Motorsport Case Study. Lo sviluppo dei portamozzi di Epsilon

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1 Motorsport Case Study Lo sviluppo dei portamozzi di Epsilon La collaborazione tra Epsilon Euskadi e CRP Technology è cominciata alla fine del 2007 con l obiettivo di ottimizzare alcuni particolari di sicurezza cruciali della nuova Epsilon Euskadi ee1 per le Le Mans Series e la 24 Ore di Le Mans 2008: i portamozzi anteriori e posteriori in fusione di titanio con metodo Rapid Casting CRP. L importanza del progetto e dunque la responsabilità degli stessi partner che vi hanno preso parte, tra i quali CRP Technology, si può capire ripercorrendo la storia della progettazione della ee1, dai disegni al CAD fino al primo prototipo in fase finale di costruzione. Il progetto della ee1 è iniziato nel 2004, anno in cui fece l ingresso alla guida di Epsilon Euskadi (fino ad allora solo team della World Series di Renault) Joan Villadelprat con i suoi 30 anni di esperienza in F1. Nel 2005 è ufficialmente partito il progetto ee1, sotto la direzione tecnica di John Travis, in precedenza ingegnere alla Lola e poi alla Penske e in F1. Alla fine del 2007, il progetto è passato sotto la guida tecnica di Sergio Rinland, a sua volta con un pregresso in F1. Picture 1: Epsilon Euskadi ee1 LMP1 Team CRP Technology srl è una delle firme più note e rappresentative degli ambienti di punta del racing da oltre 30 anni. Ha avuto un ruolo importante nel successo di molte squadre dalla F1, al Moto GP, dal Rally Raid, all ALMS e al Campionato Mondiale di Rally. La maggior parte dei successi di questa azienda sono legati proprio alle collaborazioni che si creano con le varie squadre. CRP viene coinvolta sin dalle prime fasi del disegno e dello sviluppo, e il suo approccio innovativo nell uso di materiali e tecnologie inedite è ampiamente riconosciuto dall industria delle macchine da corsa. Un esempio tra tutti è la vincente partnership sviluppata nel 2006 e nel 2007 con Mitsubishi per il progetto Parigi-Dakar. La sinergia tra Epsilon Euskadi e CRP Technology ha trovato dunque piena realizzazione nello sviluppo di uno dei componenti chiave dell apparato sospensivo, nonché core business per CRP: i portamozzi in titanio. In particolare, vista la lunghissima esperienza di CRP nello studio e nella produzione dei suddetti particolari maturata in Formula 1 e in WRC (World Rally Championship), i tecnici specializzati interni all azienda sono stati dedicati all engineering dei portamozzi Epsilon in un'ottica di microfusione, o fusione a cera persa ad alta precisione, in lega di titanio, con modelli realizzati in Rapid Prototyping. Sergio Rinland conferma: CRP è una delle maggiori aziende con esperienza quando si parla di Fusioni in Titanio. Io ho iniziato a lavorare con la famiglia Cevolini da diversi anni. Loro hanno 1

2 competenze professionali e capiscono il mondo ed i bisogni del Motorsport come pochi altri fornitori sanno fare. Il portamozzo, infatti, è il componente critico e portante del cuore sospensivo: esso infatti è il collegamento tra il gruppo ruota (Pneumatico, cerchione, disco freno, Hub), da una parte, e il gruppo sospensione (wishbone inferiore e superiore, pushrod arm, steering arm o toe-in arm), dall'altra. Inoltre ad esso è connessa la pinza freno. La criticità del pezzo risiede proprio nel fatto che viene considerato una massa non sospesa che raccoglie una notevole quantità di sollecitazioni, da quelle dovute alla dinamica di marcia dell'automezzo, a quelle derivate dalle frenate e agli scostamenti delle sospensioni, generando continui trasferimenti di carico. Picture 2: Portamozzi montati sulla macchina. La criticità del pezzo risiede proprio nella notevole quantità di sollecitazioni cui è soggetto. Gli aspetti più critici si manifestano quando queste sollecitazioni si presentano insieme, per esempio una frenata al limite con le ruote completamente sterzate ed in corrispondenza di una forte asperità del manto stradale, come nel caso di un cordolo (bump). La sua prestazione, per quanto detto sopra, è notevole poiché se il portamozzo dovesse subire una rottura l'automezzo perderebbe l'utilizzo della ruota ad esso collegata. Dunque, come la maggior parte dei particolari del comparto racing, divengono ancor più cruciali aspetti come: - la necessita di rigidezza elevata (limitando il più possibile le deformazioni) - un peso quanto più contenuto possibile - massima affidabilità e qualità (quindi sicurezza). La scelta del titanio come materiale finale per i portamozzi Epsilon è dunque dovuta in virtù dell 'ottimo compromesso tra proprietà meccaniche del materiale e peso specifico della lega in confronto all'acciaio. Sergio Rinland afferma: Noi avremmo potuto scegliere di lavorare l Alluminio, l Acciaio o Aluminium, o MMC,ma abbiamo scelto il Titanio in quando rappresenta il miglio compromesso tra Costo-Resistenza-Peso-Forza. E ci aspettiamo certamente che questi portamozzi in Titanio possano durare l intera stagione e oltre, che significa dai 15,000 ai 20,000Km 2

