La trazione elettrica a zero emissioni viene indicata come l’unico sviluppo possibile dell’industria automobilistica e dei trasporti, imponendo un ripensamento di tutti i componenti per far spazio alle pesanti batterie elettriche. Ma, come è noto, veicoli più leggeri riducono consumi ed emissioni anche nelle propulsioni tradizionali. E se in tema di sostenibilità oggi le plastiche non brillano, è innegabile che l’automotive non potrà fare a meno del loro contributo, perché la combinazione di leggerezza e resistenza è un’esclusiva dei materiali plastici e dei compositi che, pressati dall’esigenza di diventare green, cambiano ingredienti e formulazioni ricorrendo a fonti rinnovabili, come a strutture espanse e costruzioni sandwich che riducono il peso e il consumo di materiale.
Alla guida con la CO2
Partiti da materassi e imbottiti, passando attraverso gli adesivi e i tessili, i polioli cardyon sono arrivati all’auto. Covestro li produce utilizzando per il 20% anidride carbonica, riducendo così il fabbisogno di materie prime fossili nella realizzazione di poliuretano. FoamPartner li ha scelti per gli espansi della gamma OBoNature, di prossimo lancio; laminati con un tessuto, sono pensati per applicazioni in interni. Lavorabili in spessori più sottili, perciò più rapidamente e con prestazioni ottimizzate in fase di laminazione, a ridotte emissioni di composti organici volatili (VOC) e di fumi, stabili all’idrolisi, sicuri in caso di incendio – hanno superato il test FMVSS 302 previsto dalla normativa statunitense – i materiali OBoSky Nature 3540 T sono proposti in tre tipologie. Una è dedicata agli headliner (il rivestimento interno del tetto): estremamente elastica per la struttura cellulare fine e uniforme, dunque con performance ottimali di resistenza a trazione e ad allungamento a rottura, facilmente termoformabile e di buona estetica superficiale, evita indesiderati effetti a buccia d’arancia. Per profili interni, pannelli portiera e braccioli, FoamPartner ha invece formulato espansi a grana leggermente più grossa, che riacquistano elasticità e consistenza ottimale dopo la lavorazione per compressione a caldo. Un espanso più compatto, confortevole e soffice anche nelle tipologie a granulazione più fine, è dedicato alle cover per sedili.
Alveolari più light e green
Leggerezza e resistenza sono i pregi anche delle strutture sandwich con anima in termoplastico. «I produttori di automobili chiedono una riduzione del peso ma, fatta eccezione per il segmento motorsport, non sono disposti ad accettare alternative più costose del consueto» chiosa Carlos Ricciardi, Managing Director presso DPA Moldados, che ha bypassato il problema realizzando il pavimento del bagagliaio di Hyundai Creta con un pannello alveolare in polipropilene di EconCore racchiuso tra pelli composite fibrorinforzate di GMT. La manifattura e il costo di questi semilavorati, perlopiù riciclabili, sono ottimizzati producendo il core in polipropilene attraverso un processo continuo e sincrono con la laminazione diretta dei layer esterni.
Il primato vegetale
Un rapporto tra peso e rigidità molto interessante, che eguaglia le prestazioni dei compositi in fibra di carbonio, costi ridotti anche del 30%, capacità di assorbire vibrazioni superiori fino a cinque volte e sicurezza in caso di rottura da impatto frontale: ecco le caratteristiche dei componenti realizzati con i biocompositi di Bcomp. Nel portafoglio dell’azienda svizzera compaiono prodotti come i tessili intrecciati con fibre di lino ampliTex e i rinforzi powerRibs, alternative green apprezzabili per molti aspetti. Tra le case history recenti del produttore, la più glamour è fornita da McLaren, che ha scelto i biocompositi per realizzare i sedili delle vetture di Formula 1 dei piloti Carlos Sainz e Lando Norris, normalmente prodotti con CRFP (termoplastici rinforzati con fibra di carbonio). I sedili sono più leggeri del 9%, forniscono maggior comfort di guida grazie alla riduzione delle vibrazioni e più sicurezza. McLaren pensa di utilizzare questi materiali anche per le alette frontali e nel pavimento delle auto da competizione, nonché per gli stampi, realizzati in composito come i componenti perché garantiscono buone performance meccaniche – ad esempio, un ridotto coefficiente di espansione termica – a fronte di una spesa notevolmente più contenuta.
