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Nuove funzionalità e lightweight l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto

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In base alle nuove direttive europee nel settore auto, le emissioni di gas serra dovranno scendere dai 120 g/km del 2012 ai 95 g/km nel 2020, e ci si aspettano valori ancora più stringenti negli anni successivi (probabilmente 60 g/km per il 2025). Se da una parte l’efficienza complessiva del powertrain avrà un ruolo centrale, il raggiungimento di questi obiettivi non potrà prescindere dall’efficienza in termini di prestazione/peso dei materiali utilizzati. Per questa ragione, il tema del metal replacement è diventato negli ultimi anni di stringente attualità.
In questo ambito, l’introduzione dei materiali compositi per parti strutturali o semi-strutturali, ha costituito un salto tecnologico importantissimo. In questo specifico settore tecnologico, negli ultimi anni ha ricevuto rinnovato interesse l’utilizzo di laminati termoplastici fibrorinforzati. Questo perché essi garantiscono da una parte elevate prestazioni, dall’altra una alta versatilità di processo per realizzare geometrie anche notevolmente complesse e possibilità reale di produzioni di massa, legate alle trasformazioni dei polimeri termoplastici da sempre maggiormente automatizzata rispetto ai termoindurenti.
D’altra parte, un altro tipo di metal replacement ha iniziato a ricevere una certa attenzione, e cioè quello relativo al cablaggio elettrico dell’interno veicolo. E’ infatti evidente che elettronica e dispositivi sempre più raffinati e complessi allo stesso tempo, a disposizione degli utilizzatori, comportano una notevole richiesta di cablaggio per il loro collegamento. D’altra parte, soluzioni di design sempre più innovative comportano la necessità di portare segnale elettrico in zone che il tradizionale cablaggio elettrico ha difficoltà a raggiungere.
In questo intervento verrà presentata una sintesi dei risultati raggiunti dal Centro Ricerche Fiat, in collaborazione con Proplast, nell’ambito di progetti di ricerca collaborativa cofinanziati dalla regione Piemonte, che ha visto coinvolte molte aziende della regione che hanno cooperato in sinergia per raggiungere gli obiettivi di innovazione tecnologia prefissati. In particolare verrà illustrata la realizzazione di un componente in laminato composito termoplastico retroiniettato e una plancetta comandi, con piste conduttive laserizzate direttamente sul componente stampato, a migliorata processabilità e funzionalità, per la gestione del segnale elettrico.

Published in: Automotive
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Nuove funzionalità e lightweight l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto

  1. 1. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Marco Monti1, Giorgio Boero2 1Proplast, Strada Comunale Savonesa 9, 15057 Rivalta Scrivia (AL) 2CRF, Corso Settembrini 40, 10135 Torino
  2. 2. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Introduzione Il presente lavoro è parte del progetto Drapò «Sistemi e componenti per il recupero dell’energia e l’efficienza energetica di autoveicoli», cofinanziato dalla regione Piemonte tramite il bando Piattaforma Automotive, che ha visto coinvolte molte delle aziende della filiera automotive (coordinato dal CRF). Centro tecnologico volto al supporto R&D per le aziende del settore dei polimeri e compositi (sede: Alessandria) CRF e Proplast hanno una lunga storia di collaborazione tecnica nello sviluppo di nuovi materiali e processi nel settore dei polimeri e compositi. Questa collaborazione è stata spesso favorita dai bandi per il finanziamento di progetti di ricerca da parte della Regione Piemonte. Il Group Materials Labs sviluppa l’innovazione relativa all’utilizzo dei materiali sui veicoli, con particolare attenzione alle prestazioni, alla qualità e alla sostenibilità ambientale, durante le fasi di progettazione, produzione, uso e fine vita.
  3. 3. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Indice • Settore trasporti: introduzione, evoluzione e driver guida dell’innovazione per la sostenibilità • Barra antintrusione in composito termoplastico: alleggerimento, prestazioni e alti volumi di produzione per componenti strutturali • Trattamenti laser di nanocompositi CNT per applicazioni d’interni: alleggerimento e multifunzionalità
  4. 4. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Indice • Settore trasporti: introduzione, evoluzione e driver guida dell’innovazione per la sostenibilità • Barra antintrusione in composito termoplastico: alleggerimento, prestazioni e alti volumi di produzione per componenti strutturali • Trattamenti laser di nanocompositi CNT per applicazioni d’interni: alleggerimento e multifunzionalità
  5. 5. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Introduzione …ma un mercato globale Scenari molto differenti… FCA Group (EMEA, NAFTA, LATAM and APAC Regions)
  6. 6. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto L’evoluzione dell’auto Oggi un’auto è assemblata con 15.000 parti, estremamente affidabile ed ottimizzata in termini di sicurezza ed impatto ambientale, con il più basso costo per kg rispetto ad altri beni di consumo ad alto livello tecnologico.