3 Per quanto concerne poi la decisione strategica del metodo di realizzazione, fondamentale è stata l esperienza nel campo del Rapid Casting di CRP Technology. Generalmente i portamozzi vengono costruiti con due tecnologie combinate: alcune singole componenti sono lavorate dal pieno, poi queste vengono saldate tra di loro. I limiti di questo processo risiedono nella capacità di reagire alle sollecitazioni meccaniche. Con questo metodo i particolari sono generalmente ottenuti da semilavorati, i quali presentano un orientamento della struttura molecolare che lavora molto bene in un senso ma male negli altri (anisotropo). Il getto fusorio invece, essendo isotropo, non ha un verso della struttura privilegiato e reagisce in maniera simile, anche se un po' meno performante, comunque lo si solleciti. Quindi è più sicuro. Tra un ipotesi completamente ottenuta dal pieno ed una in fusione, con metodo Rapid Casting CRP, la scelta di realizzare parti meccaniche attraverso la fusione in Titanium Rapid Casting è in primis dovuta ad una maggiore flessibilità durante la fase di progettazione e alla possibilità offerta di ottenere un comportamento strutturale di maggior efficacia; in secondo luogo anche perchè più economica afferma Franco Cevolini, Presidente di CRP Technology. Picture 3: Epsilon Euskadi ee1 in pista Ma per realizzare un componente con questo metodo, il partner del team racing, in questo caso CRP, deve avere una approfondita conoscenza di svariati materiali e un eccellente padronanza dei diversi processi costruttivi impiegati in successione. Ovviamente si aggiunge l indispensabile sinergia con l ufficio tecnico di progetto del team e di conseguenza la conoscenza della funzione del particolare e quindi delle prestazioni richieste. Per questo il metodo benché sia estremamente efficace ed efficiente, è meno diffuso rispetto a processi più datati, meno performanti e spesso anche più costosi: il team necessita di un partner esperto che segua e porti a termine l intero processo, nella massima sicurezza e qualità. Non è più quindi un semplice fornitore a commessa e a disegno, ma molto di più. Al momento, nel mondo, pochi altri hanno potuto guadagnare l esperienza smisurata di CRP in questo metodo, che ha sviluppato per prima: 12 anni di esperienza in campo motoristico ai massimi livelli garantiscono al cliente la tranquillità impagabile di avere il meglio, nella massima sicurezza e senza troppi problemi. Oggi poi CRP rivela al mondo una delle ultime novità che l aiuteranno a sviluppare ulteriormente questo processo: Windform PS, il nuovissimo polistirene per i modelli a perdere. Brevemente, anticipiamo alcune caratteristiche di questo nuovo materiale, che viene descritto nel dettaglio nella sidebar annessa. 3

