Ci si aspetta che i materiali compositi a base di fibra di carbonio giochino un ruolo chiave nella ricerca per produrre auto più leggere, malgrado le enormi sfide che presenta la linea di produzione.
Esigenze ambientali più stringenti ed un utilizzo in costante crescita delle auto nelle grandi città ha obbligato l’industria automobilistica a ragionare in modo nuovo. Al centro dell’attenzione ci sono carrozzerie più leggere e batterie di maggiore durata, tanto per veicoli ibridi quanto per quelli puramente elettrici.
Entro il 2014 al più tardi, quasi tutte le aziende automobilistiche offriranno auto ibride, e sarà solo l’inizio. Ferdinand Dudenhöffer, professore e responsabile del Centro per la Ricerca Automobilistica della Duisburg-Essen University in Germania, parla di un cambio di tecnologia.
“Entro il 2025, la quota di nuove autovetture che funzioneranno solo a carburante sarà scesa globalmente al 35%”, afferma.
Secondo un’altra previsione, entro 10 anni, saranno quasi 24 milioni le auto ibride o elettriche vendute ogni anno. Questa cifra, continua Dudenhöffer, è prudenziale. Tutte le case automobilistiche lotteranno con lo stesso problema, il peso. Quando si installa una batteria, il peso di una macchina elettrica aumenta di circa 250 kg, mentre nel caso di una vettura ibrida plug-in si parla di circa 200 kg.
Volvo Cars sta lavorando ad una possibile soluzione. Insieme ai ricercatori dell’Imperial College London’s Department of Aeronautics, e ad un gruppo di ingegneri di Gothenburg, in Svezia, sono arrivati ad un materiale composito ottenuto da una combinazione di fibre di carbonio e polimeri, capace di caricare ed immagazzinare energia. L’idea è quella di dotare le Volvo del futuro di una carrozzeria che, in effetti, si comporti come una batteria elettrochimica. Ma quanto siamo distanti da una soluzione come questa?
Per-Ivar Sellergren, ingegnere sviluppo prodotti presso il Volvo Cars Materials Center, è ottimista. “Se tutto procede secondo i piani, avremo un prototipo di baule per auto entro la fine del 2012”, afferma. I costi sono un fattore da tenere in considerazione, ma Sellergren dice che, sebbene i prezzi siano ancora più elevati rispetto ad acciaio e alluminio, il futuro delle macchine elettriche e ibride è rappresentato dai materiali compositi.
Secondo i calcoli di Volvo, il costo di un cofano realizzato con il nuovo materiale potrebbe essere simile a quello di un cofano originale, più il costo di una batteria agli ioni di litio. “Quali produttori, potremmo aggiungere un importo extra per i cofani in fibra di carbonio, perché, in effetti, è come se avessimo una batteria praticamente gratis”, dice.
Secondo Ulf Carlund, esperto di compositi presso Volvo Cars, fino ad oggi i metodi di produzione sono stati troppo lenti, ed i primi investimenti fatti negli stabilimenti tradizionali andavano ammortizzati. In parte, però, il problema sta nel fatto che le case automobilistiche tradizionali hanno trovato difficile lavorare con i compositi. Esiste oggi, tuttavia, una grande volontà di cambiare e, secondo gli esperti di Volvo, il pubblico troverà sempre più materiali polimerici sia all’interno che all’esterno delle nuove autovetture.
Audi, in virtù della sua auto in alluminio, la A2, ha precorso i tempi nel settore della produzione di auto leggere. Nel centro “peso leggero” dell’azienda a Neckarsulm, nel sud della Germania, gli ingegneri di Audi lavorano sulle tecniche che sfruttano le fibre di carbonio, già usate dalla consociata Lamborghini, così come sulla tecnologia/competenza legata all’uso dei compositi, sviluppata con il modello di lusso Bugatti della casa madre Volkswagen.
Nell’auto sportiva Audi R8 Spyder, che costa oltre 120.000 euro ed è prodotta ad un ritmo di sole 15-20 unità al giorno, l’Audi usa un polimero rinforzato con fibre di carbonio su entrambi i lati e sulla carrozzeria del tettuccio. Un pre-requisito che lo renderebbe economicamente più efficace per la produzione di serie di auto meno costose, è il fatto che un certo numero di componenti in alluminio potrebbero venire sostituiti da un solo componente in fibra di carbonio. “Invece di cinque o sei diversi utensili, potrebbe bastarne uno solo”, afferma Karl Durst, ingegnere sviluppo presso il Leichtbauzentrum di Audi.