I biocompositi di Bcomp sono apprezzati anche nelle applicazioni legate alla mobilità elettrica. Una struttura tridimensionale di rinforzi powerRibs modella infatti il quadriciclo eCargo, veicolo commerciale di EAV (Electric Assisted Vehicles) che si guida come una bicicletta. La scocca realizzata con tessuti ampliTex, impregnati con una resina biobased ricavata dai gusci degli anacardi, regala una leggerezza di soli 120 chilogrammi a questo mezzo per le consegne a domicilio. La carica completa garantisce un’autonomia di circa 100 chilometri e può effettuare fino a 100 fermate, mentre le emissioni di CO2 sono ridotte del 75% rispetto a una propulsione termica. Ecologico anche nel design grazie alla presenza di pochi elementi mobili, il veicolo richiede una manutenzione ultralight e promette una lunga vita utile.
Fibre di lino, resina biobased (estratta dall’olio di colza) costituiscono la scocca anche in un mezzo commerciale di portata ben superiore: il camion a trasmissione elettrica Volta Zero di Volta Trucks. Come eCargo, ha emissioni ridottissime durante l’uso e non pone problemi al momento della dismissione: conferito a termovalorizzazione, brucia senza lasciare residui difficili da smaltire. Alla maggior sicurezza intrinseca delle fibre di lino il veicolo associa la visibilità “extralarge” dell’abitacolo, che con una visuale di 220 gradi permette di tener d’occhio il passaggio di pedoni e ciclisti.
L’era del carbonio
Il principale e maggiormente consolidato “fronte della leggerezza” per applicazioni strutturali è quello dei materiali compositi rinforzati con fibra di carbonio. McLaren ha progettato, ingegnerizzato e prodotto all’interno del proprio Centro per le Tecnologie Composite (MCTC) un nuovo chassis. Ciascun rinforzo in fibra di carbonio è ottimizzato nella forma e nell’orientamento da un software, quindi posizionato nelle preforme da un sistema laser e infine inserito in una macchina per stampaggio a trasferimento di resina ad alta pressione progettata dalla stessa McLaren. «Quest’architettura ci consentirà la transizione verso supercar 100% elettriche» osserva Mike Flewitt, CEO della casa automobilistica, che aggiunge: «Per noi la riduzione di peso e l’elettrificazione procedono all’unisono con la conquista di performance migliori e la realizzazione di veicoli sempre più efficienti».
Se il telaio è una delle strutture fondamentali dell’automobile, le ruote non sono da meno e anche in questo caso le fibre possono fare la differenza. ACRIM è il concetto modulare per una ruota interamente realizzata in composito dedicata a veicoli elettrici e di nicchia, al quale sta lavorando un consorzio costituito da Carbon ThreeSixty, Far-UK, Composite Integration, CNC Robotics e Bitrez. Il progetto ha raggiunto la fase di messa a punto della tecnologia di produzione, che comprende: un sistema di resina epossidica tri-componente con agente distaccante nello stampo, l’impiego di pompe a pistoni per garantire costanza qualitativa della laminazione in cui sono monitorati dosaggio, miscela, preriscaldamento, degassaggio della resina prima dell’iniezione, e infine un controllo a circuito chiuso per gestire la pressione nello stampo e incrementare la resa.
Ruote in materiale composito esistono già, ma la loro produzione è gravata da un apporto importante di manodopera, legato all’impiego di un elemento centrale metallico in due pezzi imbullonato. La nuova tecnologia ne rende possibile la sostituzione con una fascia centrale cilindrica in materiale composito che accoglie i fissaggi per lo pneumatico. Nella ruota 100% composita il cilindro centrale è realizzato mediante tecnologia RTM (resin transfer moulding), utilizzando un rinforzo con fibra continua, e quindi sovrastampato con processo SMC (sheet moulding compound). Il processo si basa su un concetto modulare che offre sia grande flessibilità nello stile e nella configurazione delle ruote in composito, sia una soluzione per dimezzare il peso di una ruota da 15” con un risparmio del 5% in carburante e in emissioni di CO2 rispetto alla versione tradizionale.