4 Windform PS è un nuovo polistirene ideale per produrre modelli a perdere complessi per fusioni a cera persa. Caratteristiche migliorate, se comparate con i polistireni già presenti sul mercato, e che fanno la differenza, sono: o o o Migliore qualità superficiale e di riproduzione dei dettagli Meno effetto curling nei primi strati Contenuto di cenere molto basso, quindi perfettamente idoneo per leghe altamente reattive, come le leghe di titanio, oltre ad alluminio, magnesio, acciaio e le leghe a base nichel. Picture 4: modello a perdere complesso per fusioni a cera persa realizzato in Windform PS Di seguito i passaggi del metodo CRP e la descrizione dettagliata delle varie fasi, da cui si deduce la necessità di conoscenza perfetta di materie plastiche e leghe di metallo, per realizzare i modelli a perdere e i particolari finiti, processi di Rapid Prototyping, Reverse Engineeering per controlli di qualità di fase, engineering e calcolo FEM, processi fusori, lavorazioni CNC, controlli non distruttivi di fase e finali, controlli dimensionali CMM e molto altro ancora, per garantire la totale e completa tracciabilità del particolare, dalla certificazione della lega metallica impiegata al certificato di collaudo finale, prima dell assemblaggio in vettura. Engineering and manufacturing process Sergio ricorda: Il progetto dei portamozzi con CRP è partito subito con rapidità nell Ottobre Il loro input fu importante dal momento che loro capirono che non solo c era bisogno di adattare i disegni e le geometrie in Casting Design ma che erano anche necessari analisi FEM per migliorare la rigidità del componente, il peso e la forza di conseguenza. Franco conferma: Epsilon Euskadi ci ha consegnato un primo studio caratterizzato da un disegno ben fatto, semplice e lineare. 4

5 Con questa premessa, il nostro reparto CAD congiuntamente a quello R&D ha avuto la possibilità di lavorare in sinergia con il cliente senza particolari problemi, così da ottimizzare le prestazioni meccaniche e i vari aspetti inerenti alla produzione, sia per il casting che per le successive lavorazioni meccaniche. Sui file consegnati dal cliente sono state perciò apportate alcune modifiche di engineering volte ad ottimizzare il disegno per il processo fusorio ed a migliorarne le performance finali, in termini di rigidezza, affidabilità e peso. Portamozzi anteriori Picture A1: CRP front Upright Picture A2: Epsilon front Upright Con riferimento alle immagini (A) sopra riportate, si possono vedere alcune delle prime modifiche apportate al disegno cad del portamozzo anteriore Epsilon. L immagine A1 mostra la vista 3D del portamozzo anteriore realizzata dall ufficio CAD di CRP. Una prima modifica concerne la presenza, nella sezione superiore, di un anello di irrigidimento che nella versione originale fornitaci dagli ingegneri della Epsilon non era presente. La scelta da parte del nostro staff di introdurre questo anello è data da due ragioni: in primis esso concorre ad irrigidire la zona dello spallamento ed in secondo luogo garantisce un maggior margine di intervento nelle lavorazioni di tornitura. Nella sezione inferiore si può inoltre osservare come si è intervenuti per diminuire un baricentro termico, cercando degli spessori più uniformi ed aumentando le curvature. Picture B1: CRP front Upright Picture B2: Epsilon front Upright 5

6 Dal raffronto delle due immagini B1 e B2, è visibile una significativa modifica: l'aggiunta nel disegno di CRP di nerve che legano i due spallamenti. L'intento è quello di irrigidire la zona dello spool. Picture C1: CRP front Upright Picture C2: Epsilon front Upright Un ulteriore esempio di modifica apportata: nella sezione sopra illustrata, si può notare la presenza di un anello di irrigidimento più marcato (Picture C1), che nella versione originale (Picture C2) non era presente, o meglio non era così evidenziato. Oltre che a concorrere ad irrigidire le zone dello spallamento, garantisce un maggior margine di intervento nelle lavorazioni di tornitura. Portamozzi posteriori Altrettante modifiche significative ed efficaci ai fini del progetto hanno riguardato i portamozzi posteriori Epsilon. Picture D1: CRP rear Upright Picture D2: Epsilon rear Upright Dal raffronto delle due immagini D1 e D2, come per i portamozzi anteriori, è possibile notare l'aggiunta di nerve che legano i due spallamenti nel file sviluppato da CRP. L'intento è quello di irrigidire la zona dello spool. 6

7 Picture E1: CRP rear Upright Picture E2: Epsilon rear Upright Anche nella sezione illustrata nell immagine E1, si può notare la presenza dell'anello di irrigidimento che nella versione originale Epsilon (Picture E2) non era presente. Oltre che concorrere ad irrigidire la zone dello spallamento, garantisce un maggior margine di intervento nelle lavorazioni di tornitura. Picture F1: CRP rear Upright Picture F2: Epsilon rear Upright Le immagini F1 e F2 mettono ben in risalto il lavoro che si è compiuto per diminuire la considerevole massa iniziale sottostante l'attacco superiore. Masse così corpose (Picture F2) a dispetto degli spessori adiacenti, in fase di ritiro (solidificando lentamente) concorrono a generare delle tensioni che compromettono la qualità del getto: crepe, porosità, deformazioni. Per questa ragione si è scelto di intervenire sulla massa riducendone fin dove possibile il volume. 7

