Progetto auto leggere: materiali, assemblaggio e norme europee

I NUOVI MATERIALI

La tecnica costruttiva delle vetture è sempre più sofisticata e impiega materiali metallici ad alta tecnologia.

I veicoli di recente costruzione (almeno dall’inizio del nuovo millennio) hanno subito un radicale cambiamento nella progettazione delle strutture, con l’introduzione di nuovi materiali e metodi di assemblaggio:

Materiali:

• Leghe di alluminio;

• Acciai alto resistenziali;

• Compositi.

Assemblaggio:

• Incollaggi;

• Rivettature;

• Saldature differenti per metodo applicativo (laser, punti resistenza, MIG).

In passato, le carrozzerie delle auto erano progettate senza tener troppo conto di assorbire l’energia cinetica di un incidente prima di scaricarsi direttamente alla cabina passeggeri. I costruttori si sono concentrati sulla distribuzione delle forze esercitate dall’impatto al fine di dissipare l’energia, riducendo la sua trasmissione nell’abitacolo.

Le auto moderne sono pertanto caratterizzate da zone di deformazione progressiva: elementi strutturali che assorbono parte dell’energia dell’impatto, piuttosto che trasferirla nella cabina, mentre nell’impatto laterale, l’energia assorbita è più difficile da dissipare, perché le aree sono più esposte, con grandi spazi, come nell’alloggiamento delle porte, pertanto la protezione si concentra sul rafforzamento della struttura per evitare deformazioni dei montati porte e lesioni agli occupanti nella zona d’impatto. Oltre ai materiali e ai metodi di assemblaggio, i nuovi veicoli sono dotati di dispositivi per la sicurezza attiva e passiva. Prima di procedere, occorre precisare come il prodotto auto dagli anni 90 a oggi abbia subito notevoli cambiamenti, in particolare nell’ultimo periodo vi è stata una vera e propria rivoluzione nel modo di progettare e costruire l’auto, non solo con l’utilizzo di materiali più diversificati e sofisticati e con le tecniche di assemblaggio, ma anche per la protezione delle lamiere e la finitura estetica.


LE NORME EUROPEE

I costruttori di veicoli progettano e innovano i loro prodotti nel tempo, ma l’accelerazione degli ultimi tempi è stata dettata dall’introduzione di norme sempre più severe relative alla sicurezza del veicolo e alla necessità di soddisfare i desideri dei clienti con l’introduzione di sempre più numerose dotazioni, con conseguente incremento delle masse veicolari e maggiori consumi ed emissioni.

Per tale motivo, la commissione Europea in accordo con l’industria automobilistica (ACEA), ha deciso di correre ai ripari, introducendo norme finalizzate alla riduzione dei consumi delle emissioni e, nello stesso tempo, al controllo delle modalità di dismissione, riciclo o riutilizzo dei veicoli a fine vita.


IL PESO

L’industria automobilistica ha dovuto scegliere nella progettazione lo sviluppo di veicoli più leggeri, con ridotto impatto ambientale per emissioni e minor consumo di combustile. Il 75 per cento dei consumi di carburante è direttamente connesso con il peso del veicolo e riduzioni di peso potenziale si traducono in una migliore rapporto qualità/prezzo tanto da stimolare l’utilizzo di materiali leggeri.

La scelta dei materiali nella costruzione delle scocche auto è un compromesso tra: peso, resistenza meccanica, facilità di assemblaggio industriale e costo. Dopo aver sperimentato varie soluzioni utili per la riduzione del peso, le industrie costruttrici sono arrivate alla determinazione che l’obbiettivo è raggiungibile solo attraverso l’impiego di materiali più leggeri.

L’alleggerimento di una struttura autoveicolistica, sia essa un telaio di supporto motore o una scocca completa, richiede una progettazione specifica che incrementi al massimo lo sfruttamento delle caratteristiche meccaniche del materiale. E’ perciò necessario chiedersi innanzitutto qual è la missione strutturale del componente da dimensionare e, in tal senso, la prima macro distinzione da operare è quella tra componenti destinati a soddisfare i requisiti di rigidezza (ad esempio, in una scocca il montante parabrezza) e componenti sfruttati principalmente a resistenza (ad esempio, le strutture collassabili a urto).

