Ridurre il peso dei componenti per le applicazioni automotive

L'adozione del magnesio

Un aspetto che occorre considerare prima di imbarcarsi in qualsiasi progetto di riduzione del peso è di esaminarlo scomponendo l'unità in vari pezzetti. A meno che stiate creando o riprogettando un alloggiamento per la trasmissione di un autoarticolato a 18 ruote ad alta efficienza energetica, sarà difficile ridurre in modo significativo il peso di un singolo pezzo. La soluzione logica per ottenere la riduzione del peso di un veicolo adibito al trasporto passeggeri, è quella di ridurre leggermente il peso di ciascun componente. Lo specchietto retrovisore utilizzato negli autoveicoli, ad esempio, un tempo era sufficientemente pesante da poterci piantare un chiodo dentro. Oggi, la maggior parte degli specchietti retrovisori è formata da un telaio in magnesio e da un involucro in plastica, eppure possiede la stessa resistenza e funzionalità dei suoi corpulenti predecessori. Il trucco consiste nello sviluppare prodotti che soddisfino i requisiti di contenimento dei costi e di applicazione, ma utilizzino materiali alternativi e design intelligenti per ridurre il peso.

Fortunatamente per i progettisti, la vasta offerta di materiali di prototipazione e tecnologie di produzione avanzate attualmente disponibili offre opportunità innovative per eseguire prove iterative a percorso parallelo. Per esempio, quando si considera l'idoneità di un materiale per il design della ghiera di un faro anteriore leggero, potrebbe essere una buona idea iniziare dal magnesio.

Per chi teme che i componenti in magnesio si possano incendiare sul campo, non deve preoccuparsi, in quanto il magnesio è presente ovunque. Il Maggiolino della Volkswagen per decenni è stato dotato di un blocco motore in lega di alluminio e la BMW ha iniziato ad usare il magnesio per il basamento della sua N52 a sei cilindri e i coperchi delle teste dei cilindri nel 2005. I gradi AZ31 e AZ91 della lega in magnesio usati da Protolabs possono essere persino saldati e hanno un punto di fusione di circa 482 °C. Se non dovete progettare il rivestimento interno leggero di un forno, il magnesio rappresenta una scelta eccellente per molti componenti diversi. In tutto il mondo, le aziende del settore automotive stanno utilizzando sempre più il magnesio per la sua resistenza, leggerezza e abbondante offerta, in quanto può essere estratto dall'acqua di mare.

Alternative in plastica

Il magnesio e l'alluminio rappresentano eccellenti alternative all'acciaio in termini di leggerezza, ma anche i materiali termoplastici e termoindurenti possiedono una ottima resistenza. Per sostituire i pezzi in metallo, è anche possibile utilizzare un'ampia scelta di polimeri rinforzati in vetro, metallo o ceramica così come la gomma siliconica liquida (LSR), riducendo in tal modo il costo e il peso del prodotto e migliorando al contempo la sua durevolezza.

Un metodo di produzione rapida di pezzi in magnesio che si sta attualmente diffondendo è lo stampaggio a iniezione (conosciuto anche con il nome di thixomoulding, disponibile presso lo stabilimento statunitense di Protolabs). In questo caso, schegge di feedstock di magnesio vengono caricate nella tramoggia di una pressa di stampaggio. Vengono poi applicati calore e agitazione, che portano il carico di magnesio allo stato semi solido, al raggiungimento del quale viene “sparato” sotto pressione nella cavità dello stampo attraverso un sistema tramoggia/barilotto/vite senza fine. Ne consegue che è possibile produrre componenti in magnesio totalmente funzionali in volumi ridotti e ad una frazione del costo dei pezzi “di serie lavorati”.

Molti tecnici di produzione associano il magnesio alla pressofusione, che per molto tempo ha rappresentato il metodo tradizione di produzione ad alti volumi di questo onnipresente metallo. Lo stampaggio a iniezione del magnesio offre tuttavia numerosi e chiari vantaggi rispetto al suo equivalente ormai “datato”. Il thixomoulding è essenzialmente un processo “a freddo”, in quanto avviene poco al di sotto del punto di fusione del magnesio. Per questo motivo, si hanno ritiro e deformazione minori rispetto ai pezzi pressofusi, e anche le proprietà meccaniche di quelli stampati mediante thixomoulding sono generalmente migliori. Il processo più freddo richiede anche un'utensileria meno sofisticata, in quando bassi sono i requisiti di canali di raffreddamento. E poiché la miscela di magnesio viene alimentata nello stampo a pressione molto alta, in alcuni casi il doppio di quella della pressofusione, è possibile realizzare dettagli molto fini dei pezzi. Tenendo in considerazione tutti questi aspetti, il thixomoulding si rivela come scelta vincente per molti componenti in magnesio, sia per quanto riguarda i prototipi che la produzione in volumi ridotti.

Un altro processo di prototipazione ormai consolidato è la stereolitografia (SLA), una delle prime tecnologie di produzione additiva. Protolabs si avvale della SLA per stampare sei gradi di polimeri suddivisi in tre gruppi primari: ABS, policarbonato e polipropilene. È importante ricordare che questi materiali replicano quelli plastici e non sono adatti alla realizzazione di prodotti funzionali. Tuttavia, la SLA consente di ottenere prototipi molto accurati e rappresenta il primo passo logico per la realizzazione iniziale di pezzi fisici concettuali leggeri. Per i test di forma e adattamento dei prodotti destinati alla pressofusione, esiste il SLArmor, un materiale additivo nichelato e rinforzato con ceramica, molto leggero ma al contempo sufficientemente resistente da sostituire il metallo in alcuni casi, e una soluzione ideale per molte applicazioni che richiedono componenti leggeri.

