Esempio di tram leggero realizzato da Bombardier

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Esempio di tram
leggero realizzato
da Bombardier
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Estrusi di alluminio
nel carbody
ferroviario
Grazie alla loro estrema versatilità di forma
consentono libertà di design,
elevata penetrazione aerodinamica,
velocità di assemblaggio, modularità
Ernesto Carretta
[email protected]
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partire dagli anni Sessanta
(anche se i primi esempi
risalgono già agli anni Trenta)
l’impiego dell’alluminio nel
settore dei trasporti ferroviari ha trovato sempre più
risalto per i vantaggi connaturati alle proprietà
chimiche, fisiche e meccaniche delle leghe da
esso derivate. In particolare, la possibilità di
ottenere notevoli risparmi sul peso delle strutture e la buona resistenza alla corrosione, con
tutti i vantaggi economici ad esse associati, hanno orientato la progettazione verso soluzioni
realizzate in leghe leggere.
Negli anni Ottanta è nata una nuova concezione
del progetto delle strutture basata sull’impiego
di grandi estrusi con sezioni pluricave a pareti
sottili, che per la complessità di forma sono realizzabili quasi esclusivamente in leghe da deformazione plastica alluminio-magnesio-silicio. I
vantaggi presentati da tali innovazioni sono relativi alla velocità d’assemblaggio con poche lavorazioni aggiuntive e alla possibilità di realizzare
facilmente una sezione della cassa con buona
penetrazione aerodinamica, requisito fondamentale per i moderni treni ad alta velocità.
Negli ultimi anni hanno acquisito notevole
importanza applicazioni delle leghe di alluminio
per la sicurezza passiva come gli assorbitori
d’urto, anch’essi realizzati con profilati estrusi
dalle geometrie complesse, in leghe appositamente messe a punto.
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A
In un simile scenario, che vede l’impiego degli
estrusi d’alluminio come semilavorati di base
per la costruzione delle strutture nella quasi
totalità degli ultimi progetti del settore ferroviario, assumono una primaria importanza, oltre
agli elementi già elencati, la ricerca di materiali
sempre più adatti all’applicazione in questione e
allo stesso tempo l’ottimizzazione del funzionamento e del controllo degli impianti al fine di
migliorare la qualità complessiva del prodotto.
Un significativo esempio di struttura ferroviaria
in alluminio estruso è costituito dal TGV
Duplex, un treno ad alta velocità a due piani nel
quale si è riusciti ad avere un carico pagante del
45% in più, a fronte comunque di un risparmio
in termini di peso del 12% rispetto alla iniziale
versione in acciaio ad un solo piano.
L'alleggerimento è dunque il primo vantaggio
derivante dall'impiego dell'alluminio in campo
ferroviario, tuttavia importanti contributi si
ottengono anche nell'ambito del design che
punta al raggiungimento di buoni effetti estetici
sia sul fronte della sagoma della vettura, che su
quello dell'arredamento degli interni. Soprattutto nel campo dell'aerodinamica la versatilità di
forma dell'alluminio permette di semplificare lo
sviluppo e la produzione delle carrozze con la
geometria più appropriata (fig. 2).
Recentemente, tra gli impieghi innovativi del
materiale si possono registrare una serie di
applicazioni indirizzate al miglioramento della
sicurezza passiva. Oltre ai contributi benefici in
termini di sicurezza
forniti dalla riduzione delle masse, l'utilizzo degli estrusi ha
permesso la realizzazione di dispositivi destinati all’assorbimento degli
urti e da montare
nella parte anteriore della vettura. La
configurazione dei
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1) La Circumvesuviana di Napoli.
Metra ha fornito i
profili estrusi
per le carrozze
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progettazione
dispositivi crash è studiata per far sì che si arrivi ad una deformazione ‘pilotata’: per garantire
la sicurezza dei passeggeri è fondamentale che
essi, durante l’urto, collassino secondo una
‘deformata’ indice di un elevato assorbimento
dell’energia liberata dall’urto stesso. Tale deformazione è assicurata dalla geometria dei dispositivi che è determinata sulla base di studi accurati in fase di progettazione, grazie all’ausilio della simulazione assistita. Riguardo alle proprietà
meccaniche del materiale di costruzione, il loro
raggiungimento deriva dal connubio tra composizione chimica della lega utilizzata ed il ricorso
a speciali trattamenti termici da effettuare in
seguito alla formatura. Nella figura 3 è mostrato
collegamenti bullonati o rivettati,
o soluzioni miste tra la prima ed
i secondi in base ad una ‘filosofia’
che mira ad integrarli sotto la guida dei processi di automazione.
