Processi di formatura dell’alluminio nel settore automobilistico: stampaggio a caldo, imbutitura profonda idromeccanica, Gigacasting

Stampaggio a caldo delle leghe di alluminio

La carenza di energia e il deterioramento ambientale stanno determinando profondi cambiamenti nel settore automobilistico. Le ricerche indicano che una riduzione della massa totale del veicolo del 10% può migliorare l’efficienza nei consumi dal 6% all’8% e ridurre le emissioni del 4%. La riduzione del peso dei veicoli è quindi diventata un tema di ricerca di primaria importanza negli Stati Uniti, in Germania, in Giappone e in altri paesi produttori di automobili. I tre approcci principali sono: l’utilizzo di materiali leggeri ad alta resistenza, l’ottimizzazione strutturale e i processi di formatura avanzati.

Le leghe di alluminio sono materiali leggeri ormai consolidati nelle applicazioni aerospaziali. Con la diminuzione dei costi dei materiali, i loro vantaggi in termini di riduzione del peso le hanno rese uno dei materiali leggeri in più rapida crescita nei veicoli a combustione di fascia media e alta e nei veicoli elettrici a nuova energia. L’alluminio può essere lavorato a freddo o a caldo. A temperatura ambiente, presenta bassa duttilità e formabilità, un ritorno elastico difficile da controllare e una precisione dimensionale incerta. A temperature elevate, generalmente comprese tra 200 e 450 °C, la formabilità delle lamiere migliora all’aumentare della temperatura, a vantaggio della produzione dei pannelli della carrozzeria automobilistica. Per i pannelli complessi, ad alta resistenza e ad alta precisione si ricorre quindi spesso alla formatura a caldo.

Lo stampaggio a caldo è diventato un importante ambito di ricerca sia in ambito accademico che industriale. I componenti in alluminio stampati a caldo hanno sostituito alcune parti convenzionali in acciaio nei montanti A, nei montanti B, nei cofani e in altre zone critiche della carrozzeria. Austria Metall AG ha prodotto la trave di sicurezza della BMW i8 in alluminio AA7075 mediante stampaggio a caldo. La Land Rover L405 ha utilizzato alluminio della serie 6xxx e lo stampaggio a caldo per realizzare quello che, nel 2015, era il pannello laterale della carrozzeria in un unico pezzo più grande mai realizzato. Aston Martin ha utilizzato la soluzione integrata che combina trattamento termico, formatura e tempra a freddo in stampo (HFQ) per realizzare il complesso rinforzo del montante anteriore della DB11. Morgan ha applicato la tecnologia HFQ al primo cofano realizzato con questo metodo per la sua Aero 8. I ricercatori dell’Università di Tecnologia di Wuhan hanno sottoposto a stampaggio a caldo grezzi saldati su misura mediante saldatura per attrito per produrre un montante B per autoveicoli con elevata precisione dimensionale e buone proprietà meccaniche.

Imbutitura profonda idromeccanica

L'imbutitura idromeccanica è un processo di formatura della lamiera di recente sviluppo in cui un liquido ad alta pressione sostituisce uno stampo rigido. La pressione del liquido spinge la lamiera contro il punzone per formare il componente. È adatta a pezzi complessi e a materiali a bassa duttilità, come le leghe di alluminio, e offre un elevato limite di formatura, una buona qualità superficiale e un'elevata precisione dimensionale.

Un sistema tipico comprende un punzone, una matrice, un dispositivo di fissaggio della lamiera, una camera idraulica e una valvola di sicurezza idraulica. La camera viene riempita di liquido, la lamiera viene posizionata e il dispositivo di fissaggio la blocca contro la matrice. Man mano che il punzone spinge la lamiera nella camera, la pressione regolata dalla valvola di sicurezza mantiene la lamiera saldamente contro il punzone. Tra la lamiera e il punzone si sviluppa un'utile forza di attrito di ritenzione, mentre la lubrificazione con fluido tra la lamiera e la matrice riduce l'attrito e migliora la qualità della superficie e il limite di formatura.

La figura seguente mette a confronto l'imbutitura convenzionale con quella idromeccanica.

[SPAZIO RISERVATO ALL'IMMAGINE: Confronto tra imbutitura convenzionale e idromeccanica]

1. Costi di stampo inferiori e ciclo di produzione più breve. Il liquido ad alta pressione sostituisce sia il punzone che la matrice, quindi è necessario un solo utensile rigido.
2. Elevata precisione dimensionale e buona qualità superficiale. La lubrificazione a fluido tra la flangia e lo stampo riduce notevolmente la formazione di graffi durante la formatura.
3. Limite di formatura più elevato. La ritenzione per attrito, la lubrificazione per trabocco e il rigonfiamento iniziale in senso inverso riducono la formazione di crepe in corrispondenza del raggio del punzone e la formazione di grinze nelle aree non supportate. Il rapporto di imbutitura aumenta, sono necessarie meno fasi di formatura e i costi diminuiscono.
4. Adatto a pezzi complessi. I componenti strutturalmente o geometricamente complessi possono essere disegnati in un'unica operazione, consentendo di risparmiare tempo e migliorare l'utilizzo del materiale.
5. Spessore più uniforme. La ritenzione benefica dell'attrito riduce la sollecitazione di trazione radiale, favorisce un flusso uniforme della lamiera, riduce l'assottigliamento e la concentrazione delle sollecitazioni e migliora l'uniformità dello spessore delle pareti.
6. Risparmi sui materiali e sulla lavorazione. Il processo riduce il consumo di materiale e i costi di lavorazione.

Pressofusione integrata

Dal 2020, Tesla utilizza la pressofusione integrata per riunire più di 70 componenti della carrozzeria posteriore in un unico pezzo fuso, mettendo in discussione i metodi convenzionali di stampaggio e saldatura e rivoluzionando la produzione della carrozzeria. La pressofusione offre elevata produttività, precisione dimensionale, prestazioni meccaniche, ottimizzazione dell’utilizzo del materiale e vantaggi economici nella produzione di massa. Un pezzo fuso in un unico pezzo elimina la complessa sequenza di stampaggio e saldatura, riduce i requisiti di attrezzatura e i controlli di processo pezzo per pezzo ed evita l’accumulo di errori di assemblaggio. Poiché il componente utilizza un unico materiale, gli scarti possono essere rifusi direttamente per realizzare altri prodotti.

La Model Y è stata la prima auto di Tesla a utilizzare questo processo, con il sottoscocca posteriore realizzato come un unico pezzo fuso. Rispetto alla Model 3, la Model Y ha ridotto il numero di componenti di 79, ha portato i punti di saldatura da 700-800 a 50 e ha ridotto i tempi di produzione da 1-2 ore a 3-5 minuti.