Concept modulare per l’elettrica del futuro
Non più solo per parti strutturali o per gli esterni, il carbonio si apre nuove strade anche dentro il veicolo. Gli interni liberamente configurabili delle auto elettriche e autonome hanno suggerito a Covestro lo sviluppo di un tavolino pieghevole, modulare, da riporre facilmente quando non serve, ad esempio tra i sedili posteriori. Il materiale d’elezione è il composito a base policarbonato rinforzato con fibre continue Maezio, la tecnologia, invece, è stata fornita dal costruttore di macchine a iniezione Engel. L’idea era di realizzare un tavolo di dimensioni tradizionali, sottile come un Ultrabook e al contempo dotato di una resistenza meccanica superiore. L’oggetto misura 41 centimetri in lunghezza e 32 in larghezza, mentre gli spessori variano da 5 millimetri nei profili esterni a 10 millimetri nella parte centrale, meno della metà dell’usuale. L’integrazione delle cerniere per il montaggio e gli scomparti che accolgono cancelleria e tablet, prevista in fase di stampaggio a iniezione, riduce il numero dei componenti e il peso.
Il concept installato su un veicolo dimostrativo è stato realizzato con una struttura a sandwich costituita da due pelli in materiale composito a base policarbonato che racchiudono un’anima in poliuretano rigido a bassa densità Baydur 20. Con i suoi 690 grammi di peso, il tavolino è largo il doppio di un modello standard e può sorreggere un peso di 50 chilogrammi, anziché dei soli cinque dei modelli tradizionali. Lo sviluppo del prodotto, riciclo incluso, è stato messo a punto con la collaborazione di LIT (Linz Institute of Technology) presso l’Università Johannes Kepler di Linz.
Robusta morbidezza
Le sempre più ricche dotazioni di strumenti infotainment – le informazioni a supporto della guida e l’intrattenimento – accentuano l’attenzione dello sguardo e del tatto sulle superfici degli interni suggerendo materiali morbidi, resistenti ai graffi, durevoli nel colore. Materiali che rigide restrizioni stanno rendendo privi di emissione di odori poco piacevoli per rendere l’abitacolo sempre più simile a un salotto. Per soddisfare queste esigenze Kraiburg TPE ha sviluppato la serie di compound elastomerici FG/SF (Fogging/Surface-Finish), particolarmente scorrevoli per assecondare senza stress meccanici le geometrie di componenti complessi, pareti sottili o caratterizzate da marcate variazioni di spessore nello stesso pezzo. Le superfici ottenute sono prive di bave, distorsioni e imprecisioni anche quando sono lavorate a bassa temperatura; in materia di emissioni, hanno superato il test VDA 270 B3 con un punteggio di 3.0 nella gamma di durezza da 50 a 80 Shore A. Le applicazioni di questi compound spaziano dai rivestimenti di consolle centrali e pannelli strumenti a vani portaoggetti e tettucci. L’adesività ottimale ai termoplastici polari (policarbonato, ABS, PC/ABS, ASA, SAN, poliammidi 6 e 12) è invece il fulcro della serie VS/AD/HM (Velvet Surface/Adhesion/High Mechanical Properties), vellutati al tocco e resistenti ai detergenti per auto, sebo, creme. Questa seconda novità di Kraiburg TPE è dedicata alla realizzazione di parti multicomponenti: ad esempio, rivestimenti antiscivolo per vani porta tazze, fibbie per cinture di sicurezza, maniglie per porte, basi per la ricarica a induzione di smartphone.
Poliammide 6 e fibra di vetro
Due ricette di leggerezza illustrano come i polimeri sviluppati per l’auto contribuiscono sia al risparmio di carburante sia al contenimento dei costi di produzione. La prima è l’ibrido metallo-plastica che costituisce il supporto bolster integrato nel modulo front-end del SUV Kuga di Ford, che accoglie quattro saracinesche a griglia per regolare l’afflusso di aria al sistema di raffreddamento in funzione delle esigenze del motore. Il pezzo integra anche guide, supporti per l’azionamento di regolazione e dispositivi di fissaggio: inserti metallici nella parte superiore rinforzano il fermo cofano, ma il fulcro del componente è stampato a iniezione con una poliammide 6 ad alto scorrimento, rinforzata al 30% con fibre di vetro, Durethan BKV30H2.0EF di Lanxess. Il materiale fornisce la resistenza termica richiesta dalle alte temperature che si sviluppano quando le saracinesche a griglia sono chiuse. La sua fluidità in fase stampaggio permette di ridurre la pressione di iniezione, quindi di utilizzare presse con un tonnellaggio più basso, ma anche di assottigliare le pareti del componente nelle zone meno soggette a carichi, alleggerendolo, nonché di ottenere una parte con scarsa propensione alla deformazione.
Nella seconda ricetta un solo componente polimerico sostituisce i quindici pezzi della versione precedente in acciaio. Realizzando una riduzione del 30% in termini di peso e del 15% sui costi, BASF e Toyota si sono aggiudicate il premio Altair Enlighted Award per il sedile della terza fila della nuova Sienna 2021. Il componente è stampato a iniezione con la poliammide 6 modificata all’impatto e rinforzata con fibra di vetro al 35% Ultramid B3ZG7 CR. «Questo design è il primo nel suo genere che non impiega inserti in metallo» osserva Matt Parkinson, Manager Applications Development Engineering and Composite Technologies presso BASF. «Una delle sfide che abbiamo affrontato è stata la garanzia di resistenza all’impatto e di elasticità indispensabili in caso di crash. Al contempo ci siamo concentrati sulla rigidità, poiché il sedile può trasformarsi in piano di carico».
Materia luminosa
L’auto cambia in molti aspetti, non solo strutturali ma anche estetici. «Vogliamo promuovere la mobilità elettrica rendendola attraente» dichiara Urs Rahmel, Chief Designer presso l’Exterior Design Studio di Volkswagen. Un obiettivo raggiunto, visto che la compatta full-electric Volkswagen ID.3 ha vinto due premi Best of Best – nelle categorie Exterior Volume Brand e Interior Volume Brand – dell’Automotive Brand Contest 2020, il concorso promosso dal German Design Council. Il design è un elemento utile anche per creare un legame tra l’oggetto e l’utilizzatore.
La ID.3, infatti, può parlare ai suoi passeggeri attraverso la luce: può chiedere al conducente di frenare in caso di emergenza, può avvisarlo in anticipo della presenza di una curva e persino che sta percorrendo una corsia inappropriata. La base del sistema di illuminazione intelligente che presenta in anteprima questa vettura è una striscia LED che attraversa la cabina e cambia colore o intensità a seconda del messaggio che desidera inviare. La cover dell’elemento luminoso, ripreso da alcuni modelli della serie Golf 8, è realizzata con il compound a base PMMA Plexiglas Resist AG 100 di Röhm, che associa a prestazioni ottiche ottimali una speciale resistenza all’impatto, al calore, all’invecchiamento causato dagli agenti atmosferici e agli UV. Il grado grigio neutro è adatto per realizzare componenti che si mimetizzano su fondo scuro, pronti a trasformarsi in segnali luminosi quando richiesto. Plexiglas Hi-gloss NTA-5, di colore nero lucido, è invece proposto come cover per i sensori, perché garantisce un basso assorbimento dei segnali radar e non richiede rivestimenti. Plexiglas 8N 90114 trasparente agli infrarossi è dedicato ad applicazioni IR e Lidar (Light Detection and Ranging, tecnologia che determina la distanza di un oggetto o di una superficie tramite un impulso laser). Le performance tecniche ed estetiche del PMMA non sono disgiunte da un requisito essenziale: la riciclabilità meccanica o chimica.
