Dott. Ing. Andrea Bianchi Acciaieria ISP di Cremona Gruppo ARVEDI L ACCIAIO PER L AUTOMOBILE

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1 Corso Steelmaster 2003 Dott. Ing. Andrea Bianchi Acciaieria ISP di Cremona Gruppo ARVEDI Arvedi Acciaieria ISP di Cremona L ACCIAIO PER L AUTOMOBILE Relatore: Dott. Ing. Ettore Anelli CSM Roma Correlatore: Dott. Ing. Giorgio Porcu CSM - Roma

2 SOMMARIO 1. Introduzione L auto come industria trainante Il mercato negli USA Il mercato Europeo L acciaio come materiale automobilistico L acciaio contro l alluminio: aspetti basilari e differenze L acciaio contro l alluminio: confronto dei costi Ottimizzazione del progetto del veicolo con l acciaio Tendenze dell industria automobilistica UltraLight Steel Auto Body (ULSAB) UltraLight Steel Auto Closures (ULSAC) UltraLight Steel Auto Suspensions (ULSAS) ULSAB AVC (Advance Vehicle Concepts) Light Truck Structure (LTS) IMPACT Famiglie di acciai specifiche per l automobile Acciai da stampaggio DQ (Drawing Quality), DDQ (Deep DQ) e UDDQ (Ultra DDQ) Acciai HSS convenzionali (secondo ULSAB-AVC) Bake Hardening LC Low Carbon e ULC Ultra LC Rifosforati LC Low Carbon e HSIF High Strength Interstitial Free High Strength Low Alloyed (HSLA) IS Isotropic Acciai AHSS Advanced HSS (secondo ULSAB-AVC) Modalità di produzione degli acciai AHSS Principi Generali nella scelta degli acciai AHSS -Advanced High Strength Steels Dual Phase (DP) Complex Phase (CP) Transformation Induced Plasticity (TRIP)... 43

3 Martensitici (MART) Acciai inossidabili austenitici Twinning Induced Plasticity (TWIP) Il processo ISP ed ECR per gli acciai per l automobile I rivestimenti anticorrosivi Le lavorazioni L integrazione per linee verticali dell industria siderurgica Conclusioni Riferimenti bibliografici... 64

4 1. Introduzione Durante gli ultimi 70 anni, l'acciaio ha mantenuto la sua posizione preminente di materiale per l'automobile in quanto dotato di proprietà meccaniche che assicurano un ottima resistenza al crash, alta formabilità e saldabilità, caratteristiche essenziali per una progettazione ottimale delle carrozzerie. Per questa tipologia costruttiva, il settore dei prodotti siderurgici più significativo è sempre stato quello dei laminati piani. In questo documento, per prima cosa si analizzeranno alcuni aspetti storici del legame trainante tra l industria automobilistica e quella siderurgica e saranno dati alcuni cenni sui due più importanti mercati in cui tale rapporto si esplica: gli Stati Uniti e l Europa. Successivamente, si passerà ad analizzare più dettagliatamente le caratteristiche dell acciaio come materiale da costruzione d interesse per l industria automobilistica e si effettuerà un confronto diretto tra l acciaio ed un materiale concorrente come l alluminio. Negli ultimi 10 anni è stato fatto un grande sforzo per rilanciare l acciaio come materiale principe per l auto, venendo incontro alle mutate esigenze. Notevoli investimenti e un approccio creativo, nonché l alleanza tra l industria siderurgica e quella automobilistica hanno portato a criteri innovativi di progettazione ottimizzata delle carrozzerie d automobile in acciaio, a nuovi materiali, a nuove tecnologie di processo. Un esempio è dato dall iniziativa UltraLight Steel Auto Body (ULSAB), che sarà discussa insieme con altre. Saranno analizzate nel dettaglio le caratteristiche delle principali famiglie di acciai d interesse applicativo per l auto, le loro modalità di produzione e le loro prestazioni tecnologiche valutate con prove specialistiche. In particolare, l ultimo progetto denominato ULSAB-AVC (Advance Vehicle Concept), terminato nel 2002 ha posto l enfasi sugli acciai altoresistenziali più avanzati (AHSS- Advanced High Strength Steels) che offrono oltre ad elevati livelli di resistenza meccanica anche interessanti combinazioni di duttilità e deformabilità a freddo, nonché di capacità di incrudimento. 1