  7. 7. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto L’evoluzione dell’auto Incremento del peso veicolo Sicurezza attiva e passiva Aumento dimensioni Incremento efficienza Miglioramento acustica Comfort 1978 – FIAT Ritmo 2016 – FIAT Tipo Sistemi motore + 20 % (300 Kg) Body e Chassis + 30 % (380 Kg) Componenti elettronici + 100 % (100 Kg) Componenti interni + 100 % (310 Kg) FIAT BRAVO 1.9 Diesel 100hp - 1999 FIAT BRAVO 1.6 Diesel 105hp - 2009  Consumo carburante (l/100km) 6.3 4.5 - 28.6% Peso (kg) 1155 1320 + 14 % (100 kg di riduzione peso, portano ad una riduzione del consumo carburante del ~5%)
  8. 8. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto L’evoluzione dell’auto – materiali e trend Peso % 8 Media Seg.C 2000 Media Seg.C 2014 Segmento C (es. JEEP Renegade) (circa 200 kg di materiali polimerici)
  9. 9. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Drivers per l’innovazione I motori di ultima generazione con Energy Saving, hanno permesso di raggiungere gli obiettivi di oggi Nuove tecnologie per raggiungere i target di emissioni di CO2 2020/2025 Ogni eccedenza di g CO2/km costerà all’OEM 95€: ibridazione, aerodinamica, gestione efficiente dell’energia e riduzione peso Problema CO2 / Riscaldamento globale Richieste personalizzate cliente Nuovi effetti di stile per alta qualità percepita Risorse limitate Materiali rispettosi dell’ambiente e un miglior riciclo Gli OEM devono affrontare nuove sfide
  10. 10. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto ….verso la multifunzionalità SOTTO COFANO INTERNI SISTEMI MOTORE - Vetrature plastiche - Pannelli plastici sensorizzati - Vernici ad elevate prestazioni - Adesivi multifunzionali - Compositi (crash, monitoraggio salute) BODY - Griglie attive - Coppa olio - Coperchio punterie - Condotti aria - Copri motore - Tubazioni in elastomero - Supporti motore - Serbatoi carburante - Linee combustibile - Bocchettone carburante - Plancia e trims con interruttori integrati - Plastiche intelligenti (sensori, illuminazione) - Tessuti intelligenti PROPRIETA’ TERMICHE ALLEGGERIMENTO E MATERIALI RICICLATI PROPRIETA’ ELETTRICHE CARATTERISTICHE ESTETICHE
  11. 11. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Indice • Settore trasporti: introduzione, evoluzione e driver guida dell’innovazione per la sostenibilità • Barra antintrusione in composito termoplastico: alleggerimento, prestazioni e alti volumi di produzione per componenti strutturali • Trattamenti laser di nanocompositi CNT per applicazioni d’interni: alleggerimento e multifunzionalità
  12. 12. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Barra Antintrusione Barra attuale produzione in acciaio Barra in composito TARGET PRESTAZIONALE Riduzione del peso delle porte, utilizzando una lastra in materiale composito termoformata e retroinettata. COMPONENTE STUDIATO La barra antintrusione è un componente strutturale che protegge il passeggero dagli urti lateriali e viente inserita all’interno dello sportello. TARGET ECONOMICO Il costo del nuovo componente deve avere un incidenza non superiore ai 5€ per ogni kg di peso risparmiato
  13. 13. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Barra Antintrusione 3. PROCESSO DI REALIZZAZIONE Produzione in due step: Step1. Formatura della lastra in composito TP mediante processo di termoformatura Step2. Realizzazione delle nervature mediante stampaggio a iniezione su lastra termoformata 2. SELEZIONE MATERIALI Lastra in composito TP: PA6 + tessuto twill GF Materiale retroiniettato: PA6+30%GF 1. PROGETTAZIONE E’ stata ipotizzata una struttura ad omega, realizzata con la lastra in fibra continua, supportata da nervature per il conferimento della rigidità Sono stati realizzati gli stampi per la formatura e per il successivo stampaggio a iniezione
  14. 14. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Barra Antintrusione TECNICI RISULTATI OTTENUTI STEP SUCCESSIVI PER RAGGIUNGERE L’INDUSTRIALIZZAZIONE ECONOMICI Prestazione: Simulazioni strutturali e testing hanno mostrato come la barra superi alcuni test di validazione ma non ancora completamente degli altri. Riduzione peso: circa 1 kg per ogni porta In fase di ottimizzazione / progettazione integrata si potranno stabilire gli economici accettabili Integrando ad esempio la barra con un carrier porta è possibile restare nel limite di accettabilità di 5€ / kg risparmiato 1. Ottimizzazione progetto per il miglioramento delle prestazioni 2. Validazione nuovi materiali e fornitori per materiali con un rapporto costo/prestazione migliore 3. Ottimizzazione del processo (uso dell’hybrid molding) per ottimizzare costo e prestazioni
