Come i processi produttivi consentono di ottenere l'alleggerimento degli autoveicoli

Il raggiungimento della leggerezza automobilistica è fondamentale per aumentare il risparmio di carburante dei veicoli con motore a combustione interna e per estendere l'autonomia dei veicoli elettrici (EV). Riducendo il peso del veicolo di 10% si può migliorare il risparmio di carburante di 6-8% e ridurre le emissioni di anidride carbonica. ^[1]. La riduzione del consumo di carburante si traduce anche in una riduzione delle emissioni, a tutto vantaggio della sostenibilità ambientale.

Oltre a migliorare il risparmio di carburante e l'autonomia, la leggerezza delle automobili può migliorare significativamente le prestazioni, tra cui la frenata, la maneggevolezza e l'accelerazione. Inoltre, la produzione leggera riduce le sollecitazioni su sospensioni, freni e pneumatici, riducendo l'usura. Il risultato a lungo termine è che questi componenti dureranno più a lungo e richiederanno meno manutenzione.

Come possono i produttori rendere più leggeri i componenti automobilistici? Si può ottenere questo risultato semplicemente sostituendo i materiali tradizionali con alternative leggere, oppure questo obiettivo richiede un ripensamento del modo in cui vengono progettati i componenti automobilistici?

Sfatare il “mito del novizio” della produzione leggera

Ci sono molte idee sbagliate legate alla realizzazione di componenti automobilistici leggeri. Una scuola di pensiero sostiene che la leggerezza può essere ottenuta attraverso la scelta dei materiali. In altre parole, un'automobile può essere resa più leggera semplicemente passando a materiali più leggeri.

Sulla base di questa concezione errata, essi considerano i processi di produzione come stampaggio a iniezione per il settore automobilistico, utensili, e Lavorazione CNC come semplici “operai” che seguono un progetto prestabilito. La seconda scuola di pensiero è che l'uso di materiali più leggeri comprometta la sicurezza. Nessuna delle due scuole di pensiero sulla produzione di veicoli leggeri è vera.

Infatti, è stato dimostrato che i moderni materiali compositi offrono una migliore resistenza agli urti. ^[2]. Sono più efficaci nell'assorbire l'energia d'impatto rispetto ai metalli utilizzati nelle automobili tradizionali.

Produzione di pesi leggeri nel settore automobilistico con lo stampaggio a iniezione

Senza dubbio, la scelta del materiale gioca un ruolo importante nell'alleggerimento. Tuttavia, la resistenza e la forma ottimali si ottengono quasi interamente senza aumentare il peso grazie all'ottimizzazione del design e a pratiche di produzione innovative, come quelle descritte di seguito:

1. Incavo delle sezioni per ridurre l'uso del materiale

I pezzi voluminosi possono essere creati con sezioni interne vuote. Questo vuoto viene solitamente ottenuto attraverso stampaggio a iniezione assistito da gas o schiumatura. Ad esempio, nella schiumatura fisica, l'azoto o l'anidride carbonica vengono iniettati nella plastica fusa. Il gas provoca l'espansione della plastica fusa nello stampo. La plastica fusa intrappola le bolle di gas, creando una struttura interna porosa che assomiglia a una schiuma.

Spesso si ricorre anche alla schiumatura chimica, che prevede l'aggiunta alla resina di un agente espandente chimico (CBA), come l'azodicarbonamide (ADC) e il bicarbonato di sodio o l'acido citrico. Al riscaldamento, il CBA si decompone e rilascia gas per creare lo stesso effetto della schiumatura fisica. La schiumatura crea un rivestimento esterno solido e un nucleo simile a una schiuma. Questo riduce il consumo di materiale e contribuisce a mantenere il prodotto leggero, senza comprometterne la stabilità dimensionale.

2. Uso delle nervature per completare le strutture a parete sottile

Un'altra pratica importante nella produzione di veicoli leggeri è l'uso di tecniche di produzione avanzate (come lo stampaggio a iniezione a parete sottile e la formatura sottovuoto) per creare pezzi con pareti più sottili (<1 mm di spessore), preservando l'integrità strutturale del pezzo.

