Il settore automotive strizza l’occhio a veicoli sempre più leggeri. Una tendenza che sta condizionando i produttori di materiali e tecnologie del comparto delle materie plastiche
Contenere il consumo di carburante e le emissioni inquinanti sono i target posti all’industria automobilistica, che ha individuato nella riduzione di peso la strategia principale per conquistarli. In quest’ottica, l’uso di compositi termoplastici, con buone performance di resistenza meccanica, termica, chimica in un sempre maggior numero di componenti strutturali o sottocofano, appare ai più una soluzione promettente.
Emissioni zero
Paradigmatico è l’esempio di PSA Peugeot Citroën, secondo produttore automobilistico europeo. L’obiettivo, ambizioso ma possibile, è alleggerire di oltre 200 chili in media la massa totale dei veicoli entro il 2020-2025. Ciò permetterebbe di non superare il tetto massimo di 95 grammi di anidride carbonica (CO2) al chilometro di emissioni medie per costruttore previsto dalla normativa UE. «100 chili in meno si traducono in una riduzione di 10 grammi al chilometro delle emissioni di CO2: per esempio, nel solo vano motore, la sostituzione del metallo con materiali plastici rinforzati permetterebbe di snellire ciascun veicolo di circa 11 chili», osserva Patrick Cazuc, responsabile europeo di DuPont Performance Polymers.
In collaborazione con Peugeot Citroën, DuPont ha sviluppato una barra anti-intrusione laterale “dimagrita” del 40% rispetto alla versione precedente, realizzata in acciaio a ultraelevata resistenza (UHHS): il materiale composito, inoltre, è più efficace nell’assorbimento di energia cinetica e ha superato con successo i crash test del gruppo automobilistico francese. Il componente è stato prodotto con la nuova tecnologia Vizilon, che utilizza i cosiddetti organic sheet (foglie organiche), semilavorati termoplastici rinforzati con fibre continue, combinando le tecnologie dello stampaggio con inserti e del sovrastampaggio. Il processo è articolato in due fasi per assicurare un controllo ottimale sull’orientamento delle fibre del pre-preg, che permette la rigidità e la capacità di assorbire urti richiesta nell’auto agli elementi strutturali o portanti: il telaio dei sedili, le traverse, i paraurti e i sistemi di sospensione.
«Dal 2013-2014, gli standard Euro 6 sulle emissioni porteranno una nuova generazione di motori imponendo per i motori diesel e a benzina gli stessi limiti sulle emissioni: i produttori si propongono pertanto di ridurre di pari passo i gas di scarico e il consumo di carburante. Una tendenza del comparto sottocofano, in linea con questi must, suggerisce la realizzazione di coppe dell’olio in poliammide 6.6 con un contenuto di fibra di vetro del 35 %» spiega Klaus Bendl di ElringKlinger.
L’azienda ha utilizzato Zytel di DuPont, una poliammide 6.6 rinforzata con il 35% di fibra di vetro per stampare due coppe olio montate nei motori diesel dei camion Mercedes-Benz a 4 e 6 cilindri: pesano 4,5 e 6,3 chili, la metà rispetto agli stessi pezzi in alluminio, e sono più silenziosi di circa 2 dB. Integrano il gruppo aspirazione olio e i sensori di livello olio, resistono all’impatto. «La fluidità di Zytel ha consentito di ottenere tempi rapidi di cristallizzazione e cicli di stampaggio molto veloci – sottolineano in DuPont –; la bassa viscosità del fuso assicura il riempimento delle sezioni sottili e articolate dello stampo per ottenere il controllo accurato della tolleranza, critico in un componente così grande».
Il trend è confermato da DSM Engineering Plastics, che ha prestato la poliammide 6 Akulon Ultraflow K-FHG7, caricata con fibra di vetro al 35%, stabilizzata al calore e molto fluida, a un’applicazione sviluppata in collaborazione con il costruttore di stampi francese Steep Plastique e la casa automobilistica Peugeot. La coppa per l’olio stampata a iniezione pesa il 60% in meno della versione precedente in metallo.
