estrusi di aLLuminio per L`auto

attualità CURRENT AFFAIRS
ESTRUSI DI ALLUMINIO
PER L’AUTO
ALUMINIUM EXTRUSIONS FOR AUTOMOTIVE
Mercato ed applicazioni
di Alberto Pomari
[email protected]
Market and applications
L
’industria automobilistica è una delle principali attività economiche in Europa e nel
mondo. Il contributo complessivo di questo
comparto al prodotto interno lordo globale si
aggira attualmente attorno al 7-8% e anche in
termini occupazionali la rilevanza di questo
settore è davvero significativa, con un assorbimento di addetti che nella sola Europa è stimato intorno a 10 milioni di lavoratori.
Per questo motivo il mercato
dell’automobile
rappresenta per il mondo dell’alluminio uno
sbocco estremamente
importante (figura 1).
L’utilizzo dell’alluminio
nel settore automotive
ha origini che risalgono
ai primordi del metallo
leggero.
I primissimi casi di impiego risalgono addirittura all’inizio del
‘900: la Panhard Levassor del 1903, ad
esempio, si avvaleva
già del metallo leggero nella realizzazione
della carrozzeria. Con-
A&L - 20
The automotive industry is one of the main
businesses in Europe and in the world. The
total contribution to the global gross domestic product of this department is now about
7-8% and also regarding employment, the importance of this sector is really relevant with
a number of workers that only in Europe is
about 10 million people.
For this reason, the automotive sector for the
Figura 1 - Modalità di
impiego dell’alluminio
nelle auto
Figure 1 - Aluminium
product forms for
automotive applications
(source Ducker Worldwide)
siderando che attualmente la media di utilizzo
di leghe leggere si aggira attorno ai 140 kg
per auto e che nel 2012 sono state immatricolate 840mila vetture, il consumo complessivo
di alluminio per l’auto in Europa vale intorno
a 1,2 milioni di tonnellate, e guardando in
particolare agli estrusi, ai quali è specificamente dedicato questo articolo, parliamo di
un mercato potenziale superiore alle 120mila
tonnellate annue.
Come si può osservare nella figura 2, le previsioni di utilizzo medio di leghe leggere per
auto sono in incremento. Il peso medio delle
vetture è infatti aumentato negli ultimi anni e
nella figura 3 ne riassumiamo sinteticamente le
motivazioni; per contro, gli obiettivi di riduzione delle emissioni di CO2 impongono ai costruttori di vetture di trovare continue soluzioni.
L’alleggerimento dei veicoli è quindi un obiettivo primario poiché, come noto, il peso è connesso strettamente ai consumi energetici ed
alle emissioni nocive. In figura 4 è illustrata la
situazione aggiornata al 2012 dell’uso di alluminio in diversi modelli di auto, dalla Jaguar
XJ, che lo impiega massicciamente con circa
550 kg per veicolo, fino alla Fiat 500.
Applicazioni degli estrusi
Le possibilità di utilizzo degli estrusi in un’automobile sono evidentemente numerosissimi, pertanto ci limiteremo a concentrare l’attenzione su
progetti ed impieghi seguiti e realizzati da Metra Spa. Come premessa possiamo considerare
che nell’automobile gli estrusi di alluminio vengono principalmente utilizzati per i componenti
strutturali della meccanica del veicolo, per gli
apparati di sicurezza e comfort e per la realizzazione degli interni.
Tra i componenti strutturali ricordiamo in particolare gli space frames, (figura 5) che possono
essere realizzati con diverse tecnologie:
1) unibody: è la soluzione in lamiera stampata
maggiormente utilizzata; in questo tipo di telaio gli estrusi trovano applicazioni in parti
minori;
2) space frame vero e proprio: in questo caso
si intende un’architettura costruttiva costituita da una “gabbia” di profilati connessi
tra loro mediante nodi rigidi. Gli estrusi
occupano qui una posizione di grande rilievo. Numerosi sono gli esempi di space
frame realizzati con gli estrusi: nella figura
6 è riportato quello della Ferrari 599 GTB
Fiorano;
aluminum world is an extremely important opportunity (fig. 1). The use of aluminum in the
automotive sector originates to the very beginnings of light metal. The very first cases of its
use date back to the beginning of 1900: Panhard Levassor of 1903, for example, already
used this metal in the construction of the car
body.Considering that right now the average
use of light alloys is about 140 kg per car
and that 840 thousand cars were registered
in 2012, the total consumption of aluminum
for automotive applications in Europe is about
1.2 million tons and looking in particular at
extrusions, to which this presentation is dedicated, we are speaking about a potential market higher than 120 thousand tons per year.
As you can see in Figure 2, the forecast of
average use of light alloys per car is increasing. In fact, the average weight of cars has
increased in the last few years and in Figure
3 the reasons are briefly summarized; on the
other hand, the objectives of CO2 emission
reduction oblige car manufactures to find continuous solutions. Therefore producing lighter
vehicles is a primary objective because, as
it is well known, weight is strictly connected
Figura 2 - Previsioni di
utilizzo medio di leghe
leggere per auto
Figure 2 - Future Aluminum
Content Analysis 20122020 (source Ducker
Worldwide)
Figura 3 - Gli elementi
che determinano il
maggior peso delle auto
Figure 3 - The main weight
increase reasons (source
Ducker Worldwide)
.com
- 21
to energy consumptions and harmful
emissions.
In Figure 4 the
2012 updated situation of the use of
aluminum alloys in
different car models
is shown. From the
Jaguar XJ, which
makes great use
of aluminum using
about 550 kg per
car, up to the Fiat
500, it is possible
to check the single
quantities of metal
used for the car produced in Europe.
Figura 4 - Contenuto
di leghe leggere per
alcune auto
Figura 4 - Aluminium
content for specific auto
models (source Ducker
Worldwide)
Figura 5 - Schema di uno
space frame in alluminio
Figure 5 - Model of an
aluminium space-frame
A&L - 22
3) tubular chassis: è costituito da un traliccio
di tubi a sezione tonda o quadrata saldati
tra loro. Venne impiegato nella Ferrari Testa Rossa del 1984, ma attualmente è poco
utilizzato per gli elevati costi di produzione;
4) body-on-frame: è costituito da una struttura
“ladder Chassis” piana che costituisce in
pratica il basamento del telaio di un auto.
A titolo di cronaca è bene ricordare che,
per questioni di scarsa rigidezza, questa
soluzione è stata utilizzata raramente.
Come esempio si può citare la Plymouth
Prowler del 1977.
Per quanto riguarda l’utilizzo dei componenti
in estruso per la meccanica riportiamo in figu-
Application of extrusions
Obviously, the examples of the use of extrudes
in cars are numerous; in this case we are only
focusing attention on projects followed and
made in Metra Spa.
As a foreword, we can consider that the aluminum extrusions in cars are mainly used for
structural components of the mechanics of the
vehicle, for safety and comfort apparatuses
and for the interiors. Among structural components, it is important to remember space
frames (Figure 5) which can be used with various technologies:
1. unibody: is the mostly used stamped sheet
solution. In this type of frames, the extrusions find applications in minor parts;
2.actual space frame: in this case, means a
constructive architecture made by a “newtork” of profiles connected by rigid knots.
Here the extruded profiles have a position
of great importance. There are numerous
examples of space frames made in this
way: in figure 6 the Ferrari space frame of
the 599 GTB Fiorano is shown;
3.tubular chassis: it is made by a network
of round or square section pipes welded
among them; it was used in the Ferrari
Testa Rossa in 1984, but now is little used
due to high production costs;
4.body-on-frame: is made of a flat “ladder
Chassis” structure which makes the basis
of the frame of a car; due to problems of
poor rigidity, this solution has rarely been
used. As an example, we can quote the
Plymouth Prowler of 1977.
ra 7 il caso di un braccetto delle sospensioni
forgiato da estruso, insieme a particolari strutturali della trasmissione.
Riferendosi a particolari e componenti per il
comfort e la sicurezza, ricordiamo gli estrusi
utilizzati nei sistemi per l’aria condizionata,
ottenuti generalmente da leghe della serie
3000 caratterizzate da ottima saldabilità pur
senza esprimere livelli elevati di resistenza
meccanica. Passando agli interni dei veicoli,
quindi sedili, parti strutturali delle sedute, slitte e altri elementi, e ai sistemi di protezione
e sicurezza, è utile sottolineare che stiamo
parlando di parti spesso molto complicate
dal punto di vista costruttivo, nelle quali l’uso
dell’alluminio è indispensabile per ottimizzare
il peso (figure 8 e 9).
Ad esempio, nel determinare il comportamento all’urto di un telaio concorrono le proprietà
del materiale, la forma e il tipo di componenti
e il modo di deformarsi e di distribuire i carichi delle singole parti e della struttura nel suo
complesso. In questo ambito i profilati estrusi
in alluminio danno prestazioni eccellenti, superiori a quelle dell’acciaio.
Lo dimostra il fatto che in molte vetture con
scocche in acciaio vengono montate delle
strutture in lega leggera destinate all’assorbimento dell’energia di crash in caso di urto.
In particolare, i profilati cavi, collassando assialmente con la formazione di “grinze” a fisarmonica, sono in grado di rispondere molto
bene agli urti frontali, consentendo inoltre un
risparmio di peso superiore al 50%. Va aggiunto che la loro deformazione è
ben localizzata e può essere resa
progressiva con lo studio adeguato delle forme e degli spessori.
Regarding the use of extruded components for
mechanics, we can quote a structural suspension arm forged starting from an extrusion,
and the transmission crossbars shown in Figure 7 .
Analyzing the use of aluminum extrusions for
components in air conditioning systems, it is
noted that in this case they are products usually made in alloys belonging to the 3000
series, characterized by excellent weldability without expressing high mechanical resistance levels. For the interiors of vehicles - i.e.
seats, structural parts of the sitting parts, chassis and other elements – and for the protection
Figura 6 - La Ferrari 599
GTB Fiorano ed il relativo
space frame
Figure 6 - Ferrari 599
GTB Fiorano and its space
frame
Figura 7 - Braccetto di
sospensioni per auto
forgiato da estruso e
componenti strutturali
della trasmissione
Figure 7- Extruded car
suspension arm and
transmission structural
components
Commenti conclusivi
Gli esempi che abbiamo mostrato
sono solo alcune delle innumerevoli, possibili applicazioni intelligenti
degli estrusi di alluminio nell’automobile sempre più leggera e più
performante che il mercato richiede. È chiaro che un estrusore evoluto deve porsi nei confronti dei
clienti automotive con un pacchetto
di facilities produttive dirette e indirette, competenza tecnica, personale adeguato e mentalità aperta
alla co-progettazione per studiare
e realizzare soluzioni sempre più
avanzate. Tra i tanti casi che sono
.com
- 23
Figura 8 - Particolari per
interni auto in estrusi
Figure 8 - Details for car
interiors in extrusions
Figura 9 - Sagome di
estrusi per airbag auto e
particolari assemblati
Figure 9 - Shapes of
extrusions for car airbags
and assembled details
A&L - 24
stati affrontati in Metra negli ultimi anni va ricordato come emblematico per l’approccio alla
co-progettazione quello di un sedile in alluminio
progettato per il Centro Ricerche Fiat.
In conclusione, e mantenendoci nell’ottica di
valorizzare le prerogative uniche e straordinarie dell’alluminio, possiamo ribadire che l’impiego del metallo leggero e delle sue leghe nel
settore dell’auto e dei trasporti in genere vuol
dire privilegiare la leggerezza, la limitazione
di emissioni nocive, la totale riciclabilità e il
rispetto per l’ambiente. In sintesi, vantaggi economici, ambientali e sociali. La dimostrazione
più evidente della validità di questi concetti sta
nella crescita continua del ricorso alle leghe
leggere per la realizzazione degli attuali autoveicoli.
Relazione presentata a “The International Conference Alusil “Aluminium-21/TRANSPORT”
tenuta a Saint Petersburg, Russia, 1 - 3 Ottobre 2013.
and safety systems, we enter into very complicated areas regarding construction where the
use of aluminum is fundamental to optimize
weight (Figures 8 and 9). For example, when
determining the behavior of a frame during a
collision, various elements are involved such
as material properties, the shape and type of
components, the way to deform and distribute the loads of the single parts and of the
structure in its whole. In this context, extruded
aluminum profiles give excellent performances, higher than the steel ones. This is proven
by the fact that in many cars with steel shells,
light alloy structures are installed for absorbing crash energy in case of collision. In particular hollow profiles, axially collapsing creating “accordion-shaped wrinkles”, are able
to cope very well with frontal collisions, also
allowing a weight saving higher than 50%.
Their deformation remains well localized and
can be made progressive through a proper
analysis of shapes and thicknesses.
Conclusive comments
The examples shown are only some of the
uncountable possible intelligent applications
of extrusions in today’s and tomorrow’s cars,
considering that the market requires characteristics of increasing lightness and general
performance in continuous improvement. Referring to real cases faced in Metra, it is clear
that an evolved extruder must offer automotive customers a series of direct and indirect
production facilities, technical knowledge,
skilled personnel and an open-mind to codesigning for studying and implementing
more and more advanced solutions. Among
the various cases faced in the last few years,
we can consider as a significant example the
approach to co-designing related to a seat in
aluminum designed in cooperation with the
Fiat Research Center .
In order to conclude under the sign of the
unique and extraordinary characteristics of
aluminum, it must be said that the use of the
light metal and its alloys in the automotive
sector – cars and transportation in general –
means to privilege basic characteristics such
as lightness, respect for the environment,
emission saving and total recyclability; in
short, economic, environmental and social
advantages. The most evident proof of the
validity of these concepts is the continuous
growth of the use of light alloys in the production of our vehicles.