I materiali leggeri trasformano il futuro del design automobilistico

Cosa permette alle automobili di percorrere più strada sulla via del risparmio energetico e della riduzione delle emissioni? La risposta potrebbe risiedere in tre materiali chiave che costituiscono i veicoli moderni. Dalla nascita della Ford Model T ai nuovi veicoli a energia che prosperano oggi, l'innovazione dei materiali rimane il motore principale del progresso dell'industria automobilistica. Questo articolo si concentra sull'alleggerimento dei veicoli, esaminando i ruoli di acciaio, alluminio e plastica nella progettazione della carrozzeria automobilistica, analizzando al contempo i relativi materiali e le tecnologie di lavorazione.

Nell'ondata di continua innovazione tecnologica automobilistica, i materiali svolgono un ruolo cruciale. In quanto base della produzione, solo attraverso sofisticate tecniche di lavorazione i materiali possono essere trasformati in componenti automobilistici funzionali. Un veicolo convenzionale con motore a combustione interna è tipicamente composto da decine di migliaia di parti. Per migliorare la funzionalità dei componenti e migliorare l'efficienza del carburante, la domanda dell'industria di materiali avanzati continua a crescere, portando all'emergere di nuove soluzioni materiali.

Secondo i primi dati del sondaggio della Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA), il rapporto di composizione dei materiali automobilistici ha subito cambiamenti dalla crisi petrolifera. I materiali in acciaio, tra cui lamiere d'acciaio, acciaio strutturale, acciaio inossidabile e ghisa, hanno visto la loro proporzione diminuire leggermente da circa l'80% a circa il 70%. Tuttavia, l'acciaio rimane il materiale dominante nella produzione automobilistica. Nel frattempo, l'uso di alluminio e plastica ha mostrato una tendenza al rialzo, con l'alluminio e altri metalli non ferrosi che rappresentano circa l'8% e la plastica che raggiunge livelli simili. Sebbene i dati della JAMA si estendano solo al 2001, le stime del settore suggeriscono che la plastica costituisca ora quasi il 10% dei materiali automobilistici. Questo cambiamento nella composizione dei materiali deriva in gran parte da considerazioni di alleggerimento, ottenute principalmente sostituendo l'acciaio tradizionale con alternative in alluminio e plastica.

Pertanto, acciaio, alluminio e plastica costituiscono i tre pilastri dei materiali strutturali automobilistici. Naturalmente, la composizione dei veicoli si estende oltre questi tre materiali: la gomma per pneumatici, il vetro di sicurezza per i parabrezza, la ceramica per i sensori e il platino per i convertitori catalitici fungono tutti da componenti essenziali. L'applicazione completa di questi materiali rende possibili le automobili moderne, mentre lo sviluppo automobilistico guida simultaneamente l'ottimizzazione dei materiali esistenti e la ricerca di nuovi.

Negli anni '80, i materiali ceramici hanno attirato l'attenzione come il "terzo materiale" dopo i metalli e la plastica, principalmente a causa della loro resistenza alle alte temperature superiore rispetto alle leghe metalliche. Un'innovazione rivoluzionaria è emersa nel 1985, quando il modello Fairlady Z della Nissan ha incorporato un rotore turbocompressore in ceramica di nitruro di silicio. Con una densità di soli 3,2 g/cm³ - significativamente inferiore rispetto alla lega Inconel (8,5 g/cm³) comunemente utilizzata per le pale delle turbine all'epoca - questo materiale ha ridotto sostanzialmente il peso del rotore e migliorato la reattività del motore.

Anche le valvole del motore in ceramica di nitruro di silicio sono state sottoposte a ricerche approfondite e hanno raggiunto le fasi di test prototipali. La tecnologia di rettifica per questo materiale ad alta durezza, in particolare il controllo di qualità economico, è emersa come una sfida tecnica critica, evidenziando ancora una volta l'importanza delle tecniche di lavorazione dei materiali. La ceramica svolge anche ruoli vitali nelle applicazioni ambientali: ceramiche di zirconia nei sensori di ossigeno dei veicoli a benzina, ceramiche di cordierite nei substrati dei convertitori catalitici e ceramiche di carburo di silicio nei filtri antiparticolato diesel (DPF) per la purificazione dei gas di scarico.

I DPF, implementati per la prima volta nella Peugeot 607 del 2000, catturano il particolato (PM) dallo scarico diesel utilizzando strutture a nido d'ape con pareti porose. Questa tecnologia richiede un controllo preciso delle dimensioni dei micropori e tecniche avanzate di lavorazione a nido d'ape. Un'unità DPF tipica per autovetture pesa 3-6 kg, aumentando inevitabilmente il peso complessivo del veicolo.

L'alleggerimento dei veicoli mira principalmente a ridurre il consumo di carburante e migliorare le prestazioni dinamiche. Sotto le crescenti pressioni ambientali, i miglioramenti dell'efficienza del carburante sono diventati particolarmente critici. Esistono molteplici approcci per ottenere un minore consumo di carburante, tra cui l'ottimizzazione della combustione del motore, la riduzione delle perdite per attrito, il miglioramento dell'efficienza della trasmissione di potenza, la diminuzione della resistenza aerodinamica e al rotolamento e la riduzione del peso del veicolo. Tra questi, l'alleggerimento è una delle misure più cruciali. Poiché la carrozzeria costituisce il componente più pesante del veicolo, l'alleggerimento della carrozzeria si rivela essenziale per il risparmio di carburante. Per i veicoli elettrici, la riduzione del peso estende inoltre l'autonomia di guida.

Consideriamo una berlina passeggeri da 2,0 litri con un peso a vuoto di 1.214 kg: la sua carrozzeria in acciaio pesa 343 kg, comprendente una carrozzeria grezza (telaio strutturale) di 261 kg più 82 kg per porte e cofani. Pertanto, la carrozzeria rappresenta circa il 30% del peso totale del veicolo. In confronto, il motore pesa 141 kg, incluso un monoblocco in ghisa di 41 kg. La sostituzione con l'alluminio riduce il peso di 15 kg, un classico esempio di sostituzione del materiale per l'alleggerimento.

La miniaturizzazione dei componenti offre un altro importante approccio all'alleggerimento. La riduzione delle dimensioni del motore e dei componenti del vano motore non solo espande lo spazio dell'abitacolo, ma aumenta anche le zone cuscinetto in caso di incidente, migliorando la sicurezza in caso di collisione. La miniaturizzazione migliora anche la flessibilità del design della carrozzeria. Ad esempio, un veicolo leggero contemporaneo (peso a vuoto 718 kg) presenta una carrozzeria di 206 kg, mantenendo un rapporto peso carrozzeria-veicolo simile a quello della berlina da 2,0 litri (vedi Tabella 1).

Le carrozzerie automobilistiche rappresentano alcune delle strutture dei veicoli più grandi e complesse, rendendole obiettivi primari per l'alleggerimento. Il design della carrozzeria deve soddisfare molteplici requisiti di prestazione, tra cui resistenza, rigidità, durata, resistenza alla corrosione, prestazioni NVH (rumore, vibrazioni e ruvidità) e sicurezza in caso di incidente, senza compromessi dagli sforzi di riduzione del peso.

L'acciaio ad alta resistenza (HSS) funge da materiale di alleggerimento cruciale. Aumentando la resistenza dell'acciaio, i produttori possono ridurre l'uso di materiale senza sacrificare le prestazioni strutturali. Gli acciai ad alta resistenza avanzati (AHSS), tra cui gli acciai a doppia fase (DP), a plasticità indotta da trasformazione (TRIP), a fase complessa (CP) e martensitici (MS), presentano applicazioni automobilistiche sempre più diffuse. Questi materiali offrono maggiore resistenza e migliore formabilità per strutture della carrozzeria più leggere e sicure.

L'ultimo modello di un produttore di automobili utilizza ampiamente AHSS per ridurre il peso della carrozzeria del 15% migliorando al contempo la rigidità e la sicurezza in caso di incidente. L'acciaio formato a caldo rinforza anche comunemente componenti strutturali critici come i montanti A e i montanti B per migliorare la resistenza agli urti.

Le leghe di alluminio offrono un'altra importante soluzione di alleggerimento. Con una densità pari a circa un terzo di quella dell'acciaio, la sostituzione dell'alluminio riduce significativamente il peso della carrozzeria. L'eccellente formabilità e resistenza alla corrosione dell'alluminio facilitano i processi di produzione. Le applicazioni attuali comprendono pannelli della carrozzeria, componenti strutturali, sistemi di sospensione e parti del motore.

L'Audi A8 esemplifica la costruzione della carrozzeria interamente in alluminio, ottenendo una riduzione di peso di circa il 40% rispetto alle carrozzerie in acciaio convenzionali. Anche la Tesla Model S utilizza ampiamente l'alluminio per ridurre il peso e aumentare l'autonomia.

La plastica e i compositi offrono ulteriori percorsi di alleggerimento. La loro densità sostanzialmente inferiore rispetto ai metalli consente significativi risparmi di peso, mentre l'eccellente flessibilità di progettazione e la resistenza alla corrosione si adattano a componenti di forma complessa. Le applicazioni attuali includono paraurti, parafanghi, pannelli di rivestimento delle porte e cruscotti.

I compositi in fibra di carbonio rappresentano materiali leggeri ad alte prestazioni con eccezionale resistenza e rigidità. Nonostante i costi più elevati, il loro utilizzo in veicoli premium come la BMW i3 e i8 continua ad espandersi.

• Acciai a maggiore resistenza e duttilità: Gli AHSS di nuova generazione consentiranno strutture della carrozzeria più leggere e sicure.
• Leghe di alluminio a basso costo: L'avanzamento delle tecnologie di produzione amplierà le applicazioni dell'alluminio.
• Compositi ad alte prestazioni: La fibra di carbonio e materiali simili vedranno un'adozione più ampia.
• Ibridazione multi-materiale: Le future carrozzerie combineranno materiali per ottimizzare l'alleggerimento.

L'alleggerimento automobilistico costituisce una sfida ingegneristica sistematica che richiede progressi coordinati nei materiali, nella progettazione e nella produzione. Man mano che le tecnologie progrediscono, i veicoli futuri diventeranno più leggeri, più efficienti e più sostenibili dal punto di vista ambientale.