CAE incluso
Un approccio ibrido che associa tecnopolimeri e compositi come quello di DuPont è adottato anche da BASF nel pacchetto Ultracom, pensato come piattaforma integrata per lo sviluppo completo di un prodotto dal concept al collaudo. Un laminato composto da un tessuto a base di fibre di vetro continue e unidirezionali è impregnato con poliammide o PBT – le resine sono selezionate secondo le specifiche richieste dall’applicazione –, preformato tramite riscaldamento nello stampo, sovrastampato con un compound termoplastico, anch’esso a base di PA o PBT, e applicato a un supporto in tecnopolimero con funzioni strutturali.
Sviluppata con il produttore di compositi TenCate e il fornitore di fibra vetro Owens Corning, la tecnologia Ultracom prende corpo in prodotti finiti nell’impianto pilota di Ludwigshafen, costituito da un’unità per l’inserimento automatico del laminato nella cornice dello stampo, da un robot a sei assi attrezzato con un dispositivo di presa a ventosa, una stazione di riscaldamento a infrarossi e una macchina a iniezione KraussMaffei KM 300 1400C2 con forza di chiusura di 300 tonnellate, interfacciata con robot e termoregolatore. All’interno di questa cella viene effettuata in automatico la produzione simultanea di tre semilavorati nelle diverse fasi di processo; i tempi ciclo sono dell’ordine di un minuto, ovvero analoghi a quelli richiesti da uno sovrastampaggio standard. In occasione del K 2013, BASF presenterà alcuni pezzi stampati con tecnologia Ultracom: in particolare un impegnato Ultralaminate a base di PA6 sovrastampato con Ultramid G12 COM rinforzato con 60% fibre vetro. Un secondo esempio applicativo, destinato all’assorbimento degli urti, prevede la combinazione di Ultralaminate e Ultramid ZG7 COM.
Per verificare a monte e a valle del processo la conformità dei componenti ai requisiti richiesti dall’applicazione, BASF ha messo a punto moduli dedicati del software di simulazione Ultrasim e il test multifunzionale CIFO (Combination of In-mold Forming and Overmolding), che analizza oltre venti parametri per valutare le caratteristiche e le potenziali criticità delle pezzi.
Automazione degli ibridi
I compositi permettono di realizzare componenti plastici leggeri e resistentissimi, in grado di sostituire il metallo, permettendo così al settore auto di perseguire l’obiettivo di ridurre il peso delle vetture e le emissioni di CO2. La tecnologia Organomelt sviluppata da Engel serve perfettamente allo scopo, perché permette di sovrastampare un laminato termoplastico (lastra di fibra di carbonio o di vetro pre-impregnata con una resina termoplastica) per realizzare un componente leggero, rigido, robustissimo con qualità costante e con costi e tempi di produzione accettabili, anche in lotti relativamente grandi per i compositi. La ripetibilità e la produttività del processo sono rese possibili dall’ausilio di robot per la manipolazione precisa dei laminati, cruciale nel determinare la resistenza del manufatto: la disposizione calibrata di fibre e pre-preg, studiata con l’ausilio di simulazioni CAE, determina l’efficacia del componente.
Lo stampaggio ibrido Organomelt costituisce una delle tecnologie all’avanguardia di Engel, le è valso il premio “Composite Innovations Award 2011” per il processo di produzione di un pedale del freno in composito, con geometria ottimizzata per resistere alle sollecitazioni, del tutto in grado di sostituire il componente in metallo. Il processo, che è stato sottoposto a continui miglioramenti per incontrare le esigenze dell’industria automobilistica, verrà presentato al K 2013 nella sua versione finale.
Un’isola automatica fabbricherà componenti già pronti per il montaggio, che non richiedono alcuna lavorazione di ripresa. Sviluppato in collaborazione con ZF-Friedrichshafen, il pezzo è realizzato a partire da una foglia organica, riscaldata con sistema a infrarossi, posizionata dal robot antropomorfo Engel easix, preformata nello stampo e sovrastampata con poliammide nella macchina a iniezione verticale Engel insert 1050H/200. Il componente, a parità di resistenza meccanica, pesa il 30% in meno dei pedali in acciaio. L’unità di controllo del robot antropomorfo è incorporata in quella della macchina a iniezione, perciò i movimenti del robot sono coordinati e di agile programmazione: poiché il robot può accedere ai parametri della pressa, la pinza di presa può avanzare nell’area stampo già durante la fase di apertura dello stampo, abbattendo i tempi ciclo. La sincronizzazione dei movimenti è particolarmente importante affinché i semilavorati preriscaldati non si raffreddino prima della formatura. Il robot multiasse, preciso nel posizionamento delle foglie, garantisce la costanza qualitativa del processo.