Ad oggi, l’innovazione nel campo
dei montaggi è costituita dalla
saldatura ad attrito Friction Stir
Welding e dall’incollaggio, ed
anche il settore delle costruzioni
ferroviarie guarda a loro con
interesse; infatti, si registrano già
casi in cui è allo studio la loro
introduzione nelle produzioni di
alumotive
3) Le leghe utilizzate
da Metra per la realizzazione di estrusi destinati
al settore ferroviario
4) Vista in sezione di una
carrozza ferroviaria in
estrusi di alluminio.
Ogni elemento colorato
è realizzato
con un estruso diverso
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l’andamento delle caratteristiche meccaniche
delle leghe di alluminio utilizzate da Metra al
variare del contenuto di magnesio e di silicio. La
cassa della carrozza ferroviaria in alluminio
estruso ha una configurazione simile a quella
mostrata nella figura 4; in sezione sono visibili gli
estrusi di pavimentazione, i longheroni, le fiancate e il tetto, che possono per esempio essere
realizzati da Metra, in barre fino a 25 m di lunghezza e 600 mm di larghezza. Un vantaggio del
processo di estrusione è la possibilità di ottenere componenti che abbiano già inclusi nella propria forma dettagli che ne agevolano il montaggio (fig. 5); questo rende chiaramente molto più
agevole e veloce - date le dimensioni dei pezzi
montati - il successivo processo di assemblaggio.
A tale riguardo le tecniche di giunzione usuali
sono la saldatura ad arco (Mig, Tig + plasma), i
2) Un esempio di come
l’utilizzo dell’alluminio
nella realizzazione
di carrozze ferroviarie
permetta di ottenere
soluzioni significative anche
dal punto di vista dell’estetica e dell’aerodinamica
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5) L’assemblaggio del carbody
prima delle lavorazioni.
Le diverse colorazioni mostrano
i diversi estrusi assemblati.
Nel dettaglio, un particolare della trave di vincolo che unisce la
fiancata al tetto della carrozza
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Metra e il ferroviario
Interessante è uno studio
recentemente sviluppato dall’Ufficio Assistenza Tecnica di
Metra per la pavimentazione
inferiore e superiore delle
carrozze di treni regionali a
due piani, per la quale il committente ha richiesto una
proposta sostitutiva della
soluzione esistente in acciaio,
con l’unico vincolo che il pavimento fosse rivettato ai montanti di fiancata già esistenti.
Le dimensioni dovevano essere 8.500 x 2.500 x 48 mm di
altezza, il materiale la lega
6005A e il carico sollecitante
uguale a 4.500 chilogrammi
distribuiti su tutta la superficie. Sono state quindi disegnate quattro geometrie diverse
di estrusi: un profilo mediano,
due d’attacco laterale e uno
intermedio contenente la guida per l’alloggiamento dei
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fascia alta. Sulla cassa assemblata vengono poi effettuate
le lavorazioni meccaniche
necessarie per realizzare i
vani delle porte e dei finestrini. Si può notare come,
con pochi accorgimenti, è
possibile utilizzare gli stessi
estrusi per ottenere casse
dalle diverse configurazioni.
Aggiungendo, ad esempio,
uno o due profili ulteriori sul
pavimento e sul tetto si possono realizzare nuove configurazioni di carreggiata per
tram e treni.
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progettazione
sedili (fig. 7). In tale esercizio si è operato alla
luce delle esigenze funzionali e di carico del componente finale. Lo sviluppo dettagliato del progetto viene poi fatto dal committente, anche se
l’Ufficio Sviluppo e Assistenza Tecnica esegue
uno studio di avamprogetto relativo al dimensionamento degli estrusi, al contempo valutando
la flessione del pavimento sotto carico massimo
e la resistenza delle saldature. L’Ufficio Tecnico,
oltre alla gestione dei disegni del cliente, cura un
aspetto fondamentale per l’ottenimento di un
profilato di qualità, ovvero lo sviluppo e la progettazione della matrice. Importante è innazittutto utilizzare acciai di qualità molto elevata e
prestare particolare attenzione ai trattamenti
termici eseguiti, per garantire alla matrice una
certa durata nel tempo e il rispetto delle geometrie del profilo che si vogliono ottenere. A
questo proposito, i reparti tecnici di Metra stanno sperimentando tecniche innovative da utilizzare nella progettazione della matrice effettuando, attraverso la collaborazione con centri di
ricerca universitari, studi di simulazione computerizzata del processo di estrusione, con parti-
colare attenzione al comportamento della
matrice stessa. Tutto questo inserito all’interno
di un sistema qualità specifico. Perché, se da un
punto di vista aziendale generale Metra è certificata secondo la Vision 2001, per quanto riguarda le forniture nel settore ferroviario si adegua
alle prescrizioni contenute nella norma Uni En
13981-1 “Alluminio e leghe di alluminio - Prodotti per applicazioni ferroviarie strutturali Condizioni tecniche di collaudo e fornitura”, che
individua tre filoni di attività: le procedure aziendali, le caratteristiche dei prodotto e i collaudi.