Nell'elenco delle tecnologie di stampa 3D segue poi la sinterizzazione laser selettiva, limitata a quattro tipi di materiali in PA (nylon) industriale utilizzati da Protolabs, due dei quali sono rinforzati per le applicazioni che richiedono una resistenza elevata al calore e una integrità strutturale superiore. Come tutti i processi additivi eseguiti presso Protolabs, la SLS si avvale di un fascio laser per disegnare ogni strato di un pezzo. Le caratteristiche sono leggermente meno accurate rispetto a quelle ottenute con la SLA, ma assolutamente utili per i collaudi funzionali. Di tutti i materiali in plastica disponibili presso Protolabs, il PA (nylon) rinforzato con vetro è uno dei più utilizzati dai produttori automotive, principalmente per il suo basso costo e la elevata resistenza, seguito immediatamente dopo dal policarbonato rinforzato con vetro. Per questi motivi, la SLA e la SLS sono entrambe molto adatte alla prototipazione di pezzi leggeri.

Un altro processo di produzione additiva che offriamo sempre più diffusamente è la DMLS, ovvero sinterizzazione laser diretta dei metalli. In Protolabs ci avvaliamo di questa tecnologia che fonde gli strati di una polvere metallica ad uno spessore di soli 0,02 mm (20 micron) per creare forme complesse di pezzi, densi al 98%, spesso impossibili da realizzare con altri processi. È molto accurata, con tolleranze che variano da +/- 0,1 mm a +/- 0,2 mm più altri 0,005 mm, ottenute solitamente sui pezzi ben progettati.

In Protolabs, la DMLS funziona con l'alluminio e il titanio, per cui rappresenta un'ottima soluzione per la produzione di pezzi leggeri, ma viene anche usata con l'acciaio inossidabile 316L e 17-4PH, lega di cromo-cobalto e l'Inconel, metalli conosciuti per la loro estrema resistenza termica e durevolezza piuttosto che per la loro leggerezza. Vi potreste chiedere come mai un processo additivo che utilizza metalli come questi sia diventato argomento di discussione in un white paper sulla leggerezza dei componenti. Il motivo è semplice: la DMLS è in grado di realizzare pezzi in metallo che fino ad oggi erano soltanto nella fantasia dei progettisti. Pezzi più cavi di un uovo di Pasqua, curve e sfere simili a quelle create da Escher, pareti ultrasottili e strutture a reticolo simili a ragnatele, consolidamenti di assemblaggi multipezzo in un unico componente sinterizzato: queste non rappresentano che alcune delle molteplici possibilità di ridurre il peso dei pezzi offerte dalla DMLS (così come dalla SLA e dalla SLS).

La DMLS è più lenta di altri processi additivi e più costosa; se il design del vostro pezzo può essere lavorato a macchina o stampato in modo efficiente, questa tecnologia potrebbe non essere il metodo di produzione che più risponde alle vostre esigenze. Ma per gli assemblaggi complessi, le forme improbabili o i pezzi nei quali piccoli quantitativi di superleghe danno risultati davvero strabilianti, la DMLS potrebbe rappresentare il processo più adatto a ridurre il peso del pezzo e i costi di produzione. Infine, la DMLS non viene usata soltanto per realizzare prototipi: nel caso in cui un pezzo complesso di piccole dimensioni risulti troppo difficile o dispendioso da produrre con i metodi tradizionali, la DMLS rappresenta spesso un'alternativa fattibile per la produzione in volumi ridotti, di alcune migliaia di pezzi.

Considerazioni finali

Immaginate di progettare una pompa d'acqua. Il policarbonato rinforzato con vetro potrebbe servire per realizzare una girante robusta e leggera, i tappi di scarico in ottone potrebbero essere facilmente sostituiti dall'ABS o dal polipropilene e il materiale NanoTool nichelato e rinforzato con ceramica potrebbe essere usato per la piastra posteriore. In ciascuno di questi casi, potreste avvalervi della SLA per stampare in 3D diverse iterazioni del design da sottoporre ai test di forma e adattamento, seguite da una dozzina di prototipi lavorati a macchina per i collaudi funzionali ed infine passare alla stampa a iniezione di diverse migliaia di pezzi. Inoltre, l'alloggiamento in ghisa della pompa potrebbe essere sostituito da uno in magnesio.

Per soddisfare i requisiti di leggerezza, una delle sfide più grandi consiste nel vagliare tutte le diverse possibilità. Questo perché migliorare il design di un prodotto automotive non comporta semplicemente la scelta di qualunque materiale risulti essere il più leggero in sostituzione dell'acciaio o del ferro utilizzati tradizionalmente. I pezzi in plastica che, alla fine, saranno prodotti in massa con lo stampaggio a iniezione devono essere progettati sin dall'inizio con i corretti angoli di spoglia e spessori di parete. Occorre tenere in considerazione gli espulsori, così come le aree con i sottosquadri, stretti raggi interni e una varietà di altri dettagli che permetteranno di realizzare oppure no il vostro pezzo leggero.