Il costruttore di macchine a iniezione austriaco si sta rapidamente inserendo nel settore dei compositi, per il quale ha già realizzato sistemi completi per la produzione di pezzi leggeri in fibra di carbonio impregnata con poliuretano o resina epossidica, grazie all’impiego della tecnologia a trasferimento di resina (RTM), altrettanto interessante per il buon rapporto tra costo e prestazioni dei manufatti. Il sistema è completamente automatizzato e ha il suo fulcro nella pressa verticale v-duo. Si tratta di una macchina compatta (la gamma è articolata in modelli da 400 a 3.600 tonnellate di forza di chiusura), di altezza contenuta per agevolare la manutenzione, con azionamento ecodrive a ridotto consumo energetico. Alla fiera di Düsseldorf una pressa verticale Engel v-duo 700, equipaggiata con il robot lineare viper 20, produrrà parti di carrozzeria (portiera) dell’auto sportiva X-Bow di KTM (nella foto di apertura), con un poliuretano di BASF rinforzato con preforme in fibra di carbonio prodotte da Wethje.
Stampaggio diretto a fibre lunghe
Le prestazioni meccaniche dei compositi rinforzati sono direttamente proporzionali alla lunghezza delle fibre di rinforzo. Il costruttore di macchine a iniezione tedesco Arburg ha sviluppato in collaborazione con Süddeutsche Kunststoff-Zentrum SKZ un metodo dedicato all’iniezione diretta di fibre lunghe (PCIM): una coppia di alloggiamenti per airbag è stata prodotta usando una pressa idraulica Allrounder 820 S con forza di chiusura di 4.000 kN.
L’iniezione lavora in due fasi: nella prima fonde i granuli di compound, nella seconda si aggiungono le fibre di vetro lunghe 100 millimetri in un condotto di alimentazione fornito da Coperion. Quest’ultimo si comporta sostanzialmente come un estrusore a doppia vite: le fibre sono sezionate in lunghezze variabili in un sistema di taglio rotante di Wolfangel. Il posizionamento dell’erogatore di fibre nell’estremità frontale dell’unità di iniezione fa sì che le fibre non si danneggino: il ritiro meccanico durante il dosaggio è significativamente ridotto. Le parti stampate sono rimosse da un sistema robotico Multilift Select e sistemate in un sistema di pallettizzazione: pesano 330 grammi e sono prodotte in un tempo ciclo di 75 secondi. Altro sensibile bonus competitivo del sistema, secondo Arburg, è l’impiego di materiali di base – polimero e fibre – meno costosi di un tecnopolimero rinforzato in granuli. Ulteriori sviluppi dello stampaggio diretto a fibre lunghe sono previsti dal costruttore di macchine a iniezione attraverso la sperimentazione di rinforzi di carbonio o fibre naturali, così come il lavoro sull’integrazione di tutti gli elementi nel sistema di controllo Selogica per fornire un’unità produttiva completa, agile da gestire.
Un’altra tecnologia interessante che il costruttore di macchine tedesco sta ottimizzando in vista del K è il PCIM, un processo prevede l’iniezione della plastica (ABS, PP o TPE) in un manufatto costituito da particelle di schiuma espansa (EPP). Durante l’iniezione la superficie dell’inserto di schiuma espansa viene fusa in modo predefinito: si ottiene così una giunzione durevole tra i due componenti. I vantaggi sono facilmente deducibili. È possibile ottenere manufatti leggeri (la densità delle particelle di schiuma espansa è compresa tra 20 e 60 grammi per litro), che garantiscono ottime prestazioni in termini di durezza, precisione dei contorni e funzionalità.
In un solo ciclo
I processi produttivi che sfruttano in concetto di stampaggio ibrido hanno in comune l’articolazione in due tempi: posa e preriscaldamento del laminato, sovrastampaggio. Toshiba Machine (le cui presse sono da quest’anno distribuite in Italia da EPF Automation) accorpa le due fasi per ridurre il tempo ciclo eliminando la fase di pre-riscaldamento.
