Il progetto 2 Millimetri è finanziato dalla Regione Lombardia per la messa a punto di un processo di fusione in conchiglia a gravità e bassa pressione in grado di realizzare componenti aventi spessori di 2 millimetri.

Il settore dell'automotive è alla continua ricerca di migliori prestazioni in termini di sicurezza dei veicoli, ma anche e soprattutto di riduzione delle emissioni e dei consumi ottenibili attraverso un processo di alleggerimento dei pesi dei vari componenti. Per ragioni di economicità, tali riduzioni non sono al momento compatibili con l'adozione di materiali leggeri innovativi, soprattutto per quanto riguarda le produzioni di bassa gamma e alti volumi.

Per poter ottenere risultati apprezzabili con i materiali attualmente disponibili bisogna cercare di ridurre gli spessori dei componenti più pesanti garantendo al tempo stesso le attuali caratteristiche meccaniche e di resistenza.

Nella costruzione di un veicolo il telaio e il gruppo sospensioni rappresentano una percentuale rilevante del peso totale. La ricerca di riduzione di peso su questi componenti, con l’utilizzo di leghe leggere commercialmente compatibili con i costi di settore, si è sempre scontrata con una serie di problematiche quali:

  • necessità di sovradimensionare il prodotto per ottenerne risultati analoghi a quelli dei componenti in ghisa, acciaio o lamiera di ferro;
  • limiti sull’affidabilità, in quanto le regole di progetto non sono state sviluppate per la parte relativa alla fatica come fatto per l’acciaio;
  • limiti sulla capability dei processi fusori in gravità e bassa pressione non ancora regolati e controllati completamente da sistemi automatici e che presentano precoci usure tali da influenzarne la qualità dei risultati;
  • limiti sulle tolleranze richieste per utilizzare i getti in impianti automatici di assemblaggio e lavorazione;
  • saldabilità spesso incompatibile con tolleranze dimensionali e caratteristiche meccaniche ottenibili;
  • trattamenti termici con processi e parametri non definiti nei dettagli dalla letteratura tecnica esistente per le leghe leggere.

Nell’ultimo decennio le applicazioni più ricche del settore automotive si sono rivolte ai processi di pressofusione sottovuoto per poter superare parte delle problematiche esposte. Queste applicazioni hanno portato ad un monopolio della tecnologia e dei parametri di processo che ha impedito, a causa dei notevoli investimenti necessari, lo sviluppo di applicazioni anche nel settore dei medi volumi o dei veicoli industriali.

La volontà di estendere ad altri settori i risultati ottenuti in pressofusione sottovuoto, attraverso l'utilizzo di processi fusori in conchiglia a gravità e a bassa pressione in grado di realizzare soluzioni applicabili ai veicoli per la riduzione di peso dei componenti economicamente compatibili con i costi delle produzioni dei veicoli di serie costituisce la motivazione alla base del progetto 2 MILLIMETRI.

Il percorso per il raggiungimento di tale risultato prevede l’ottimizzazione di quattro aspetti ritenuti fondamentali: le leghe, la gestione termica del processo, l’impiego di un sistema di depressurizzazione dello stampo e l’adozione di sistemi di controllo e monitoraggio del processo che consentano di governare con ripetitività e precisione i parametri di riempimento degli stampi.

Il raggiungimento dell’obiettivo tecnico necessita di una serie di validazioni che spaziano dalla caratterizzazione meccanica dei getti ottenuti alla validazione dei sistemi di simulazione di processo e dei metodi di progettazione. A tale scopo, si prevede di effettuare una caratterizzazione meccanica, microstrutturale e difettologica completa sia di provini ricavati dai getti in posizioni e su spessori differenti, sia di getti completi per verificare che le proprietà meccaniche, microstrutture e modalità di cedimento del componente siano allineate con quelle richieste dai progettisti e previste mediante set di simulazioni di riempimento e solidificazione e strutturali che, nel contempo, verranno effettuate sui medesimi componenti. In tale maniera, si vuole definire un set completo di dati e strumenti di progettazione che consentano ai disegnatori dei componenti un’ottimizzazione esasperata sia in termini di peso finale che di prestazioni.

 

OBIETTIVI DEL PROGETTO DI R&S: GRADO DI INNOVAZIONE CONSEGUITO

Rispetto al mercato di riferimento, ovvero quello dell'automotive, il progetto presenta un forte livello di innovatività. Infatti, la tecnologia di colata in conchiglia, sia essa in gravità o in bassa pressione, rappresenta per eccellenza il processo di produzione di componenti strutturali in campo automobilistico ed aeronautico in quanto garantisce prestazioni meccaniche e un'integrità del getto superiori a ogni altra tecnica di fonderia destinata alla produzione su larga scala industriale.