8 Picture G1: CRP rear Upright Picture G2: Epsilon rear Upright In questa sezione, si può osservare come si è intervenuti per diminuire un baricentro termico, cercando degli spessori più uniformi ed aumentando le curvature (Picture G1/G2) Picture H1: CRP rear Upright Picture H2: Epsilon rear Upright In questa ultima vista si può notare ancora una volta la presenza dell'anello di irrigidimento che nella versione originale Epsilon (Picture H2) non era presente. Terminato questo dettagliato processo di modifica abbiamo chiesto che il cliente verificasse che le nostre richieste non si scontrassero con le sue esigenze di progetto. Con la convalida degli ingegneri Epsilon, ci siamo mossi parallelamente per avere un'idea del comportamento del pezzo sollecitato in condizioni d'uso. Epsilon ha sottoposto il modello matematico ad analisi FEM andando così da individuare le zone dove restava un margine di intervento. 8

9 Picture 5: Analisi FEM Posteriore Picture 6: Analisi FEM Anteriore Il test si è effettuato su avanzate workstations al fine di vagliare la risposta alle notevoli e svariate sollecitazioni simulando il tracciato reale. In piena sinergia con il feedback degli ingegneri Epsilon, abbiamo dunque perfezionato il disegno 3D per meglio distribuire le tensioni e sgravare i punti maggiormente sollecitati. Dopo un'ultima sessione FEM a garanzia dell'esattezza delle ultime modifiche, CRP ha iniziato il ciclo produttivo secondo la sua prassi: il reparto RP ha generato i modelli a perdere, sui quali è stato effettuato il relativo controllo dimensionale con laser 3D. I modelli sono poi stati inviati alla fonderia per procedere con l investement casting. I grezzi sono in seguito stati sottoposti a trattamento di H.I.P. (Hot Isostatic Pressing), trattamenti termici, controllo dimensionale e setup per le lavorazioni meccaniche con scansione laser 3D. Gli stessi sono poi stati lavorati a CNC. 9

10 Picture 7: Portamozzi Epsilon Euskadi in Titanio Fuso Nella Sidebar il processo di Rapid Casting nel dettaglio e la descrizione del nuovissimo Windform PS. Picture 8: Modello a Perdere del portamozzo realizzato in Windform PS e relativo Portamozzo in Titanio Nel dipartimento di meccanica di precisione dell azienda, il reparto CNC (Continuos Numerical Control) ha ultimato i particolari con collaudi NDT (Non Destructive Test). L opportunità di poter decidere tra scelte realizzative diverse all interno di una stessa realtà aziendale è fondamentale per garantire il miglior risultato possibile. La flessibilità di un organico altamente selezionato e motivato assicura, inoltre, affidabilità e rispetto delle tempistiche totali continua l Ing. Cevolini. Sidebar - Rapid Casting and new Windform PS 10

11 Il dipartimento R&D di CRP è coinvolto nella tecnologia del Rapid Casting fin dal Nel 1998 CRP ha cominciato la sua collaborazione con il Team Minardi F1, allo scopo di ottimizzare la progettazione e lo sviluppo del processo di fabbricazione dei portamozzi anteriori e posteriori, partendo dallo studio del processo di Rapid Casting del titanio. Il Rapid Casting è basato sulla combinazione della tecnologia della Prototipazione Rapida, per fabbricare il modello a perdere, e la tecnologia di Investment Casting (lost wax casting). CRP ha deciso di continuare a migliorare il processo di Rapid Casting perchè conoscono le necessità dei loro clienti: a 300kmh la qualità non è un optional ma significa non mettere a repentaglio la propria vita. La struttura del getto di precisione è formata da un aggregato di grani o cristalliti poliedriche che, mentre nelle piastre e barre da lavorazione sono anisotrope, in una fusione danno isotropia per compensazione: è chiaro che l isotropia ha grandi vantaggi, per esempio, i calcoli FEM risultano essere molto vicini al reale comportamento del pezzo, grazie all isotropia del pezzo. Inoltre, il Rapid Casting con modelli a perdere prodotti con tecniche RP permette una maggiore libertà di forma e permette di ridurre alcuni problemi durante la fase di lavorazione meccanica. E quindi possibile creare il prodotto lungo le sue direttrici di sollecitazione meccanica, ed ottenere una riproduzione perfetta di tutti i dettagli del modello RP, con tolleranze e superficie simile a quelle dei pezzi lavorati completamente dal pieno. CRP, perciò, decise di sviluppare nuovi materiali per la creazione di modelli a perdere anche per materiali altamente reattivi come il titanio, e iniziò la collaborazione con la DTM Corp. Il dipartimento R&D di CRP Technology, accrescendo la propria conoscenza ed esperienza nel Rapid Prototyping, nel Casting, e nella lavorazione da pieno, divenne un esperto nel processo del Rapid Casting. Questo impegno ha portato CRP ad essere riconosciuta come leader indiscusso nell uso del Rapid Casting per applicazioni del Motorsport nel mondo. Questi sforzi hanno aperto una breccia in questo campo, il nuovo Windform PS. Windform PS è un nuovo polistirene, ideale per produrre modelli a perdere complessi per fusioni a cera persa. I modelli sinterizzati sono sufficientemente porosi per permettere una infiltrazione con cera basso-fondente che li rende di facile manipolazione, permettendo anche una eccellente finitura. I modelli in Windform PS si adattano perfettamente alla procedura tipica di Rapid Casting, incluse le fasi di de-waxing in autoclave e con flash firing, e i forni a bassa temperatura con forme in gesso sotto vuoto. Le caratteristiche migliorate, se comparate con i polistireni già presenti sul mercato, e che fanno la differenza, sono: Migliore qualità superficiale e di riproduzione dei dettagli Meno effetto curling nei primi strati Contenuto di cenere molto basso, quindi perfettamente idoneo per leghe altamente reattive, come le leghe di titanio, oltre ad alluminio, magnesio, acciaio e le leghe a base nichel. La prassi operativa del Rapid Casting si compone di alcuni step: 11

12 il modello a perdere è realizzato attraverso tecniche RP e utilizzando un materiale polistirene; il modello è sottoposto ad infiltrazioni con cera (immersione e capillarità) per renderlo meno fragile e per aumentare la sua evacuabilità; il modello è rivestito da successivi bagni di ceramica; immersioni in bagni di leganti, aspersioni con materiale refrattario, e successiva essiccazione; evacuazione del modello a perdere;deceramento con flash firing o in autoclave e cottura del guscio ceramico; fusione della lega con induttore o ad arco voltaico; colata, raffreddamento, riduzione del guscio, pallinatura, taglio primario dell alimentazione, trattamenti termici. Il Ti-6Al-4V è la lega più utilizzata nel mercato del motorsport e dell aerospaziale e quella sfruttata da CRP in particolare Essa contiene il 6% di alluminio e il 4% di vanadio ed è un eccellente combinazione di resistenza agli sforzi e tenacità, con ottima resistenza alla corrosione. Tra gli aspetti positivi del titanio (Ti6Al4V): Leggerezza (densità 4,43g/cm3) Elevato carico di rottura specifico (225,73 MPa/(g/cm3) per unità di densità) (carico di rottura 1000 Mpa) Biocompatibilità Bassa conducibilità termica ed elettrica Resistenza alla corrosione e alla tensocorrosione In caso di Titanium Rapid Casting, sui getti così prodotti vengono eseguiti trattamenti termici che comportano diversi vantaggi: Riduzione degli stress residui Duttilità Lavorabilità Stabilità dimensionale e strutturale Alle fusioni in lega di Titanio, data la loro grande difficoltà intrinseca, dovuta all alta reattività del Titanio, si applicano, in aggiunta, i seguenti trattamenti: Fresatura chimica: per rimuovere l alpha case (microstruttura particolare delle leghe di titanio) che si genera quando il metallo si trova a contatto con la forma ceramica HIP (Hot Isostatic Pressure), in atmosfera inerte (argon) per eliminare le porosità e le micro-porosità dall interno del materiale Weld repair: saldatura TIG in atmosfera inerte per rimuovere le porosità o gli avallamenti dovuti all HIP, controllata da ispezioni continue ai raggi X. Pallinatura controllata per ridurre lo stress ed aumentare la resistenza alla fatica. Questa tecnologia è stata subito molto apprezzata dai clienti, proprio in virtù dei vantaggi significativi che ha introdotto: il Rapid Casting fornisce, infatti, durata e affidabilità (una fusione è naturalmente isotropica per compensazione), meno limitazioni nel disegno e possibilità di alleggerire il pezzo, con tasche, o renderlo più rigido, aggiungendo nervature, durante la stagione agonistica. 12