L’automotive sospinge lo Hybrid Aluminium Forging

ExplorationL’utilizzo di leghe leggere nel settore automotive è una tendenza sempre più diffusa, dettata dall’esigenza e dalla volontà di ridurre il peso dei componenti dell’autoveicolo in modo da raggiungere significative diminuzioni di consumo di carburante e quindi di emissioni nocive in atmosfera. Tra i vari elementi che compongono un autoveicolo, l’impiego di leghe di alluminio si è mostrato significativamente efficace nel settore dei cerchi: non solo infatti l’utilizzo di leghe di alluminio permette di ottenere geometrie particolarmente attrattive per i clienti e migliori finiture superficiali, ma si possono garantire al contempo ottime performance del prodotto dal punto di vista meccanico e dinamico oltre a pesi contenuti. Per le aziende attive in questo settore risulta quindi vitale l’ottimizzazione del processo produttivo e la ricerca di nuove tecnologie sempre più avanzate.
Le tecniche convenzionali e maggiormente diffuse per la produzione di cerchi in lega di alluminio sono principalmente la colata in bassa pressione o la forgiatura. In generale, la seconda tecnologia permette di ottenere un prodotto con migliori caratteristiche meccaniche rispetto al prodotto di fonderia ed è solitamente caratterizzato da spessori e pesi inferiori. Dall’altra parte, questa tecnica implica costi più elevati e minore libertà nella scelta delle geometrie. Il grande potenziale della colata in bassa pressione, invece, consiste nella sua maggiore economicità, anche se vengono raggiunte prestazioni meccaniche del prodotto più limitate. Questo rende perciò necessario progettare la geometria della parte tenendo conto della minore resistenza della lega, quindi, ad esempio, incrementando gli spessori nelle zone critiche.
Non è difficile concludere, anche per i non addetti ai lavori, che riuscire a conciliare i due processi in un processo unico che riesca a garantire eccellenti performance dal punto di vista meccanico, ma con dei costi inferiori rispetto a quello dei prodotti forgiati rappresenta sicuramente un obiettivo molto allettante, per quanto ambizioso. L’idea non è infatti nuova e sono già stati realizzati numerosi tentativi in questo senso in diversi settori.
Proprio in questo contesto è nato e si trova in corso di svolgimento il progetto HAF, acronimo di Hybrid Aluminium Forging che prevede appunto, per la produzione di cerchi in lega di alluminio, l’applicazione di una tecnologia ibrida tra i processi di fusione e forgiatura, in grado di superare i limiti di queste tecnologie convenzionali, sfruttandone al contempo i relativi aspetti positivi. Il progetto, finanziato da Regione Lombardia e Fondazione Cariplo, è articolato in 3 fasi, ciascuna con diversi obiettivi, e prevede l’applicazione di tecnologie innovative in ogni fase delle filiera produttiva del cerchio stesso. Lo sviluppo e l’ottimizzazione di tali tecnologie è reso possibile dalla stretta collaborazione tra aziende, università e centri di ricerca presenti sul territorio lombardo e parti attive del progetto.

Tra le aziende coinvolte figura Maxion Wheels Italia di Dello (BS), azienda produttrice di cerchi in lega per automobili, dove è collocato un impianto pilota e che rappresenta di fatto l’utilizzatore finale della tecnologia HAF. Inoltre partecipano al progetto anche Hydromec s.r.l. (produttore della pressa pilota e del forno di attesa), Dueci s.r.l. (costruttore dello stampo) e Co.ram. s.r.l. (realizzatore linea produttiva) che si sono occupate della progettazione e realizzazione dell’impianto pilota.
Considerato l’elevato valore scientifico della ricerca, sono coinvolti nel progetto anche centri di ricerca ed università, ovvero l’Università degli Studi di Brescia (Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale), il Politecnico di Milano ed il CNR-ITIA.

Logo DimiLogo Maxion Wheels Italia

Logo HydromecLogo CoramLogo Dueci

 

