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Componenti strutturali per telai automobilistici

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Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Componenti strutturali per telai
automobilistici: problematiche
metallurgiche di assemblaggio e finitura
Andrea Panvini, Giovanna Cornacchia, Michela Faccoli
DIMI
Dipartimento Ingegneria Meccanica e Industriale
Università degli studi di Brescia
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
L’ALLUMINIO NEI TRASPORTI
Caratteristiche come la
riduzione di peso e la
resistenza alla
corrosione dell’alluminio
hanno sempre raccolto
grande interesse.
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
L’ALLUMINIO NEI TRASPORTI
Caratteristiche come la
riduzione di peso e la
resistenza alla
corrosione dell’alluminio
hanno sempre raccolto
grande interesse.
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
QUALI SONO I DRIVER DI SVILUPPO DEL
SETTORE AUTOMOTIVE?
•Costi di produzione
•Consumi energetici
•Emissioni nocive (polveri e nocivi)
•Emissione di CO2
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Tutto ciò si traduce in…
Ridurre le masse in movimento
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Quanto «paga» alleggerire un’auto?
Accelerazione, handling
Sicurezza, frenata
Riduzione delle sollecitazioni
Riduzione di peso: 100Kg
 Risparmio di 0,3-0,5 l/100 Km
Riduzione di peso: 100Kg
 Minore emissione di CO2: 8-11 g/Km
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Ridurre le masse in movimento
(Predicare bene e razzolare male…)
Brescia, 16 Ottobre 2014
Ridurre le masse in movimento
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
 Impiego di Leghe leggere
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Impiego strutturale delle leghe leggere
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Impiego strutturale delle leghe leggere
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Il telaio di un’autovettura
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Il telaio di un’autovettura
Getti in Alluminio
Profilati estrusi in Alluminio
Lamiere in Alluminio
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Evoluzione del telaio
ESTRUSI
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Evoluzione del telaio
LAMIERE
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Evoluzione del telaio
GETTI
Hpdc-Lpdc
conchiglia-sabbia
Brescia, 16 Ottobre 2014
Cortesia AUDI AG
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Cosa succede ad un componente in lega di
alluminio durante la sua vita?
Come si dimensiona?
Sollecitazioni:
• meccaniche: statiche, dinamiche, cicliche
• termiche in esercizio: temperatura di lavoro
Progettazione e dimensionamento del componente
• Proprietà meccaniche riportate da normativa.
• In funzione delle proprietà in temperatura.
• Affidandosi a coefficienti di sicurezza abbondanti.
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Trattamenti termici differenziati in
funzione delle caratteristiche richieste:
Massimizzare l’assorbimento di energia in caso di urto:
elevato allungamento
Massimizzare le caratteristiche tensili: elevati carichi di
snervamento e rottura
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
QUELLO CHE SI TENDE A TRASCURARE
(o che spesso si ignora…)
Storia termica che subirà il componente durante la sua vita:
Vita del componente
• Transitori termici:
• Permanenze in temperatura:
 Assemblaggio e finitura
• Saldatura:
• Incollaggio:
• Verniciatura:
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
ANDANDO A FONDO SULL’ARGOMENTO…
Durante l’assemblaggio del telaio e la produzione della vettura,
tali componenti sono sottoposti a:
INCOLLAGGIO STRUTTURALE: utilizzando adesivi che
necessitano di essere portati a temperature elevate ben
definite e per tempi stabiliti al fine di polimerizzare
correttamente.
VERNICIATURA: 4 stadi di verniciatura (foresi, fondo,
PVC, smalto) ognuno dei quali deve passare una fase di
cottura per tempi e temperature ben precise.
SALDATURA: tecniche di saldatura ad elevato apporto
energetico: accumulo e dissipazione localizzata di
calore.
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
PROBLEMA N°1
LA FINITURA:
Cosa succede alle proprietà meccaniche dei materiali
durante le fasi di assemblaggio e finitura?
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Monitoraggio del passaggio nei forni di
verniciatura con sistema di acquisizione
multicanale.
Esempio
di
tracciato
tempo/temperatura nel forno
industriale.
Schematizzazione del processo
INCOLLAGGIO
VERNICIATURA
Brescia, 16 Ottobre 2014
Forno di cataforesi
Forno deposizione fondo
Forno deposizione PVC
Forno deposizione smalto
Temperatura [°C]
Tempo [min.]