5 Partendo dall analisi dei risultati attuali, tra cui la produzione di laminati a caldo sottili e lo sviluppo di acciai Dual Phase, si valuterà la possibilità per il processo ARVEDI ISP (In-line Strip Production) che si realizza tra gli altri nel Mini-mill di Cremona ed il suo sviluppo ISP-ECR (Endless Casting Rolling) di proporsi come una tra le soluzione più promettenti per la produzione a basso costo di laminati piani in acciaio per l auto. Le finiture superficiali ed i processi innovativi di lavorazione dell acciaio costituiscono altri due importanti capitoli del rapporto tra l acciaio e l automobile. Una forte integrazione verticale con i processi a valle è una tendenza sempre più evidente nel rapporto tra l industria siderurgica ed automobilistica: i produttori siderurgici tendono sempre di più ad avvicinare i loro prodotti/servizi alle linee di montaggio, anche con lo scopo di recuperare competitività. Il progetto ISP-ECR si inserisce in questa prospettiva. 2. L auto come industria trainante Il potente connubio tra l industria dell automobile e l industria siderurgica nasce negli Stati Uniti d America tra le due guerre mondiali con la motorizzazione di massa. I prodotti piani sottili laminati a freddo (lamiere, coils, ecc.) erano molto adatti allo stampaggio profondo e quindi molto richiesti dall industria automobilistica. Risale agli anni Trenta l introduzione delle prime carrozzerie per auto interamente metalliche ottenute per stampaggio (General Motors 1935). 1 Il treno di laminazione a caldo di nastri larghi per la produzione di coils da cui si ricavano i laminati a freddo è stata un importante innovazione tecnologica che ha avuto uno sviluppo enorme negli Stati Uniti proprio nel periodo fra le due guerre. I primi treni continui per nastri sono introdotti ad Ashland nel Kentucky nel 1923 e all Armco nel La motorizzazione di massa in Europa verrà soltanto dopo la 2 a guerra mondiale. Da allora, l automobile è divenuta un elemento ancora più decisivo 2

6 per l industria siderurgica, cioè da quando si è ridotta l importanza strategicomilitare per questo tipo di industria. Dal 1990, il contenuto medio di acciaio nei veicoli leggeri (autocarri e auto per passeggeri) è rimasto essenzialmente costante, pari a circa 55% 2. Negli ultimi decenni non sono mancate le sfide: il contenuto di acciaio è diminuito del 5 % dal 1978 al 1985, quando i veicoli sono stati drasticamente ridimensionati in risposta alla crisi energetica degli anni 70. Inoltre, le sempre più stringenti richieste in termini di sicurezza, riduzione dei pesi e dei consumi, esigenze estetiche e produttive, aumento delle prestazioni hanno favorito l introduzione di altri materiali in competizione con l acciaio. Non può essere sfuggito a nessuno come le vetture sportive di Formula 1 non siano ormai più costruite in acciaio, mentre vetture ad alte prestazioni come l AUDI A8 o la NSX ACURA abbiano il telaio in alluminio. 3 L'industria automobilistica rimane comunque un mercato chiave per i prodotti in acciaio Il mercato negli USA Con riferimento ai prodotti piani in acciaio, negli Stati Uniti 2 : - Circa il 16 % delle spedizioni sono dirette all'industria automobilistica (tonnellate supplementari sono fornite indirettamente attraverso i centri di servizio) - Le spedizioni dirette erano 16,77 milioni di tonnellate e 16,06 milioni di tonnellate nel 1999 e nel 2000, rispettivamente. Con oltre 16 milioni di tonnellate all'anno di acciaio fornite al mercato automobilistico in America del Nord, l industria siderurgica rimane una delle basi di fornitura più critiche per i quasi 18 milioni di veicoli prodotti all'anno per le Americhe. In ogni modo, gli Stati Uniti non sono autosufficienti per quanto riguarda alcune famiglie di acciai per impiego in campo automobilistico, in particolare per gli acciai Dual Phase, tanto che ci sono state pressioni sul governo degli Stati Uniti per escluderli dalle recenti barriere doganali (Section 201). 4 3

