sono invece gli approcci ibridi: ampie superfici possono essere realizzate con profili standard, mentre connettori o angolari dalla geometria speciale possono essere prodotti tramite stampa 3D. In questo modo, elementi di canalizzazione dell’aria dalla forma organica potrebbero essere integrati direttamente nella struttura del rack, per separare in modo più efficace le zone fredde e calde.

Componenti di montaggio e fissaggio: nei migliaia di rack di un hyperscaler vengono installati innumerevoli piccoli componenti come staffe, adattatori, distanziatori, cerniere ecc. Spesso questi devono essere adattati a dispositivi specifici o a condizioni strutturali particolari. Invece di soluzioni standard universali, con la stampa 3D è possibile realizzare soluzioni di fissaggio personalizzate on‑demand. Ad esempio, possono essere stampati elementi di supporto o strutture portanti su misura per canaline dei cavi, supporti per ventilatori o pannellature, che sfruttano in modo ottimale lo spazio disponibile. Anche i pezzi di ricambio per sistemi di rack più datati, non più forniti dall’OEM, possono essere ricostruiti digitalmente e ristampati. La libertà di design consente inoltre strutture più leggere – ad esempio rinforzi a griglia o supporti ottimizzati topologicamente, che riducono il materiale mantenendo comunque la stabilità. Nel complesso, ciò permette di ridurre peso e consumo di materiale, un aspetto rilevante per grandi installazioni.

Rack e involucri: è inoltre ipotizzabile la produzione additiva di interi moduli di rack o di parti di involucro. Sebbene armadi server completamente stampati in 3D non siano ancora economicamente vantaggiosi, lo sono invece gli approcci ibridi: ampie superfici possono essere realizzate con profili standard, mentre connettori o angolari dalla geometria speciale possono essere prodotti tramite stampa 3D. In questo modo, elementi di canalizzazione dell’aria dalla forma organica potrebbero essere integrati direttamente nella struttura del rack, per separare in modo più efficace le zone fredde e calde.

Ricambi e manutenzione – magazzino digitale

Un aspetto spesso trascurato, ma essenziale per l’esercizio e la manutenzione dei data center, riguarda i ricambi. I data center contengono migliaia di componenti meccanici ed elettromeccanici che devono essere mantenuti lungo un ciclo di vita di 10–15 anni. Componenti difettosi – che si tratti di supporti speciali per ventole, distanziatori per viti sulle schede madri, adattatori per pompe o parti dell’alloggiamento – possono, nel peggiore dei casi, causare interruzioni se i ricambi non sono rapidamente disponibili. In questo contesto, la produzione additiva offre l’approccio della gestione digitale delle scorte (“Digital Warehouse”): invece di tenere ogni pezzo fisicamente a magazzino, viene archiviato solo il modello 3D digitale e stampato all’occorrenza.

Piattaforme come il PROTIQ Marketplace offrono già soluzioni pratiche in tal senso: tramite l’account cliente, le aziende possono archiviare i propri progetti e modelli 3D, creando così un magazzino digitale personalizzato. I pezzi necessari possono poi essere riordinati con pochi clic, direttamente dal set di dati salvato. Nasce così una strategia efficiente e digitale per i ricambi, che fa risparmiare tempo e riduce al minimo i rischi di fermo.

I gestori di data center dispongono raramente di competenze interne nella produzione additiva. Proprio per questo è fondamentale un partner affidabile come PROTIQ, che vanta un’esperienza pluriennale, una profonda comprensione della tecnologia e una solida conoscenza del settore. PROTIQ non supporta i clienti solo nella realizzazione dei progetti, ma li accompagna anche con consulenza specialistica – dall’ottimizzazione del design alla scelta dei materiali, fino alla produzione in serie.

I data center hanno bisogno di soluzioni innovative

Alla luce della crescita inarrestabile dei data center e delle sfide che ne derivano in termini di raffreddamento, efficienza energetica e supply chain, la produzione additiva offre un vero e proprio kit di strumenti per soluzioni innovative. Considerata in modo neutrale, non rappresenta un sostituto di tutti i metodi convenzionali, ma una preziosa integrazione per risolvere in modo elegante problemi specifici. Che si tratti di una piastra di raffreddamento più performante che riduce il fabbisogno energetico della climatizzazione, di un componente su misura che aumenta la disponibilità, o di una produzione più locale che aggira i colli di bottiglia nelle forniture.

È fondamentale valutare correttamente le condizioni di base: dove c’è stampa additiva, alla fine deve emergere anche la qualità desiderata. Per questo sono necessarie competenze ingegneristiche e know-how di processo. È qui che entrano in gioco partner come PROTIQ: grazie alla sua esperienza come centro di competenza per la stampa 3D all’interno del gruppo Phoenix Contact, PROTIQ dispone esattamente di questo know-how. Numerosi progetti di ricerca e i primi successi commerciali dimostrano già oggi che la produzione additiva funziona nell’ambiente dei data center e può offrire un reale valore aggiunto.

Nei prossimi anni assisteremo probabilmente a un crescente utilizzo della stampa 3D da parte di hyperscaler e specialisti dell’infrastruttura per ottenere vantaggi competitivi – sotto forma di hardware più efficiente o di rollout più agili. Per l’intero settore dei data center si tratta di uno sviluppo entusiasmante: i limiti di ciò che è realizzabile in termini di raffreddamento e design si stanno ampliando, mentre allo stesso tempo diminuisce la dipendenza dalle catene di fornitura tradizionali. La produzione additiva diventa quindi un abilitatore – uno strumento per rendere i data center di domani più sostenibili, più performanti e più resilienti.

Domande frequenti sulla stampa 3D per i data center 

Come posso avviare un progetto?

Carichi direttamente i suoi dati 3D sul PROTIQ Marketplace oppure richieda una consulenza personalizzata. PROTIQ la supporta dall’ottimizzazione del design fino alla produzione in serie.

Come funziona la strategia digitale per i ricambi?

Invece di uno stoccaggio fisico, vengono archiviati modelli 3D digitali. All’occorrenza, questi possono essere stampati e consegnati direttamente tramite il PROTIQ Marketplace – in modo rapido e su richiesta.

In che modo la stampa 3D migliora il raffreddamento nei data center?

Grazie a geometrie complesse come canali di raffreddamento integrati o strutture gyroid, i dissipatori possono essere progettati in modo più efficiente. Ciò riduce il consumo energetico e aumenta le prestazioni dei sistemi.

Quali materiali sono disponibili per applicazioni termicamente impegnative?

Per i componenti di raffreddamento viene utilizzato, ad esempio, rame puro, che si distingue per un’eccellente conducibilità termica. Altri materiali disponibili sono alluminio, acciaio inox e tecnopolimeri – a seconda dei requisiti.