Relazione presentata ad alumotive 2005, 20-22 ottobre, Modena, Sessione Tecnica Alluminio nella Cellula
Collettiva
8) Una delle più recenti
forniture di Metra
nel settore ferroviario
è rappresentata dai Trenes
Modulares spagnoli
Anche Compal investe nel ferroviario
alumotive
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A fronte di un investimento di oltre 500.000
euro, poco meno di un anno fa Compal, l’azienda
del Gruppo Metra specializzata nelle lavorazioni
meccaniche, ha installato un nuovo centro di
lavoro a 5 assi CNC, un impianto a portata mobile con postazioni in pendolare che permette di
eseguire lavorazioni complesse su barre estruse
di grande sezione e lunghezza variabile fino a un
massimo di 16 metri. Il centro è in grado di lavorare profilati di grandi dimensioni (fino a 600 mm
di larghezza e 400 mm di altezza) destinati in particolare al settore ferroviario - tram e treni a bassa frequentazione. L’investimento effettuato rappresenta una perfetta integrazione alla politica di
potenziamento intrapresa dal Gruppo nell’ambito dei profili di grandi dimensioni. Un orientamento strategico che ha portato di recente
anche alla installazione della pressa da 6050 t,
dalla quale sono usciti profili destinati ad importanti commesse nel ferroviario e nell’aeronautica, quali i Trenes Modulares spagnoli, la Circumvesuviana di Napoli, l’Airbus A380.
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innovation
Aluminium Extrudates
for Railway Carriages
Ernesto Carretta
use the same extrudates to make bodies of
different configurations.
An interesting study was recently carried out
on the upper and lower deck of the doubledecker carriages of suburban trains.
The customer had requested an alternative of
the existing steel construction (dimensions,
8500x2500 mm, 45-mm thick, alloy 6005A,
load 4500 kg). Four different extrudates were
designed: a middle section, two lateral connexion sections and an intermediate one, carrying
the seat rails.
The detailed design is left to the customer,
although Metra’s Development or After-Sale
Service Departments carry out a preliminary
dimensioning of the extrudates and concurrently assess the deck’s bending under
maximum load and the weldments’ strength.
Metra’s Engineering Office takes care of
another critical factor for obtaining top-quality
extrudates: die design and development.
Metra’s engineers are currently trying out
innovative techniques for this purpose.
As concerns supplying the railway industry,
Metra complies with what is specified in the
UNI-EN 13981-1 standard; “Aluminium and
Aluminium Alloys - Products for Structural
Applications in Railways - Technical Supply and
Acceptance Conditions”.
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Lower weight is the first advantage accruing
from the use of aluminium in railway rolling
stock. Yet, significant pluspoints are achieved
also in carriage design, which aims at obtaining
aesthetically attractive effects as concerns carriage shape and interior outfitting.
Especially for streamlining, the shaping versatility of aluminium permits simplifying the development and production of suitably shaped carriages.
One of the most recent innovative uses of aluminium aims at improving passive safety.
The configuration of crash-safety devices is
such as to achieve a ‘controlled’ collapse. To
ensure passenger’s safety, such devices should
collapse according to a deformation curve
indicating significant absorption of the energy
released in the crash. Such a deformation pattern is provided by the devices’ geometry,
determined from careful design studies with
the support of computer-assisted simulation.
An advantage of the extrusion process is that
it can be used to make components designed
to facilitate assembly. Currently, innovation in
assembly is represented by friction stir welding
and glueing. The assembled carbody is then
machined to accommodate doors and windows.
Note that just a few expedients are needed to
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