7 2.2. Il mercato Europeo La produzione di veicoli a motore nel 2002 in Europa Occidentale è stata di 16,9 milioni di unità di cui 14,8 milioni erano auto per passeggeri (Fonte ACEA 5 i cui membri sono BMW, DAF, Daymler Crysler, Fiat, Ford Europa, GM Europa, MAN, Porsche, PSA, Renault, Scania, Volkswagen, Volvo) Consumo di acciaio apparente in Europa: 135 Mt/a Uso finale dell acciaio nell industria automobilistica 6 : +-25% (33,8 Mt/a) Nel settore auto, un terzo delle automobili prodotte in Europa ha la carrozzeria made in Arcelor. 7, ma altri produttori fortemente impegnati nel settore sono i gruppi Thyssen-Krupp e Salzgitter. Le previsioni per il futuro prossimo dicono 8 che l'introduzione di nuovi modelli dovrebbe spingere la produzione nei prossimi quadrimestri. Le esportazioni dalla UE verso terzi sono forti, ma i produttori potrebbero dovere affrontare una pressione supplementare se il dollaro continua a declinare. Nonostante i bassi livelli di investimento, la produzione di veicoli industriali è stata alta e la prospettiva sia per il 2003 sia per il 2004 è ragionevolmente positiva. Figura 1. Figura 1: indice di attività UE per i veicoli a motore 3. L acciaio come materiale automobilistico Molti sono i vantaggi dell acciaio come materiale da impiegare in campo automobilistico 2 : + Capacità di aumentare la sicurezza 4

8 La resistenza meccanica degli acciai combinata con progettazioni ottimizzate può condurre a: - Riduzione del danneggiamento delle strutture anteriori e posteriori dovute ad urti ( crash ) a bassa velocità e minimizzazione dell ammaccatura dei pannelli esposti della carrozzeria. - Efficace gestione dell energia di crash, con maggiore sicurezza degli occupanti negli arresti ad alta velocità 9. Figura 2 Figura 2: Veicolo Dodge Intrepid (SX) contro veicolo ULSAB (DX) + Sostenibilità dell acciaio La produzione d'acciaio nei moderni impianti a grande capacità, accoppiata con livelli di qualità altamente riproducibili lo rendono economico e largamente disponibile. + Alta resistenza meccanica dell acciaio La versatilità metallurgica dell acciaio permette di realizzare numerose combinazioni di resistenza meccanica e duttilità che possono essere sfruttate per arrivare nelle progettazioni dei veicoli ad una sensibile ed economica riduzione di peso. + Prevedibilità dell acciaio I laminati piani sottili in acciaio sono prodotti con processi altamente riproducibili, mirando a raggiungere proprietà comprese in un ristretto intervallo di variabilità, secondo esigenti specifiche automobilistiche, per cui i progettisti di automobili possono fare affidamento su materiali con proprietà ben definite e praticamente costanti. 5

9 + Produttività L eccellente duttilità ed il controllo della composizione degli acciai automobilistici sono ideali per gli alti ritmi di produzione e di montaggio di tecnologie come lo stampaggio e la saldatura usati nell'industria automobilistica. + Compatibilità ambientale dell acciaio Esiste un'infrastruttura efficiente di recupero e di riciclaggio del rottame che risulta in: Completa riciclabilità (nessun declassamento o applicazione alternativa è richiesta per l'acciaio riciclato) Alto tasso di riciclaggio dell acciaio presente nelle automobili, di poco superiore al 95 %. Ulteriormente, i bassi costi energetici durante il ciclo di vita per le parti automobilistiche in acciaio rendono l acciaio un basso utente di energia rispetto ad altri materiali. Esiste però la competizione con altri materiali ad es. l alluminio 3 : l'industria della lavorazione dell'alluminio, capitalizzando sugli obiettivi di riduzione di peso dei produttori, ha posto temporanei ostacoli all acciaio facendo proprie alcune applicazioni nelle chiusure delle carrozzerie, normalmente prodotte con acciai tradizionali L acciaio contro l alluminio: aspetti basilari e differenze Modulo elastico: l acciaio presenta un valore del modulo elastico pari a 210 GPa, ossia tre volte quello dell'alluminio (70 GPa). In relazione alle prestazioni in stampaggio, l'alluminio possederà un ritorno elastico ( springback ) più alto di quello degli acciai dolci. Anche confrontato con gli acciai ad elevata resistenza, a pari livello di resistenza meccanica, l alluminio avrà uno springback più alto. Vantaggio: per l acciaio Densità: l'alluminio ha all incirca 1/3 della densità dell acciaio, 2,72 kg/dm 3 contro 7,85 kg/dm 3 dell'acciaio. 6