  15. 15. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Indice • Settore trasporti: introduzione, evoluzione e driver guida dell’innovazione per la sostenibilità • Barra antintrusione in composito termoplastico: alleggerimento, prestazioni e alti volumi di produzione per componenti strutturali • Trattamenti laser di nanocompositi CNT per applicazioni d’interni: alleggerimento e multifunzionalità
  16. 16. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Compound conduttivi: perché i nanotubi di carbonio? 16 Ci sono molte cariche che - aggiunte ad un polimero – possono aumentarne la conducibilità elettrica • Carbon black • Nanotubi di carbonio • Grafite • Grafene • …. • Nanotubi di carbonio 0 5 10 15 20 25 30 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 CNTs GNP CB-S CB-C Resistivity(Ohm-cm) Filler Content (%) I nanotubi di carbonio ottimizzano il compromesso tra prestazioni e costo € 1€ 10€ 100€ 1000€ COSTOPERCOLAZIONE ELETTRICA CNT CB-C CB-S SL-Grafene GNP CNT CB-C CB-S SL-Grafene GNP 1% 10% 100% Soglia di percolazione elettrica
  17. 17. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto 0 1 2 3 4 5 6 7 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 Moplen PP RP348 R Hostacom CR 1171 G Resistivity(Ohm-cm) CNT Content (%) Sviluppo nuova plancetta comandi laserizzata Sviluppo formulazione polimerica con una presenza di CNT tale da non rendere l’intero componente elettricamente conduttivo (effetto corto circuito). La conducibilità elettrica sarà attivata localmente dal successivo processo di laseratura. Misura morfologica. Profilometro con focale Leica DCM8 Provini per test flessione PP+1.5%CNT Ottimizzazione processo di laseratura, per ottenere delle tracce con le caratteristiche elettriche volute. Il target di resistenza elettrica dopo laseratura è di MAX 3 kΩ/cm TASTI LED Progettazione nuova plancetta comandi
  18. 18. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Sviluppo nuova plancetta comandi laserizzata PISTE PIEZORESISTIVE funzione tasto PISTE CONDUTTIVE T2 T1 L2B L2A L1B L1A -0,005 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 ΔR[%] tempo [s] Tasto T1 - deformazione 0,3mm Resistenza [kW] Tasto T1 222.5 L1 A 4.06 L1 B 4.52 PIEZORESISTIVITA’ Cos’è. Una sollecitazione meccanica modifica la resistività elettrica del materiale A cosa serve. La variazione di resistività (e quindi di resistenza) può permette di attivare dispositivi elettrici/elettronici a bordo veicolo
  19. 19. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Dimostratori installati su veicolo Fiat Panda 139, new concept
  20. 20. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Conclusioni TRL9 TRL8 TRL7 TRL6 TRL5 TRL4 TRL3 TRL2 TRL1 TRL 6 technology demonstrated in relevant environment (industrially relevant environment in the case of key enabling technologies) TRL 7 system prototype demonstration in operational environment L’innovazione nel settore auto per quanto riguarda i materiali va verso il lightweight e la multifunzionalità. I compositi termoplastici offriranno nel breve futuro una grande possibilità di riduzione peso con facilità alla produzione di massa. I compound conduttivi e il processo di laseratura possono avere un ruolo fondamentale nell’integrazione elettronica nei componenti veicolo. L’innovazione in questi settori, portata avanti anche grazie ai bandi regionali di ricerca, ha contribuito e contribuirà nel raggiungere obiettivi sempre più sfidanti
  21. 21. Convegno Compositi 4.0: la nuova generazione Torino, 3 Maggio 2017 M. Monti, G. Boero – Nuove funzionalità e lightweight: l’innovazione nei materiali dell’industria dell’auto Giorgio Boero Group Materials Labs National Research Manager Centro Ricerche Fiat S.C.p.A. C,so Settembrini, 40 Gate 8 - ingr.109/A 10135 Torino, Italy Email: giorgio.boero@crf.it Marco Monti R&D Project Manager Funded and Cooperative Research Consorzio Proplast Strada Comunale Savonesa, 9 15057 Rivalta Scrivia (AL) Email: marco.monti@proplast.it

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