La carrozzeria di un veicolo può comprendere oggi fino a 12 diversi tipi di materiali di cui la maggior parte sono acciai alto resistenziali termosensibili, quindi difficili da allineare e riparare. Un buon numero di questi richiede tecniche speciali al momento della sostituzione e della saldatura/puntatura. Risulta, quindi evidente che la scelta tra i differenti materiali apre una nuova prospettiva al progettista: la ricerca della massima efficienza strutturale attraverso l’impiego del materiale appositamente “tagliato” per quella applicazione. Le considerazioni che si possono trarre per ispirare una progettazione di massima efficienza sono le seguenti leghe di alluminio e magnesio consentono riduzioni di massa interessanti rispetto all’acciaio; la fibra di carbonio (C-Epoxy) offre il massimo potenziale di alleggerimento nel dimensionamento a resistenza e nel caso della rigidezza, se applicata a pannelli piani sollecitati a flessione (ad esempio padiglione ) o a travi sollecitate a torsione. Non sempre viene scelto il materiale maggiormente performante; il costo fa la differenza. Come è possibile vedere nella tabella sottostante, le fibre di carbonio sono oggi in assoluto le più costose, sia in termini specifici sia nella costruzione del singolo particolare, rispetto all’acciaio “dolce”, mentre le leghe di alluminio sono rispettivamente superiori di quattro e due volte. L’acciaio ad alta resistenza ha, invece il costo praticamente allineato all’acciaio tradizionale, ecco perché in certe strutture è privilegiato rispetto agli atri metalli o composti.

L’industria automobilistica, pressata da normative sempre più restrittive e dalla necessità di trovare processi industriali a costi contenuti ha dovuto ricercare nuove soluzioni per tutte le componenti del veicolo che contribuiscano, oltre a ridurre il peso, anche l’accorpamento e la diminuzione del numero dei pezzi vengono assemblati, maggiore rigidità si avrà nella struttura. Una fiancata interna, per la quale occorreva l’assemblaggio di 12 pezzi, oggi si costruisce con la metà o anche meno.


FLESSIONE E TORSIONE DELLE SCOCCHE

Nel tentativo di ottimizzare qualità del prodotto e i costi, i costruttori lavorano sempre più attentamente per migliorare le doti di resistenza delle scocche. Nella soluzione autoportante, infatti, la rigidità complessiva della carrozzeria è fondamentale per garantire alle sospensioni una base di appoggio sicura per poter svolgere il loro lavoro.

Un tempo la rigidità di una scocca veniva determinata anche dall’aggiunta di elementi come i vetri. Il contributo di questi componenti è sempre stato notevole ai fini della rigidezza complessiva della vettura, ma oggi le cose stanno cambiando. Molte volte accade , infatti che una stessa piattaforma venga utilizzata per realizzare più versioni di carrozzeria. Ciò implica la presenza di superfici vetrate di geometria ed estensione differente, caratteristica che può influenzare pesantemente le doti di resistenza dell’intera scocca. Proprio per questo motivo, ultimamente, i costruttori sono portati ad analizzare la rigidità delle scocche nude, meglio note come “body in white” (da qui in poi per brevità BIW). La rigidità flessionale e torsionale delle scocche moderne è un parametro importantissimo per garantire le necessarie doti di handling e il corretto comportamento a crash.

LE PLASTICHE

Per conseguire la diminuzione di peso, vengono gradualmente utilizzate le materie plastiche, l’alluminio e, più recentemente, gli acciai ad alta resistenza. Inizialmente la plastica è stata introdotta nei veicoli attraverso i paraurti, che sono le parti più esposte a essere danneggiate e, quindi, sottoposte a un’alta frequenza di riparazione.

Il lattoniere si è trovato di fronte a un materiale completamente diverso, con elevate proprietà elastiche, che non poteva essere conformato meccanicamente come la lastra d’acciaio, ma non poteva neppure essere saldato così come si era abituati a fare. Sorgono pertanto nuove tecniche di riparazione, mediante l’utilizzo generalizzato degli adesivi e l’applicazione del calore per conformare le deformazioni che, insieme all’ utilizzo di bacchette di materiale d’apporto, danno la possibilità di riparare crepe. Il tecnico passa, quindi, dal lavoro con attrezzi meccanici e sistemi di saldatura elettromeccanica al dover utilizzare soffietti ad aria calda, stecche di plastica o materiali chimici: un processo più fisico che meccanico, più delicato se vogliamo, e nel quale la pulizia ha un posto preferenziale.

Si passa dall’uso di protezioni personali contro colpi o scottature a quelle per evitare il contatto con materiali chimici o l’inalazione di vapori. Avremo comunque modo di vedere più nel dettaglio interventi riparativi su particolari plastici nell’apposito capitolo riservato alla loro riparazione.

Entro il 2020 si prevede che l’impiego delle materie plastiche nella produzione di autoveicoli raddoppierà.