Un’iniziativa dal forte contenuto innovativo

Come già accennato, l’alto contenuto innovativo del progetto riguarda non solo la produzione del cerchio tramite tecnologia HAF e l’ottimizzazione del processo, ma si stanno sviluppando tecnologie all’avanguardia da inserire in tutte le fasi di lavorazione del prodotto, a garanzia della sua elevata qualità.
Si sta valutando, ad esempio, l’applicabilità industriale di una tecnologia di misura basata su tomografia computerizzata a raggi X con lo scopo di ricostruire l’intero volume dell’oggetto da ispezionare e di eseguire simultaneamente sia l’analisi della sua integrità strutturale, sia la verifica della sua conformità geometrica.
Un’altra importante ricerca in corso nell’ambito del progetto è legata a sistemi automatici di sbavatura robotizzata di nuova generazione, in grado di costruire le traiettorie dell’utensile sulla base di immagini acquisite dal sistema. Infine si sta anche studiando un nuovo ciclo di trattamento e finitura superficiale a base di primer esenti da cromo per la successiva applicazione dei materiali di rivestimento finale, con notevoli vantaggi ambientali.
Gli enti di ricerca coinvolti nell’operazione si occupano ognuno di specifiche tematiche comprese tra quelle già citate. In particolare il gruppo di Metallurgia dell’Università degli Studi di Brescia segue lo studio e l’ottimizzazione della lega, del trattamento termico e del processo HAF; il CNR-ITIA, insieme al gruppo di Robotica di Brescia, l’implementazione di processi avanzati per la sbavatura robotizzata; il Politecnico di Milano lo studio di un nuovo ciclo di pretrattamento e finitura dei cerchi e della tecnologia 3D X-ray CT (tomografia tridimensionale a raggi X).
Il progetto stabilisce che lo sviluppo di queste innovazioni sia realizzato tramite il coinvolgimento di almeno 10 giovani ingegneri e ricercatori, per i quali è prevista, oltre ad una formazione di alto livello, la possibilità di trascorrere periodi all’estero presso importanti centri di ricerca internazionali. Inoltre è contemplato, come vincolo di progetto, il coinvolgimento di un ricercatore straniero proveniente da un centro di ricerca di comprovata fama internazionale che collabori alla formazione dei giovani ricercatori, sia presso il proprio centro, sia lavorando presso i centri di ricerca presenti in Lombardia, operativi nel progetto. In particolare l’attività di questa figura altamente specializzata, proveniente dall’Università di Brunel (Londra), è finalizzata allo studio in modo scientifico della percezione del prodotto, dei materiali e della loro qualità da parte delle persone e di quegli aspetti legati al design che non è assolutamente possibile trascurare per un prodotto destinato a essere immesso sul mercato.

Le caratteristiche del processo HAF
Partendo dal metallo liquido, questo viene mantenuto all’interno di un prototipo di forno a due camere. Da qui la lega viene portata all’interno dello stampo con una tecnologia analoga a quella della colata in bassa pressione. L’aspetto innovativo consiste nell’applicazione di una fase di forgiatura sul metallo durante la solidificazione all’interno dello stampo, con lo scopo di ottenere l’eliminazione dei difetti tipici dei getti da fonderia (porosità da gas e da ritiro), la riduzione dei tempi di solidificazione e quindi una microstruttura fine. Questo comporta il raggiungimento di migliori caratteristiche meccaniche rispetto ai tradizionali cerchi colati, simili a quelle tipiche dei prodotti forgiati, ma con costi di produzione intermedi tra le due tecnologie. Il tempo ciclo risulta inoltre molto ridotto, così come la quantità di materiale in eccesso da rimuovere con lavorazioni meccaniche, garantendo una elevata produttività e quindi competitività sul mercato.
Altra caratteristica innovativa del progetto consiste nell’ottimizzazione del processo non solo per la realizzazione di ruote per automobili, ma anche di ruote per camion, le quali richiedono diverse geometrie e performance meccaniche. In questo modo si dimostra la buona versatilità di questa nuova tecnologia e la validità della sua applicazione per perseguire gli obiettivi generali di diminuzione del peso e quindi dei consumi, in un’ottica di mobilità sempre più sostenibile.
Questa parte della sperimentazione e l’ottimizzazione del processo sono attualmente in corso presso lo stabilimento Maxion Wheels Italia di Dello (BS) dove è in funzione un impianto pilota. In particolare, un’attività importante del progetto riguarda il miglioramento della fase di forgiatura tramite la ricerca della modalità più efficace per la sua applicazione.

Caratterizzazione della lega e ottimizzazione del trattamento termico
Il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale dell’Università degli Studi di Brescia è coinvolto come attore principale nella fase di caratterizzazione e ottimizzazione della composizione della lega impiegata nel processo (area metallurgica e di processo). Infatti è fondamentale, per sfruttare appieno le potenzialità di questo processo innovativo, scegliere il materiale più idoneo, al fine di raggiungere una buona qualità del getto, in termini di ridotta difettosità, elevate caratteristiche meccaniche e buona resistenza a corrosione. A questo proposito, è importante sottolineare che le proprietà meccaniche di un cerchio in lega non sono solo quelle relative al grezzo di fusione, ma si fa riferimento alle performance del prodotto dopo che è stato sottoposto a un appropriato trattamento termico. Per questo motivo la fase di ricerca si è anche concentrata sullo studio dei parametri ottimali per il trattamento termico T6 di indurimento per precipitazione, indispensabile per garantire caratteristiche meccaniche adeguate, e si stanno considerando ulteriori tecniche per la caratterizzazione più completa e efficace del materiale.
La particolare configurazione del processo HAF ha reso necessario nelle prime fasi del progetto l’individuazione di una lega che potesse essere adatta all’applicazione richiesta, in quanto le leghe convenzionali da fonderia, come per esempio la lega A356 appartenente alla famiglia Al-Si-Mg, non risultano adeguate al processo. In particolare, si è optato per una lega con un ridotto tenore di silicio rispetto alle tipiche leghe da fonderia, ma superiore a quello delle leghe da deformazione plastica e contenente diversi elementi indurenti per massimizzare l’effetto del trattamento termico. Tuttavia inizialmente una caratterizzazione preliminare è stata eseguita su più leghe diverse per individuare quella più adatta. I dati riportati in seguito si riferiscono a due leghe non convenzionali, denominate A e B, di cui non è possibile al momento specificare la composizione in quanto in fase di brevetto, e una lega convenzionale (A356).
La necessità di ottimizzare l’utilizzo di una lega non convenzionale in un processo innovativo ha reso quindi necessario indagare le proprietà del materiale sotto molteplici aspetti. Data la peculiarità del processo HAF, si è ritenuto molto utile sfruttare analisi al calorimetro a scansione differenziale per indagare l’andamento della frazione solida durante le fasi di fusione e solidificazione e determinare le temperature di solidus e di liquidus di diverse leghe. Infatti la presenza di una fase di forgiatura al termine del riempimento dello stampo impone di utilizzare un materiale avente un intervallo di solidificazione abbastanza ampio da permettere l’applicazione della pressione di forgiatura sul metallo non ancora completamente solidificato.
In collaborazione con l’RWTH Institute di Aachen (Germania), si stanno svolgendo anche prove reologiche sperimentali per studiare la viscosità del materiale e il suo comportamento allo stato liquido. In questo modo si potranno avere importanti informazioni per l’ottimizzazione del processo e per una completa caratterizzazione del materiale.
Oltre a queste analisi, è stato considerato utile indagare anche il comportamento della lega nei confronti della corrosione, confrontando tramite prove potenziodinamiche la predisposizione del materiale a essere soggetto a corrosione in ambienti aggressivi. I primi risultati sono stati incoraggianti e hanno mostrato un miglior comportamento delle nuove leghe testate rispetto alla tradizionale A356.
La caratterizzazione della lega chiaramente non può prescindere inoltre dalle analisi metallurgiche più convenzionali. L’indagine microstrutturale è infatti uno strumento fondamentale per individuare quali fasi si formano durante la solidificazione del materiale durante il processo produttivo, così come per valutare l’efficacia del raffreddamento, direttamente correlata al comportamento meccanico del materiale. L’analisi al microscopio ottico è stata affiancata ad analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM) strumentato con microsonda a dispersione di energia (EDS) per individuare la composizione chimica delle fasi individuate.

Le conclusioni
Infine, l’ottimizzazione del trattamento termico di indurimento per precipitazione (trattamento T6) si sta svolgendo sperimentando diverse combinazioni di tempo e temperatura di trattamento su campioni ricavati dalle ruote prodotte nelle prime fasi di campionatura e ricostruendo le curve di invecchiamento.
Strumenti statistici (tecniche di design of experiments e analisi della varianza) verranno utilizzati per individuare i fattori che risultano avere il maggiore effetto sul fenomeno di precipitazione di composti indurenti. Oltre alla determinazione delle caratteristiche meccaniche prima e dopo il trattamento termico si stanno eseguendo analisi calorimetriche per studiare la sequenza di formazione dei precipitati tipica della lega utilizzata. I dati sono incoraggianti in quanto, sebbene relativi a ruote per camion realizzate con processo HAF in fase di ottimizzazione, sono omogenei lungo la sezione e raggiungono il target previsto dalle specifiche di progetto.
Il progetto HAF prevede quindi come obiettivi generali:

  • La completa ridefinizione del processo tradizionale di produzione di cerchi in lega di alluminio per autoveicoli (sia camion che automobili) tramite l’introduzione di tecnologie innovative in ogni fase del processo (produzione, sbavatura robotizzata, finitura, controllo dei getti),
  • Raggiungimento di migliori qualità e caratteristiche meccaniche del prodotto rispetto al prodotto di fonderia,
  • Incremento di efficienza e produttività del processo,
  • La formazione di specializzati di alto profilo scientifico.

Questi obiettivi rispecchiano quelli previsti dal sistema Cluster Fabbrica Intelligente in cui il progetto si inserisce e, a un livello più ampio, si inquadrano in perfetta coerenza con il progetto europeo Horizon 2020 per quanto riguarda i sistemi di produzione.
Si sta perseguendo il raggiugimento di tali obiettivi tramite l’introduzione di tecnologie innovative in tutte le fasi di realizzazione del prodotto e il coinvolgimento di aziende presenti sul territorio, università e centri di ricerca ponendo le basi per la creazione di una filiera produttiva caratterizzata dalla collaborazione tra questi enti all’interno del territorio lombardo e per un aumento della competitività sul mercato di tutte le aziende coinvolte nel progetto. Creare le condizioni per il funzionamento di una rete che metta in comunicazione aziende, università e centri di ricerca presenti sul territorio è il modello a cui il progetto aspira. In questo senso, il finanziamento messo a disposizione da Regione Lombardia e Fondazione Cariplo è stato fondamentale per poter intraprendere il progetto stesso e favorire e diffondere la collaborazione sinergica tra mondo universitario e della ricerca e mondo industriale.

“Il progetto HAF è finanziato da Fondazione Cariplo-Regione Lombardia [grant number E43J13001750007].”

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