Qui, tra altri progetti, le fibre vengono compattate all’interno di un materiale composito, per aumentare i vantaggi in termini di peso rispetto all’alluminio: dal 17–18% circa, al 25%. Il progetto fa perno su un materiale che abbia la stessa capacità di resistenza strutturale dell’alluminio. Nonostante ciò, ci sono ancora tanti piccoli e grandi problemi da risolvere, continua Durst, non da ultima la corrosione nei giunti tra i compositi e gli altri materiali. Esiste poi un problema di rumorosità. Per ogni chilogrammo in meno, il livello di rumore aumenta, il che richiede un maggior isolamento, che a sua volta si traduce nell’aggiunta di ulteriore peso. Un’altra sfida sarà la familiarità che questo materiale raggiungerà tra i meccanici che dovranno maneggiarlo. “Dovrà essere possibile riparare l’auto e riposizionare i pezzi in materiale composito anche nelle officine Audi più piccole e in tutto il mondo”, dice Durst.
L’auto sportiva Audi R8 Spyder ha entrambi i lati della carrozzeria e il tettuccio realizzati con un polimero rinforzato in fibra di carbonio.
Il processo produttivo va migliorato. Lars Herbeck, dirigente della Voith Composites, filiale della Voith, azienda produttrice dimacchinari per una varietà di settori industriali, prevede un ampio fabbisogno in molte aree diverse. Una di queste riguarda i processi ottimizzati di flusso dei materiali, mentre un’altra è rappresentata da una produzione di oltre 100.000 componenti all’anno ad un ritmo molto più veloce nel ciclo. Rispetto ai componenti in alluminio, realizzati in un secondo, possono occorrere da 20 minuti ad un’ora per produrre pezzi in composito più grandi. Questo vale per il settore aerospaziale, ma non per la produzione su larga scala con catena di montaggio dell’industria automobilistica, capace di sfornare globalmente oltre 55 milioni di veicoli all’anno.
Oliver Geiger, ricercatore presso il dipartimento sui materiali compositi dell’istituto di ricerca tedesco Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie, a Pfinztal, sta cercando un modo per convincere le grandi aziende a collaborare in vari settori. Durst, di Audi, parla della necessità di fare un grande passo in avanti a livello tecnologico, piuttosto che fare affidamento su uno sviluppo evolutivo più lento.
Anche la Daimler, che ha usato le fibre di carbonio nella sua auto da corsa, la McLaren SLR, sin dal 2004 si concentra moltissimo sullo sviluppo della tecnologia. Nell’aprile 2010, ha iniziato una collaborazione con l’azienda chimica giapponese Toray, leader mondiale nella produzione di fibra di carbonio. Scopo di questa collaborazione è che l’azienda, nell’arco di tre anni, sviluppi componenti in fibra di carbonio per modelli con un volume di produzione medio da 20.000 a 40.000 veicoli all’anno.
Nel frattempo, la BMW, sua arcirivale, si dimostra decisamente più coraggiosa. Insieme al partner tedesco, SGL Carbon, BMW sta investendo 100 milioni di dollari in uno stabilimento di produzione di compositi a Moses Lake, Washington, negli Stati Uniti. Secondo il responsabile finanziario di BMW, Friedrich Eichinger, la fabbrica produrrà per la prima volta “grandi volumi a prezzi competitivi”. Obiettivo è quello di ridurre il prezzo dei materiali a meno della metà rispetto a quello attuale della fibra di carbonio, usata oggi nelle auto da corsa ad un costo che varia da 22 a 55 USD al kg.
Le fibre di carbonio verranno lavorate su due linee, con una capacità annuale pari a circa 1.500 tonnellate, e saranno usate per realizzare la nuova auto elettrica di BMW, la Megacity Vehicle, una cinque porte con quattro posti a sedere ed una batteria al litio da 35 kWh, capace di far percorrere al veicolo oltre 100 km con una carica. Una variazione per le auto sportive, con un piccolo motore diesel addizionale e due motori elettrici, dovrebbe consentire di raggiungere una velocità massima di oltre 200 km all’ora.
Si prevede l’uscita di Megacity dalla catena di montaggio nel 2013-2014, a Lipsia, dove la BMW ha investito oltre 400 milioni di euro. Secondo l’azienda, sarà la prima auto al mondo, prodotta in serie a presentare una cellula dell’abitacolo interamente realizzata in fibra di carbonio su telaio in alluminio. I primi bozzetti presentati da BMW rivelano un’auto che sembra uscita direttamente da un film di fantascienza, con una batteria simile ad un sottilissimo materasso, alloggiata sotto il pianale, ruote sovradimensionate ed una linea dinamica, quasi aggressiva.