Tale tecnica, in virtù degli sviluppi in ambito metallurgico e tecnologico degli ultimi anni, permette oggi di produrre getti di geometria complessa, ma spessori di parete difficilmente inferiori a 3.0-3.5mm, limitando notevolmente le possibilità di sviluppo di componenti ottimizzati dal punto di vista del rapporto peso/prestazioni meccaniche. Allo stato attuale della tecnologia, lo spessore medio dei componenti per applicazioni strutturali colati in conchiglia si attesta attorno ai 4mm, mentre spessori inferiori sono utilizzati unicamente per nervature di rinforzo di dimensioni ridotte a causa delle difficoltà di riempimento delle pareti sottili ed estese.

Dal punto di vista della progettazione ed ottimizzazione dei componenti, la possibilità di poter realizzare getti a spessore ridotto consentirebbe un sensibile risparmio di peso su tutti i prodotti in alluminio già attualmente ottenuti per fusione e aprirebbe la strada a tutti quelli che oggi sono ancora prodotti mediante lamiere piegate e assemblate, con evidenti vantaggi anche in termini economici rendendo possibile l’impiego di componenti in alluminio anche su vetture di medio alta produzione. Attualmente, difatti, l’impiego di getti strutturali per l’equipaggiamento di veicoli di larga diffusione è giustificata unicamente da questioni economiche, mentre nel campo della produzione di vetture sportive o di segmento alto e bassi numeri l’esasperazione delle prestazioni giustifica costi elevati.

La colata in conchiglia, d’altro canto, nella sua accezione tradizionale non consente tali limiti di spessore su componenti di dimensioni significative e i tentativi effettuati in passato hanno portato solo a risultati parziali che non ne hanno consentito l’industrializzazione e l’impiego in campo strutturale a causa della scarsa qualità relativa alla completezza dei getti ottenuti.

L’obiettivo principale del presente progetto è, quindi, di riuscire a produrre getti a parete sottile con dimensioni di interesse per le applicazioni strutturali mediante un affinamento esasperato delle tecnologie attuali di colata in gravità e bassa pressione.

L'ottenimento di tali risultati permetterebbe una significativa differenziazione rispetto a quanto attualmente disponibile sul mercato permettendo da un lato di estendere tali risultati ai settori dei medi volumi e dei veicoli industriali, dall'altro di ottenere importanti risultati quali:

  • Aumento del 15% delle caratteristiche meccaniche di snervamento e rottura, rispetto a quanto ottenibili con gli attuali processi fusori e di trattamento termico in conchiglia a gravità e bassa pressione.
  • Garantire valori di allungamento % prima della rottura del 10%.
  • Abbattere la presenza di inclusioni – ossidi - micro cavità da ritiro che possono influenzare la durata alle prove di fatica e non sono riscontrabili ai controlli di processo con scopia.
  • Ridurre le dimensioni di micro cavità da ritiro presenti nei getti a valori inferiori a 50 micron – limite stimato di influenza dell’innesco alla rottura- valutandone la forma attraverso l’uso di software innovativi applicati alla simulazione.
  • Riduzione dell’area di incertezza relative alle prove a fatica effettuate su getti in lega leggera.

IMPATTO POTENZIALE DEL PROGETTO DI R&S RISPETTO ALLE PRIORITÀ DI INTERVENTO REGIONALI E AI MERCATI DI RIFERIMENTO

Il raggiungimento degli obiettivi di progetto darebbe un forte slancio alla produzione di getti in bassa pressione e in gravità e potrebbe rimettere in movimento il volano delle piccole fonderie in gravità e bassa pressione di cui il territorio lombardo è particolarmente ricco e che, in questo momento, soffrono per la scarsità del lavoro. Inoltre, sarebbe possibile riconvertire tali aziende facendo loro produrre componenti ad elevato contenuto tecnologico e, conseguentemente, ad elevato valore aggiunto dal momento che la produzione di componenti a basso valore aggiunto e basso contenuto tecnologico si sta progressivamente spostando verso Paesi a basso costo della manodopera (principalmente est Europa).

 

RUOLO DEI PARTNER

Per raggiungere tali obiettivi si è deciso di dar vita a un’aggregazione di imprese appartenenti alla filiera automotive in grado di apportare competenze trasversali all'intero progetto.

Il partenariato dispone al proprio interno di tutte le competenze necessarie alla realizzazione delle attività di progetto, eccezion fatta per le competenze relative alla simulazione di colata per le quali come specificato si ricorrerà a una consulenza esterna da parte della società EcoTre per le competenze possedute in ambito di fonderia con l’utilizzo integrato tra il software di simulazione di colata e la tecnologia del sottovuoto FONDAREX.

Le competenze possedute e apportate da ciascun partner sono complementari fra di loro e permetteranno di completare efficacemente il progetto.