180
180
190
130
150
30
40
45
15
50
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
MATERIALI
Campioni ottenuti tramite colata in conchiglia
di una lega di alluminio B356
Elemento Alluminio Silicio Magnesio Rame Ferro Manganese Titanio Zinco Rem
% in
peso
91.9-93.2 6.5-7.5
0.3-0.45
0.03
0.06
0.03
0.04-0.2 0.03
Prove di durezza:
Campioni piani (da dissezione di getti) t=2,4-6mm
Campioni piani colati a parte, t=3mm
Prove di trazione:
Campioni cilindrici colati a parte, d=10mm
Campioni piani colati a parte, t=3mm
Brescia, 16 Ottobre 2014
0.1
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
TRATTAMENTO TERMICO
Tempra di solubilizzazione seguita da
invecchiamento condotto variando i parametri
di tempo e temperatura in modo tale da
ottenere diversi bilanciamenti di resistenza
meccanica e duttilità
TRATTAMENTO TERMICO T6
SOLUBILIZZAZIONE
ALTO
ALLUNGAMENTO
MEDIO
ALLUNGAMENTO
BASSO
ALLUNGAMENTO
TEMPRA
t
T mezzo
raffreddament
raffreddamento
o
[°C]
[s]
T
[°C]
t
[min]
T
[°C]
t
[min]
540±5
360
Acqua 26-60
<17
150±5
150
540±5
360
Acqua 26-60
<17
155±5
200
540±5
360
Acqua 26-60
<17
165±5
250
* Trattamenti eseguiti secondo best practice industriali
Brescia, 16 Ottobre 2014
INVECCHIAMENTO
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
TRATTAMENTO TERMICO
Tempra di solubilizzazione seguita da
invecchiamento condotto variando i parametri
di tempo e temperatura in modo tale da
ottenere diversi bilanciamenti di resistenza
meccanica e duttilità
TRATTAMENTO TERMICO T6
Target Caratteristiche meccaniche*
Rp0,2
[N/mm2]
Rm
[N/mm2]
A
[%]
HB
ALTO
ALLUNGAMENTO
MEDIO
ALLUNGAMENTO
≥135
≥200
≥10
72-78
≥150
≥210
≥9
84-90
BASSO
ALLUNGAMENTO
≥200
≥260
≥5
92-98
* Su provette piatte di dissezione
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
SIMULAZIONE DI FINITURA: DUREZZA
• Durezza crescente per tutti i livelli di allungamento analizzati
• Variazione crescente all’aumentare del livello di allungamento
• Annullamento della differenziazione tra allungamenti
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
SIMULAZIONE DI FINITURA:
Evoluzione delle proprietà durante la finitura
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
FINITURA REALE:
Evoluzione delle proprietà durante la finitura
• Campioni di trazione piatti, t=3mm
• T6 Alto Allungamento
• Ciclo reale di finitura
• Diverse posizioni nel corpo vettura (pos 1-4 altezza
crescente)
T6
Posizione 1
Posizione 2
Posizione 3
Posizione 4
Verniciatura
simulata
media
±
media
±
media
±
media
±
media
±
media
±
sp02[MPa]
140
3
184
3
187
13
201
9
228
9
235
6
sR [MPa]
241
6
249
14
257
7
266
9
268
13
300
8
A (%)
10.25
1.59
6.29
2.69
6.85
1.79
6.12
1.14
3.14
1.17
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
FINITURA REALE:
Evoluzione delle proprietà durante la finitura
• Campioni di trazione piatti, t=3mm
• T6 Alto Allungamento
• Ciclo reale di finitura
• Diverse posizioni nel corpo vettura (pos 1-4 altezza
crescente)
T6
Posizione 1
Posizione 2
Posizione 3
Posizione 4
Verniciatura
simulata
media
±
media
±
media
±
media
±
media
±
media
±
sp02[MPa]
140
3
184
3
187
13
201
9
228
9
235
6
sR [MPa]
241
6
249
14
257
7
266
9
268
13
300
8
A (%)
10.25
1.59
6.29
2.69
6.85
1.79
6.12
1.14
3.14
1.17
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
FINITURA REALE:
Evoluzione delle proprietà durante la finitura
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
FINITURA REALE:
Evoluzione delle proprietà durante la finitura
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
PROBLEMA N°2
LA SALDATURA:
• Giunzione di leghe con proprietà chimico fisiche molto
differenti (Estrusi+Getti+Lamiere)
• Riempimento di GAP considerevoli e variabili (0-4mm)
• Necessità di penetrazioni elevate del cordone
• Spessori sottili a bassa inerzia termica
NECESSITA’ DI RIDURRE IL PIU’ POSSIBILE
L’ALTERAZIONE TERMICA DEI MATERIALI DI BASE
NUOVE TECNOLOGIE
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Determinazione dell’estensione della ZTA
•Geometria semplice, saldatura di testa con gap zero.
•Tre tipologie di accoppiamenti tra materiali
•Tre tipologie di tecnologie
Fuso-Fuso
Fuso-Estruso
Brescia, 16 Ottobre 2014
Estruso-Estruso
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
CMT: Cold Metal Transfer
Distacco della goccia controllato
dalla retroattività meccanica
dell’elettrodo mentre la corrente
è quasi nulla
Conseguente
riduzione di apporto
termico
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Il LASER in fibra
ASPETTI INNOVATIVI:
• semplificato un sistema molto
complesso e massimizzato il
rendimento
• utilizzo della testa Wobbling
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Caratterizzazione metallografica
MIG
CMT
LASER
F-F
E-F
E-E
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
Mappatura delle caratteristiche meccaniche
mediante misurazione della durezza
Laser
•
Laser
e
CMT
forniscono
minor
apporto termico
•
Componente
realizzato per fusione
soggetto a
crollo
delle proprietà
CMT
MIG
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
CONCLUSIONI:
I processi di finitura cui vengono attualmente sottoposti i
telai sono in grado di alterare sensibilmente le proprietà
meccaniche dei componenti assemblati.
I processi di assemblaggio tradizionali (Saldatura MIG)
possono alterare significativamente le proprietà meccaniche
dei componenti.
Brescia, 16 Ottobre 2014
Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale
FOLLOW-UP:
Si rende quindi necessario:
In fase di finitura: mettere a punto cicli differenti low-temp
A livello metallurgico: sviluppare leghe più stabili
In fase di trattamento termico:
• Sviluppare trattamenti più stabili nelle temperature di
interesse
• Sviluppare processi «integrati» di trattamento termico
A livello di metodi di giunzione: sviluppare adesivi a
bassa temperatura di reticolazione e metodi di saldatura a
basso apporto energetico.
Brescia, 16 Ottobre 2014
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