Il cuore del sistema di stampaggio a iniezione diretta con compounding in linea di CFRP (Carbon fiber reinforced polymers) a fibra lunga. L’unità di iniezione EC100SX-2AP è il cuore di un impianto in cui l’alimentazione dei filamenti di fibra di carbonio nell’estrusore monovite avviene in un punto strategico, così da evitare che i filamenti si danneggino durante la miscelazione. Inoltre, il disegno della vite di estrusione è progettata per facilitare la distribuzione omogenea della fibra nella matrice. Il sistema permette di produrre componenti rinforzati con pre-preg caratterizzati da un valore di resistenza alla trazione di 785 MPa e buone prestazioni meccaniche, modellati nella forma desiderata tramite pre-riscaldamento in stampo a compressione con sistema a infrarossi – appositamente ottimizzato per controllare l’orientamento delle fibre – e iniettati con la resina rinforzata in fibra di carbonio. Il tutto avviene in una sola fase.
Un esempio applicativo è stato realizzato utilizzando il laminato Tepex D Dynalite 201 di Bond Laminates (controllata del gruppo Lanxess), costituito da una matrice di poliammide 6.6 con rinforzi in fibra di carbonio di Toray. Il sistema è composto dalla pressa a iniezione monovite in linea EC100SX-2AP interfacciata con il robot Scara TH850A per un posizionamento ripetibile dei pre-preg, da un riscaldatore a infrarossi che ne porta la temperatura a 240 °C, cioè vicina al punto di fusione della poliammide. I pre-preg vengono rinforzati con una nervatura sovrastampata a iniezione. Il componente realizzato attraverso questo processo pesa un quarto rispetto al suo omologo in acciaio e ha una rigidità di circa 1,7 volte superiore.
Prova di forza
Più resistenti dell’acciaio, dell’alluminio e del magnesio, i laminati compositi termoplastici Tepex di Bond Laminates (marchio registrato di Lanxess) «Vedono tra le loro applicazioni ideali componenti leggeri per auto: i rapidi tempi ciclo e l’elevata ripetibilità del processo permettono di plasmarli in oggetti tridimensionali con costi relativamente contenuti, competitivi rispetto ai compositi termoindurenti» afferma Christian Obermann, Managing Director dell’azienda. La poliammide è la matrice più usata nelle applicazioni strutturali, ma si impiegano anche polipropilene, TPU e PPS, mentre le fibre continue sono aramidiche, di vetro e di carbonio.
Generalmente le fibre sono della stessa lunghezza del componente finito, caratteristica che lo rende estremamente rigido e robusto. L’impregnazione dei semilavorati rinforzati, finora difficoltosa per l’elevata viscosità delle mescole, è facilitata dall’adozione di un’innovazione tecnologica nello stampaggio a compressione, che ci permette di realizzare componenti di grandi dimensioni con impregnazione uniforme su larga scala e tailor-made. In virtù dell’adesione tra le due materie plastiche, i laminati retroiniettati con poliammide 6 si sono dimostrati, nei test di torsione, altrettanto rigidi ma più forti e capaci di assorbire energia di impatto degli ibridi poliammide/metallo, rispettivamente del 50 e 65%».
Il poliuretano si fa più leggero e Bayer va in questa direzione offrendo la linea di poliuretani Bayflex Lightweight, che consente una riduzione di densità rispetto ai prodotti della serie Bayflex 180, prossime o persino inferiori a quelle di materiali a matrice polipropilenica tradizionalmente utilizzati per componenti carrozzeria.Prodotti quali il Bayflex 180 sono normalmente utilizzati per componenti non strutturali soggetti a urti, come paraurti, passaruota e in generale componenti della carrozzeria, grazie all’integrazione nella matrice poliuretanica di fibre minerali di rinforzo.
Gli obiettivi di riduzione di densità propri del Bayflex RIM Lightweight, con una riduzione di densità pari a circa il 30% e un’elevata resistenza meccanica pressoché invariata, sono stati raggiunti grazie all’integrazione di fibre di rinforzo in carbonio in alternativa alle tradizionali cariche minerali, rendendo particolarmente indicato il prodotto per la produzione di paraurti e di componenti della carrozzeria di auto sportive. Nel caso del poliuretano Bayflex RIM Lightweight, Bayer ha inoltre messo a punto formulati che prevedono l’utilizzo di fibre di carbonio riciclate dagli scarti di lavorazione di componenti CRP (Carbon Reinforced Plastic): bastano fibre da 500 micron di lunghezza per ottenere le caratteristiche meccaniche desiderate.