Questa tecnica di stampaggio a iniezione utilizza alta pressione, velocità (>1000 mm/s) e macchinari avanzati per garantire il corretto riempimento delle cavità sottili. Le pareti sottili sono solitamente supportate da nervature e soffietti per fornire rigidità e resistenza laddove queste proprietà sono richieste. Le nervature possono anche prevenire difetti come segni di lavandino.

3. Consolidamento di più parti

Quando un pezzo automobilistico è costituito da più componenti, ognuno di essi deve essere saldato o fissato insieme. La saldatura o il fissaggio finiscono per aumentare il peso del pezzo finito. Nella produzione leggera, i pezzi troppo complessi vengono riprogettati per facilitarne la produzione con un unico processo di stampaggio a iniezione.

Il consolidamento di più parti in un'unica unità stampata elimina la necessità di dispositivi di fissaggio secondari, come rivetti e bulloni, riducendo il peso del pezzo. Tuttavia, gli stampi per la creazione di design a scatto che non richiedono ulteriori elementi di fissaggio durante l'assemblaggio, possono necessitare dell'aggiunta di sollevatori o cursori, che ne aumenterà potenzialmente il costo. Altri vantaggi del consolidamento dei pezzi per il settore automobilistico leggero sono:

• La creazione di strutture con un'unica parte continua ha di solito un'integrità strutturale maggiore rispetto a quella di più pezzi uniti tra loro, che possono introdurre punti deboli nelle giunzioni.
• Il consolidamento consente ai produttori di creare più pezzi utilizzando meno manodopera e a costi ridotti.

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Produzione di pesi leggeri nel settore automobilistico con la lavorazione CNC

La lavorazione a controllo numerico computerizzato, o lavorazione CNC, è uno dei più comuni metodi di produzione sottrattiva. In questo processo di produzione, un software pre-programmato controlla una macchina utensile per tagliare con precisione un blocco di materiale (legno, plastica o metallo) in un pezzo o prodotto desiderato.

L'alto livello di precisione dello strumento di lavorazione rende questa tecnica utile per la creazione di progetti complessi. Inoltre, l'elevato livello di automazione elimina gli errori e gli interventi umani, consentendo ai produttori di risparmiare sui costi di manodopera. I comuni componenti leggeri per il settore automobilistico creati con questa tecnica includono:

• Componenti per motori di veicoli elettrici e sistemi di raffreddamento
• Telaio e sospensioni, compresi bracci di controllo e staffe
• Parti del motore, tra cui il blocco motore, il pistone, le teste dei cilindri e gli alberi a gomito.

Uno dei motivi per cui la lavorazione CNC è fondamentale per la produzione leggera è la versatilità dei materiali. Può essere utilizzata per creare pezzi di materiali diversi, tra cui alluminio, fibra di carbonio, leghe di titanio, magnesio e altre plastiche specializzate. Questi materiali sono spesso scelti per il loro rapporto resistenza-peso.

È fondamentale mantenere un'elevata precisione dimensionale quando si creano componenti leggeri ottimizzati. Le imprecisioni nelle dimensioni possono compromettere le prestazioni, la funzionalità o l'integrità strutturale del prodotto o del pezzo. Le moderne lavorazioni CNC multiasse, come le macchine a 5 assi, possono creare pezzi multidimensionali complessi. Le modifiche avanzate alla progettazione della produzione leggera che possono essere ottenute con la lavorazione CNC includono:

• Canali interni o cavi complessi: Nella progettazione di sezioni cave di componenti automobilistici come componenti del motore e piastre di raffreddamento, la lavorazione CNC viene utilizzata per rimuovere con precisione i materiali dai componenti interni in un modo praticamente impossibile da ottenere manualmente. Per creare componenti automobilistici leggeri, questa tecnica può essere utilizzata per scavare sezioni dove la resistenza non è necessaria, riducendo così il peso del pezzo.
• Creazione di pezzi con tolleranze strette: La lavorazione CNC può essere utilizzata per ottenere un livello estremo di precisione (circa ±0,01 mm), accuratezza e coerenza. Questo livello di precisione garantisce che ogni pezzo si adatti perfettamente, aumentando la sicurezza grazie all'utilizzo del minor spessore possibile del materiale.