10 Criterio Relazione di Rigidità Note L acciaio con un valore di rigidezza specifica di 26,75 contro i 25,64 Rigidezza dell alluminio ha un leggero vantaggio per specifica di strutture come front crash rails, b-pillars, sezioni cave ecc., o virtualmente qualunque sezione cava. Questa relazione è di pertinenza di superfici come il cofano ed altre applicazioni esterne. Rigidezza L alluminio avrebbe un vantaggio se specifica alla fossero considerate solo le proprietà piega per elastiche. Quando si considerano gli effetti sezioni piane dinamici del materiale, l acciaio spesso mostra un vantaggio. Vantaggio: dipende dalla applicazione Tabella 1 Sensibilità alla velocità di deformazione: L'acciaio è sensibile alla velocità di deformazione, mentre molti gradi strutturali di alluminio non lo sono. È ben noto come l'acciaio mostri prestazioni di resistenza migliorate al crescere della velocità di deformazione. Conseguentemente, alle alte velocità di deformazione, tipicamente associate con eventi di crash, l'acciaio mostra un più alto assorbimento di energia per una data massa del componente. Vantaggio: per l acciaio Fatica: La resistenza alla fatica dell alluminio è in genere inferiore a quella dell acciaio (meno della metà). Ciò costituisce un fattore di successo per l acciaio in termini di durata della vita del veicolo. Mentre i vari gradi d'acciaio utilizzati in campo automobilistico possiedono un limite di resistenza a fatica, i vari gradi di alluminio per applicazioni strutturali (serie 5XXX) non 7

11 raggiungono un limite di fatica, ma continuamente degradano all aumentare del numero di cicli. Figura 3. Vantaggio: per l acciaio Figura 3: Steel Vs Al: confronto dei limiti di fatica Formabilità: La formabilità dell'alluminio è circa 2/3 di quella dell acciaio (spettro di formatura inferiore). Ciò è un vantaggio molto importante per l acciaio per lo styling del veicolo e la robustezza generale. Vantaggio: per l acciaio Durezza: la durezza dell'alluminio è più bassa di quella dell'acciaio. Piccole pietre possono danneggiare le superfici e la qualità originaria della superficie è più difficile da mantenere durante la vita del veicolo. Vantaggio: per l acciaio Smorzamento: smorzamento di rumore, vibrazione e ruvidità (NVH- Noise Vibration Harshness). La capacità di qualunque materiale di attenuare il rumore propagato dall aria è direttamente proporzionale alla sua densità. Per quanto riguarda il rumore propagato dall'aria, l'acciaio presenta chiaramente un vantaggio nella maggior parte dei casi. Vantaggio: per l acciaio Magnetismo: l'acciaio è riciclato più facilmente per le sue proprietà magnetiche contrariamente agli altri materiali non ferrosi come piombo, rame, 8

12 zinco ed alluminio. L'acciaio quindi si separa in modo estremamente efficientemente, mentre lo scarto non ferroso ingloberà anche tutti i materiali residui non desiderati (polimeri, vetro, adesivi, ceramica, ecc.). Vantaggio: per l acciaio Potenziale galvanico: il potenziale galvanico dell'alluminio è più alto di quello dell'acciaio. Su un corpo auto, quando l'alluminio e l'acciaio sono in contatto diretto, la corrosione è accelerata. Esistono delle barriere di isolamento da introdurre quando si accoppiano metalli a diverso potenziale, ma con aggravio dei costi. Vantaggio: per l acciaio 3.2. L acciaio contro l alluminio: confronto dei costi La Figura 4 mostra sulla sinistra vari gradi di acciai e leghe di alluminio dopo pre-deformazione del 2% e ciclo termico tipico di cottura della vernice, con i corrispettivi indici di costo mostrati sulla destra. Figura 4: Steel vs Al: confronto di proprietà meccaniche e di costi dei materiali grezzi Un confronto dei costi legati alla produzione del veicolo, dominati dal tempo di ciclo, utilizzo degli impianti, investimento di capitale, e costi dei materiali grezzi, è riportato in Tabella 2 per materiali in acciaio e in alluminio, secondo MIT di Boston: 9

13 Material costs Low production (less than 20,000/yr.) Medium Volume (approximately 100,000) Volume of 300,000 (common to most platforms in North America) Higher Volumes (300,000 to 1,500,000/yr.) Steel Unibody Aluminum Aluminum Space Frame Unibody $5,800 $4,500 $7,200 $2,500 $2,800 $3,600 $1,400 $2,400 $2,000 Steel becomes even more cost effective when compared to the space frame aluminum and unibody concepts Tabella 2: Steel vs Al: costi di materiale Se consideriamo tutti gli altri fattori quale la riciclabilità, scarto dovuto alla minore formabilità dell alluminio, la superiore saldabilità dell acciaio, i vantaggi di costo per l acciaio sarebbero ancora più grandi. Figura 5: Steel vs Al: confronto di costi di materiale e confronto di costi di assemblaggio delle scocche complete 10

