Rubrica: Tecnologie utili ai mezzi elettrici ed ibridi, ma non solo…
Titolo o argomento: Multi-materials concept
Prosegue dall’articolo: Verso la riduzione della massa dei veicoli ibridi – Parte prima
Circa un quarto della massa di un autoveicolo è rappresentato dall’insieme delle parti strutturali saldate prima che vengano montati gli elementi della carrozzeria, le portiere, i cofani, i passaruota, i paraurti, i vetri, gli interni, la meccanica e gli impianti. Il veicolo, in questa fase della sua produzione, viene denominato “Body In White” (BIW) ed è costituito esclusivamente da quello che potremmo definire il suo nucleo. Il BIW è la parte che generalmente è più soggetta a sforzi di ricerca, progettazione e analisi di tecnologie disponibili per la riduzione della sua massa. Nella storia dell’automobile, il “Body In White”, ha attraversato un profondo cambiamento dei materiali impiegati a partire dal legno, la ghisa, l’acciaio HSS (high-strength steel – acciaio ad alta resistenza), l’acciaio AHSS (advanced high-strength steel), l’alluminio, il magnesio, fino ai compositi a matrice polimerica (PMCs). Tra il 1995 ed il 2007 l’uso dell’alluminio per la struttura dell’autoveicolo è aumentato del 23%, l’uso dei compositi a matrice polimerica è aumentato del 25%, l’impiego del magnesio è aumentato del 127%. Ora che è possibile impiegare materiali di ottimo livello si può procedere ad un ulteriore riduzione della massa tramite le tecnologie di progettazione ottimizzata (vedi anche l’articolo relativo all’ottimizzazione topologica). Mediante tali tecnologie si può ad esempio asportare il materiale in eccesso che non è coinvolto in una determinata sollecitazione (o in un insieme di sollecitazioni) e di cui il veicolo fa volentieri a meno.
Ottimizzare le masse primarie (quelle del BIW) ovviamente permette poi di ridurre anche le masse secondarie. Pesando meno il veicolo è infatti possibile utilizzare motori, trasmissioni e sospensioni più leggere. Si tratta di un approccio di tipo olistico (la sommatoria funzionale di un insieme è sempre legata alla prestazione delle singole parti che lo compongono) che prevede un sistema di progettazione integrato del veicolo. Non solo le geometrie vengono studiate per inserire materiale solo laddove si presentano delle sollecitazioni, ma oggi è anche possibile utilizzare differenti materiali per completare una medesima struttura (multi-material approach) grazie anche a nuovi avanzati processi manifatturieri. Per raggiungere la riduzione di massa desiderata possono essere impiegati metodi quali la sostituzione dei materiali, l’ottimizzazione strutturale, l’integrazione strutturale e l’integrazione funzionale.
In confronto ad una normale struttura in acciaio, la struttura in HSS realizzata da Auto Steel Partnership raggiunge una riduzione di massa tra il 20% ed il 30%. La struttura in alluminio realizzata per le Jaguar XJ o per le Audi A8 e A2, raggiunge addirittura una riduzione di massa che va dal 30% al 40%. Infine la riduzione di massa ottenuta da Lotus, grazie ad una struttura multi-materiale costituita per il 37% da alluminio, per il 30% da magnesio e per il 21% da PMCs, raggiunge un valore del 38%. E’ chiaro ormai che, utilizzando un materiale con caratteristiche meccaniche migliori, è possibile ottenere una sostanziale riduzione di massa ma il grande potenziale deriva da un sistema integrato multi-materiale che sfrutta le proprietà di alluminio, magnesio, PMCs, e acciaio AHSS.
Sebbene l’utilizzo di materiali avanzati comporti un incremento dei costi di produzione, la progettazione integrata del veicolo, con un approccio multi-materiale e nuovi processi manifatturieri, arriva invece a costare persino meno di una tradizionale progettazione. Nel bilancio diverse case automobilistiche hanno dimostrato di poter ottenere una significativa riduzione delle masse in gioco con un impatto sui costi moderato o addirittura vantaggioso: Volkswagen ha realizzato un prototipo superleggero risparmiando 8 Euro per ogni chilogrammo di massa in meno; Lotus ha ottenuto una riduzione dei costi complessiva del 2%.