L'alta precisione della lavorazione CNC ottimizza la produzione in modo da ridurre gli sprechi di materiale rispetto ad altri metodi tradizionali. Ciò è particolarmente utile per la produzione automobilistica leggera che utilizza materiali costosi e ad alte prestazioni.

Leggerezza automobilistica grazie alla produzione ibrida

La produzione ibrida è un termine che descrive la combinazione di diverse tecniche di produzione per creare pezzi leggeri. Ad esempio, la lavorazione CNC (un processo di produzione sottrattivo) è abbinata a un processo di produzione ibrido. Stampa 3D (un processo di produzione additiva) per creare pezzi complessi e leggeri con tolleranze strette che sarebbero più difficili da ottenere con uno dei due metodi.

Produzione ibrida con stampa 3D e lavorazione CNC

La produzione ibrida sfrutta i punti di forza complementari delle singole tecniche in termini di efficienza dei materiali, progettazione e finitura. Una comune produzione ibrida leggera combina i poteri della stampa 3D e della lavorazione CNC.

La stampa 3D viene utilizzata per creare geometrie interne molto complesse, come canali o reticoli cavi. La produzione ibrida consente un livello di libertà di progettazione ineguagliato da altri metodi. Il punto di forza di questo processo di produzione additiva è la creazione di questo tipo di geometrie interne complesse senza compromettere l'integrità strutturale. Tuttavia, ha scarse prestazioni in termini di tolleranza e finitura.

Pertanto, dopo aver stampato in 3D la parte cava utilizzando un materiale leggero, la lavorazione CNC viene utilizzata in post-lavorazione per ottenere il risultato desiderato. tolleranza desiderata ed estrema precisione (±0,002 mm) nella struttura interna e finitura superficiale liscia all'esterno (Ra0,4μm). Altri vantaggi dell'utilizzo di un processo di produzione ibrido e leggero che coinvolge la stampa 3D e la lavorazione CNC sono:

• Maggiore riduzione dei rifiuti di materiale: La stampa 3D viene utilizzata per creare la forma cava e la lavorazione CNC deve rimuovere solo il minimo materiale, riducendo gli sprechi e i costi.
• Cicli di produzione più rapidi: Poiché la stampa 3D e la lavorazione CNC possono essere automatizzate, la combinazione di entrambe elimina la movimentazione manuale dei pezzi, che può rallentare il processo di produzione.
• Razionalizzazione del processo produttivo: Un software integrato gestisce entrambi i processi, contribuendo a eliminare inefficienze ed errori.

Produzione leggera ibrida con stampa 3D e stampaggio a iniezione

La stampa 3D è spesso combinata con lo stampaggio a iniezione, soprattutto nel processo Voxelfill. ^[3]. Il processo è stato sviluppato e brevettato da AIM3D. Il processo Voxelfill utilizza un processo di produzione in due fasi per superare la debolezza associata all'asse Z delle parti stampate in 3D strato per strato, come segue:

• Il primo passo è la creazione della struttura reticolare con la stampa 3D: La struttura, che assomiglia a un nido d'ape, è stampata in 3D con un sistema di modellazione a estrusione di compositi.
• Il secondo passo è il riempimento del reticolo o riempimento dei voxel: Un estrusore viene utilizzato per iniettare materiale termoplastico nelle cavità interne del reticolo. Il materiale di riempimento può essere costituito da schiume e ha lo scopo di aumentare la rigidità e la resistenza senza aumentare il peso.

Il futuro della produzione leggera ruota attorno alla progettazione multi-materiale (MMD). Invece di una sostituzione generalizzata dei materiali, la MMD colloca strategicamente il materiale migliore per un requisito specifico nella giusta posizione. Ad esempio, l'acciaio ad alta resistenza può essere utilizzato nelle aree che richiedono un'elevata resistenza agli urti, mentre l'alluminio viene impiegato nei pannelli esterni dove la priorità è la riduzione del peso.

Riferimenti

[1] Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. (n.d.). Materiali leggeri per auto e camion. Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Università del Tennessee Knoxville. (2023, 27 febbraio). Uno studente di dottorato testa la resistenza agli urti dei compositi con una profondità senza precedenti. Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24 ottobre). Qual è il processo di Voxelfill? Engineering.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/