Resta da vedere quale sarà l’effetto prodotto sulla forza lavoro di un settore già sotto pressione. “E’ una scommessa”, dice uno specialista di materiali leggeri di una delle aziende concorrenti di BMW.
Il dirigente Norbert Reithofer è pienamente consapevole anche dei rischi. Durante un convegno sul settore automobilistico tenutosi a Norimberga nell’ottobre 2010, ha affermato: “E’ possibile che con il primo ciclo di produzione basato su questa tecnologia non si ottenga alcun guadagno, ma in questo caso ci verranno in soccorso le tecniche tradizionali.”
La produzione con catena di montaggio pone una sfida importante per le auto del futuro.
24
Entro il 2025, saranno 24 milioni le auto ibride o elettriche vendute ogni anno.
35%
Secondo le stime, entro il 2025, solo il 35% delle nuove vetture funzionerà a carburante.
Fibra di carbonio
I compositi utilizzati nel settore aerospaziale e in quello automobilistico sono per lo più composti da resine epossidiche o di Vinylester, rinforzate con fibre di carbonio. I vantaggi di questi compositi sono rappresentati dal loro peso ridotto e da caratteristiche meccaniche, quali elevato valore di tensione di rottura a trazione. Le fibre di carbonio si sfilacciano facilmente, tuttavia possono anche essere formate per assorbire alti quantitativi di energia, come capita ad esempio nelle auto da corsa, sempre a rischio di collisioni ad alta velocità.
Materie plastiche rinforzate, tecnologicamente meno avanzate, sono da lungo tempo in uso nel settore automobilistico. Nell’ex Germania dell’Est, oltre 3 milioni di T rabant venivano realizzate in Duroplastic, materiale composto da cotone proveniente dall’Unione Sovietica e resina fenolica fornita dalle industrie chimiche.
PUNTO DI VISTA TECNICO
Molta incertezza
I materiali compositi nell’industria aerospaziale rappresentano già un mercato in crescita. Sandvik Coromant dispone di molti utensili adatti a questo settore, incluse le punte con taglienti in PCD (diamante policristallino) e le punte in metallo duro. Nel settore automobilistico, tuttavia, esiste ancora molta incertezza sulle reali necessità dei compositi.
La tecnologia relativa alla fibra di carbonio è certamente già ben affermata per quanto riguarda le vetture di Formula 1 e le auto sportive di lusso. Ma stiamo parlando di veicoli prodotti quasi artigianalmente, in piccolissimi numeri.
“Quando si parla di produzione di serie, ci troviamo ancora in una fase di ricerca e sviluppo”, commenta Francis Richt, che si occupa di sviluppo dei compositi in Sandvik Coromant. “Ma noi contiamo sul fatto che questo nuovo materiale venga presto utilizzato per ridurre il peso delle auto elettriche ed ibride.” Richt aggiunge che i dispositivi del settore aerospaziale sono molto più complessi rispetto a quelli degli autoveicoli, con una maggiore necessità di qualità e di lavorazione simultanea di compositi ed altri materiali, come il titanio.
“Sappiamo che le auto hanno una struttura più omogenea rispetto agli aerei, che, per esempio, riduce la necessità di realizzare migliaia di fori e di fresare aree di grandi dimensioni,” continua Richt. “Sull’altro fronte, esiste l’esigenza di essere pronti a creare altri fori e cavità. Cionondimeno, intravediamo altre esigenze nel settore automobilistico rispetto all’avanzato comparto aerospaziale.”
Esistono oggi utensili che possono venire usati nel settore automobilistico. Le punte CoroDrill di Sandvik Coromant, per esempio, hanno un riporto di diamante, che migliora la qualità dei fori e le prestazioni delle macchine utensili.
I materiali compositi sono già in uso nel mondo della Formula 1. La sfida è quella di trasferire la tecnica usata sui piccoli numeri nella produzione di serie di autovetture ad uso privato.
Come trasformare la carrozzeria di un’auto in una batteria
La soluzione di Volvo Cars al problema della maggiore leggerezza richiesta dalle auto elettriche è semplice: invece di installare pesanti batterie, la casa automobilistica spera di riuscire a trasformare in batteria l’intera carrozzeria del veicolo. La cosa farebbe risparmiare fino a 250 kg in termini di peso, e quando si tratta di produrre sul serio auto elettriche, allora ogni singolo chilogrammo diventa cruciale. Al centro di questa nuova tecnica c’è l’uso dei nuovi materiali compositi. Ecco come funziona questa soluzione:
