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4A CONFERENZA INTERNAZIONALE ADVANCED MATERIALS AND TECHNOLOGIES FOR TRANSPORT

  TORNA
 
 
 

Il presente articolo è stato estrapolato dalla presentazione della 4°Conferenza Internazionale “Advanced Materials and Technologies for Transport – Lightweight materials: sustainable solutions for the next vehicle generation” (Materiali e Tecnologie all’Avanguardia per il Trasporto – Materiali Lightweight – soluzioni sostenibili per la successiva generazione di veicoli) – Torino – 27-28 Febbraio 2014.

 
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Di seguito la traduzione dell'articolo, scaricabile in pdf in lingua inglese.

 

L’alleggerimento ha una tale influenza su molteplici aspetti - come la riduzione delle emissioni, i costi, la performance, il carico utile, l’ambiente e via di seguito- che potremmo affermare che “ogni grammo conta”.
Nel contesto del mercato attuale e futuro dovremo coniugare le richieste e le sfide con la nostra visione del futuro e mission in termini di competitività, con grande attenzione alla sostenibilità del design e alla valutazione del ciclo di vita. In merito a ciò, gli autori presenteranno la loro proposta su come riuscire a raggiungere i migliori risultati dal punto di vista del design, presentando alcuni casi di studio con vari materiali e tecnologie applicate ai veicoli commerciali, autocarri e autobus.

In questa gamma di veicoli, l’uso dell’”acciaio” e della “ghisa” è predominante e sarà anche la prima scelta per il futuro, ma sarà sempre più importante utilizzare “il materiale giusto al posto giusto”. Un fattore determinante è la previsione della reale vita a fatica e la definizione dei metodi di prova tramite una campagna di acquisizione di dati e la relativa correlazione con i carichi previsti, la missione e gli usi impropri/sovraccarichi.

 

Lightweight Design: ogni grammo conta di Davide Ferrario
Lightweight – Panoramica
L’alleggerimento ha una tale influenza diretta su molteplici aspetti che potremmo affermare che ogni grammo conta: in effetti, il suo impatto sul combustibile e sulle emissioni è già ben noto, sebbene non possiamo dimenticare che il peso del veicolo è direttamente collegato alle sue performance, per esempio il rapporto peso-potenza o le masse non sospese, così come anche il carico utile, un parametro con un valore concreto specialmente per i veicoli commerciali e gli autobus, il maggior campo operativo di Streparava Group.

Dobbiamo inoltre considerare che il peso del veicolo è costantemente aumentato negli ultimi anni a causa delle molteplici e nuove caratteristiche richieste per la sicurezza attiva e passiva, le direttive sulle emissioni, il confort del guidatore e del passeggero, gli strumenti di comunicazione intelligenti (anche per V2V e V2l), gli ausiliari dell’elettrizzazione o il recupero di energia etc. Naturalmente l’alleggerimento influisce sul “Brand”, in quanto ogni innovazione ha il suo fascino, ma dobbiamo tenere in mente che l’obiettivo finale deve essere la sostenibilità e la responsabilità ambientale.

La maggior parte dell’energia del veicolo viene sprecata e la massa del veicolo è numericamente collegata alla dinamica del veicolo e quindi all’efficienza. Tuttavia, pensando all’efficienza non possiamo focalizzarci solo sull’uso del veicolo ma nella nostra valutazione dobbiamo anche includere le emissioni di GHG (Green House Gas) e in generale il LCA (Valutazione del Ciclo di Vita).

Nel quadro del mercato attuale e futuro dovremo coniugare le richieste e le sfide con la nostra visione del futuro e mission in termini di competitività. Infatti la qualità, l’affidabilità, la sicurezza, la funzionalità etc. dovranno essere migliorate producendo veicoli sempre più intelligenti, ad energia pulita e leggeri, in un’industria automobilistica mondiale influenzata dai trend di un mercato fiacco e dal ruolo crescente dei Paesi emergenti. Un’opportunità per rispondere alle richieste e per essere più competitivi sarà offerta dalla collaborazione tra diverse aziende e dalla integrazione delle competenze, sia in merito al prodotto che ai processi.

Nella fotografia 1 viene descritto il nostro approccio ad un Design Sostenibile.


Figura 1

Design Sostenibile
Richieste – Sfide – Quadro del Mercato – Vision & Mission – Clusters


Lightweight – Come Ottenerlo

L’approccio generale per ottenere risultati nell’alleggerimento dovrebbe naturalmente iniziare dal ridimensionamento, ovvero da una “buon” dimensionamento di ogni componente, con un vantaggio esponenziale su ogni sotto-sistema e, successivamente, sul veicolo completo. Dobbiamo anche essere in grado di reinventare la forma dei componenti, concentrandoci sulla loro reale funzione finale, con approcci che potrebbero tendere all’integrazione delle funzioni o, in alternativa, alla decomposizione delle funzioni, suddivise in diversi componenti, ognuno dei quali dimensionato per il suo ruolo specifico. Non esiste una soluzione unica, ogni scelta sarà un compromesso con i costi, volumi etc. ma l’idea sarà quella di utilizzare “il materiale giusto al posto giusto”.

Altre opportunità sono attualmente offerte da nuovi materiali alternativi (AHSS, leghe leggere, materiali compositi etc…) e da parti ibride multimateriali. Per ottimizzare e rimuovere le masse ove non richieste, senza penalizzare i costi, saranno necessarie ottimizzazioni e iterazioni FEA (Analisi a elementi finiti) sia sul prodotto che sul processo, con una conseguente integrazione delle relative competenze.


Lightweight – Esempi Derivanti dalla nostra Esperienza

Descriveremo ora alcuni casi di studio, con soluzioni in sviluppo e altre già in produzione. Lo scopo è quello di sottolineare il fatto che non vi sia una soluzione preferibile ma è importante esplorare le opportunità offerte dalle tecnologie alternative, con l’obiettivo finale che non sia l’alleggerimento fine a se stesso, ma più in generale l’efficienza.

Tutte le soluzioni presentate potranno essere abbinate e combinate, specialmente pensando a componenti ibridi multimateriale, creando così nuovi design innovativi, per esempio forcelle del cambio in alluminio estruso, traverse telaio in GFRP (polimero rinforzato con fibre di vetro) con estremità in HPDC (Pressocolata ad alta pressione), fusi a snodo in ADI (ghisa austemperata) o bilancieri in alluminio.


GFRP – Molla a Balestra – In Produzione

La prima soluzione qui descritta è una molla a balestra trasversale in GFRP per sospensioni anteriori indipendenti per veicoli commerciali leggeri. Rispetto alla molla in acciaio originale, la versione in alternativa è più leggera del 63%, con un risparmio di peso di circa 10 kg. La nuova soluzione non è soggetta all’invecchiamento o alla ruggine, ha un’elevata energia elastica di deformazione e offre un miglior smorzamento delle vibrazioni. (cfr. Figura 2).


Figura 2

Molla a balestra in resina epossidica rinforzata con fibra di vetro
Tensione massima = 586 MPa
Resistente (no ruggine o invecchiamento)
Elevata energia elastica di deformazione
Miglior smorzamento delle vibrazioni


Alluminio Estruso – Bracci sospensione – In fase di industrializzazione
Con questa soluzione abbiamo sostituito gli attuali bracci sospensione in lamiera con alluminio estruso, con un risparmio di peso del 30% circa (cfr. Figura 3). Tale concept è attualmente in sviluppo, ma tecnicamente già validato dopo le preliminari prove al banco sui primi campioni. Abbiamo iniziato il concept con il nostro partner per l’alluminio estruso Metra Spa, definendo il materiale (Lega 6005A con trattamento termico T6) e la soluzione migliore tra le esigenze del progetto e del processo; il materiale elasto-plastico è stato caratterizzato in via sperimentale – prendendo in considerazione anche l’anisotropia – e incluso nei modelli FEA, dove i carici esterni sono stati calcolati tramite elastocinematica in diverse condizioni di guida.


Figura 3
IFS (Sospensione Indipendente Anteriore) con bracci sospensione in lamiera vs bracci sospensione estrusi

Il limite principale è dato dalla dimensione massima dello stampo di estrusione, con la conseguente necessità di assemblare i diversi pezzi per creare un braccio sospensione inferiore completo, mentre il braccio sospensione superiore può essere ottenuto come pezzo singolo. In merito a ciò, sono stati valutati molti metodi di collegamento; tuttavia, per ottenere una fattibilità tecnica preliminare, la nostra scelta è stata l’uso di collegamenti avvitati.

Durante la prova al banco su MTS329 Road Simulator, portata a termine con successo senza alcun cedimento - anche al 150% della vita target – abbiamo verificato la generale congruenza tra lo sforzo stimato e reale (cfr. Figura 4).


Figura 4

Bracci sospensione estrusi – Dalla simulazione alla realtà

Come esperienza supplementare, abbiamo anche realizzato dei campioni con un intaglio geometrico locale ed abbiamo condotto il test con e senza pallinatura supplementare, con un risultato di un aumento della vita a fatica del 35% circa, grazie a questa operazione aggiuntiva.

Dopo questi risultati, i successivi step previsti saranno quelli di ottimizzare i metodi di assemblaggio sul braccio di controllo inferiore e la forma in generale, per ridurre i costi e garantire la stessa affidabilità, possibilmente senza pallinatura. Tra i vantaggi, oltre alla riduzione del peso, possiamo indicare i costi ridotti delle attrezzature e le operazioni di processo semplificate, sebbene i limiti principali siano sulle dimensioni della matrice di estrusione e la flessibilità del design sulla forma finale.


Alluminio HPDC – Traversa – In Sviluppo

Un'altra soluzione qui descritta è una traversa in alluminio HPDC per una sospensione indipendente anteriore per veicoli commerciali leggeri, con un risparmio di peso nella fase di concept di circa 40% rispetto all'attuale struttura in metallo a lamiera saldata. La sospensione completa attuale e il concept della traversa HPDC sono rappresentate nella figura 5.


Figura 5
Attuale traversa in lamiera vs traversa in HPDC

Globalmente, dobbiamo considerare ulteriori vantaggi, per esempio la migliorata resistenza alla corrosione, il fatto che non vengano richieste verniciature o cataforesi, vantaggi sulla riciclabilità e sul valore residuo a fine vita, grazie alle ultime direttive (2005/64 CE e 2000/53 CE).

Questo progetto è incluso nel “Cluster Trasporti Italia” – progetto “Italia 2020” – e lo scopo della ricerca sarà:

  • sviluppare competenze progettuali, tecnologiche e sperimentali;
  • unire la competenza di aziende eccellenti;
  • sostenere la catena dei fornitori definendo standard tecnici e metodi di prova;
  • ricadute economiche sul locale distretto dell’alluminio – 2° italiano.

Le aree della ricerca saranno:

  • riduzione del peso e applicazione dell’alluminio sui nuovi componenti;
  • metallurgia e leghe, simulazioni dei processo di formatura etc.;
  • trattamenti termici;
  • processi di saldatura e lavorazione;
  • vantaggi energetici e Ambientali, Riciclabilità, Valutazione del Ciclo di Vita.

Il materiale che abbiamo attualmente preso in considerazione è Silafont-36, una lega di alluminio basso ferrosa con buone proprietà meccaniche (per esempio la duttilità; e l'allungamento), anche allo stato grezzo di fusione, ed un'alta resistenza chimica e alla corrosione.

L'obiettivo del progetto sarà; unire le competenze di prodotto e di processo per essere sia leggeri che economici (le difficoltà maggiori sono date dal costo delle lega, la durata dello stampo, i controlli di qualità; etc.).


HSS e AHSS – Bracci sospensione e Traversa – In Produzione

Nella nostra gamma di prodotti, per esempio i veicoli commerciali e gli autobus, l'acciaio e la ghisa sono la prima scelta e saranno la nostra prima scelta anche per il futuro, grazie agli sviluppi degli acciai HSS (High Strength Steel) e AHSS (Advanced High Strength Steels) e delle loro generazioni;, in grado di migliorare la resistenza senza perdere in duttilità; e allungamento (nella figura 6 lo stato dell'arte sulla classificazione HSS e AHSS - fonte internet).


Figura 6

Classificazione dell’HSS e AHSS

Nella nostra gamma di prodotti, attualmente utilizziamo ampiamente acciai HSLA (High Strength Low Alloy) e l’applicazione delle generazioni successive di AHSS è una questione di compromesso tra il costo, le proprietà meccaniche, la saldabilità, la formabilità, la rigidezza richiesta etc. Nuove opportunità sono rappresentate dai tailored blank e dalla tecnologia di assemblaggio multimateriale per avere il materiale dove è effettivamente richiesto.


ADI – Bracci di controllo e Leve di Sterzo – In Produzione

I vantaggi di peso possono essere offerti non solo da materiali leggeri ma anche da materiali pesanti standard, non solo tramite l'ottimizzazione del design, ma anche tramite le innovazioni del materiale, per esempio la ghisa duttile austemperata che abbiamo applicato sui bracci delle sospensioni per autobus pesanti e sulle leve di sterzo (cfr figura 7). Con questa tecnologia (trattamento termico supplementare su ghisa sferoidale) è possibile coniugare i vantaggi delle fusioni, per esempio una densità; inferiore del 7% oppure una maggiore flessibilità; sulla forma del design (spessore generale della parete, anime da fonderia etc.) con una resistenza media a fatica equivalente ad un acciaio standard per forgiati come 42CrMo4-QT HB300 (Rif. Zanardi Fonderie).


Figura 7

ADI 1050 Proprietà meccaniche e applicazione su sospensioni per autobus pesanti


Non solo Lightweight – Soluzioni per l’Efficienza dei Veicoli
Come indicato precedentemente, l’obiettivo finale non è l’alleggerimento fine a se stesso, ma i vantaggi ambientali e l’efficienza. Partendo da questa affermazione, grazie al nostro know-how, abbiamo sviluppato soluzioni per il veicolo completo, guardando alla trazione elettrica e alla riduzione dell’attrito degli organi di trasmissione (cfr figura 8):


Figura 8

Sistema EL.I.D.A ed esempio di componenti distribuzione motore

1. Sistema EL.I.D.A. – Electric Independent Driven Axle – Pronto per la produzione

  • Sospensioni indipendenti con molle ad aria
  • Trazione elettrica integrata (E-axle)
  • Sistema con inverter, raffreddamento e software di controllo.
  • Applicazione per veicoli commerciali leggeri e minibus.

2. Sistema distribuzione Motori applicazione medio-pesante - In Produzione

  • In produzione soluzioni per la riduzione dell’attrito e per il miglioramento della performance.
  • Rivestimento DLC sui perni dei rulli del bilanciere
  • Alberi porta bilancieri nitrocarburati


Metodi di Prova per la Previsione della Vita a Fatica

Nel campo operativo di Streparava (veicoli commerciali e bus), l’introduzione delle tecnologie per l’alleggerimento presenta maggiori difficoltà a causa di:

  • carichi elevati;
  • ampia differenza di carico tra il peso in ordine di marcia e i veicoli completamente carichi;
  • ampie differenze nella missione e nell’applicazione;
  • sovraccarichi e usi impropri da tenere in considerazione (componenti di sicurezza);
  • volumi di produzione medio-bassi.

Un fattore determinante per la competitività e per gli studi di applicazione dettagliata è la previsione della vita a fatica reale. Infatti, una parte delle nostre ricerche è dedicata alla definizione dei metodi di prova tramite campagne di acquisizione di dati e le relative correlazioni con i carici previsti, la mission e gli usi impropri/sovraccarichi. Lo scopo è quello di aumentare il ruolo della stima dei carichi attesi e la previsione della vita a fatica per mezzo della simulazione, combinando le storie di carico ad ampiezza variabile con blocchi cumulativi di cicli di carico. Le complessità derivano dall'identificazione dei cicli di carico, dal conteggio dei cicli e dalla rappresentatività delle storie di carico disponibili.


Uno Sguardo al Futuro

Ogni innovazione sui materiali (metallici o compositi), sulle tecnologie di assemblaggio, sui collegamenti multimateriali e sulle tecnologie di riciclo sarà utile per sviluppare nuove soluzioni sostenibili sull'alleggerimento. Per ottenere i migliori risultati e per trasformare le nostre idee in prodotti reali, una forte integrazione delle competenze di prodotto e di processo sarà; un fattore competitivo, potenziato anche da un più ampio uso di strumenti di simulazione e dalla maggiore disponibilità di programmi di validazione, sviluppati da campagne di acquisizione dati. Al di sopra di noi, nuove architetture di veicoli e infrastrutture della mobilità cambieranno il nostro modo di concepire la forma e la funzionalità dei nostri sistemi, con una successiva svolta per le opportunità del design.

 
 
             
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