14 Con riferimento ai costi di assemblaggio delle scocche, uno studio del MIT che ha confrontato l AUDI A2 tutta in alluminio, una VW Lupo standard in acciaio ed una Lupo a materiale ibrido è riportato nella Figura 5. I due grafici rappresentano il differenziale di costo dei materiali fra la VW Lupo (acciaio), Lupo ibrida (portellone di Magnesio/SMC Sheet Moulding Composite per i pannelli esterni della carrozzeria) e AUDI A2 tutta d alluminio. Come indicato, sia per il costo della materia prima che per le spese di assemblaggio, l'acciaio per tutti i volumi, è molto più economico (più di $1000/veicolo in meno). 4. Ottimizzazione del progetto del veicolo con l acciaio L'industria siderurgica si è sempre impegnata a soddisfare le esigenze dell'industria auto, ma di fatto, nelle ultime due decadi, l'impegno dell industria siderurgica è aumentato significativamente. I nuovi approcci, massicciamente creativi si sono cimentati in iniziative di progettazione del veicolo e sono stati stabiliti nuovi programmi cooperativi con l'industria dell auto. Inoltre, l'industria siderurgica nordamericana, rappresentata da AISI 10 (American Iron and Steel Institute), ha fornito la leadership per sviluppare un consorzio globale degli steel-makers per ottimizzare la progettazione e la produzione, ridurre i costi e introdurre nuovi materiali per le automobili future. Le vaste sfide automobilistiche possono essere affrontate tramite gli sviluppi tecnici specifici nelle aree chiave: - sviluppo di nuovi prodotti d'acciaio che migliorano le prestazioni dell'automobile (particolarmente sicurezza e peso) e la produttività. - caratterizzazione di nuovi prodotti d'acciaio per facilitare una veloce acquisizione da parte della comunità dell ingegneria automobilistica. - progettazione ottimizzata e tecnologie predittive delle prestazioni che utilizzano modelli ed analisi computerizzate e tecniche di convalida. - applicazione di nuove promettenti tecnologie di produzione. - riduzione del costo. 11

15 4.1. Tendenze dell industria automobilistica Negli ultimi anni, le pressioni governative crescenti e le aumentate aspettative come consumatori d acciaio dei produttori d automobili hanno fornito parecchie linee guida per il cambiamento dell'industria automobilistica 2. I drivers per il cambiamento rientrano in quattro categorie principali e rappresentano i punti chiave e le sfide, non soltanto per l'industria automobilistica, ma anche per l'industria siderurgica: Drivers per il cambiamento nella industria automobilistica: Questioni ambientali e di regolamentazione Linee guida sulle emissioni Economia di combustibile Riciclabilità Sicurezza Soddisfazione del cliente Rumore, vibrazione e ruvidezza (NVH-Noise Vibration Harshness) Riduzione di NVH Prezzo/prestazione Garanzia/Assistenza durante la vita del veicolo Sostenibilità del costo Materiali Processo di produzione Globalizzazione Ingegneria Sourcing Sviluppo del mercato Concorrenza Politiche commerciali 12

16 4.2. UltraLight Steel Auto Body (ULSAB) Nel 1980, il valore crescente dei consumi di energia ha spinto gli automakers a migliorare il rendimento dei veicoli. Negli Stati Uniti il miglioramento dell efficienza è stato ordinato dal Governo Federale e di conseguenza sono stati stabiliti i parametri Corporate Average Fuel Economy (CAFE). Per assistere gli automakers, l'industria siderurgica ha intrapreso parecchi programmi d ottimizzazione di progetto del veicolo in cui la riduzione di peso del veicolo (per il migliore rendimento del combustibile) era un obiettivo chiave. Il costo complessivo per questi progetti ha ecceduto i 40 milioni di US$. Inoltre, aspetti quali le prestazioni (come la resistenza al crash, il modo di simularla e di trattarla) ed il costo devono essere ottimizzate. L'ottimizzazione è stata permessa dai nuovi materiali in acciaio ad alta resistenza (HSS) e dalle nuove tecnologie di produzione (idroformatura, pezzi con saldatura sartoriali ). Questa ottimizzazione è stata facilitata impiegando una filosofia di disegno sistemico in cui l'effetto di innovative soluzioni e materiali è stato valutato sulla struttura totale del corpo del veicolo e non soltanto sulle diversi parti o sotto-insiemi. Il consorzio Ultra Light Steel Auto Body (ULSAB), rappresentante 35 produttori d'acciaio da diciotto paesi, è stato organizzato da AISI nel 1994 per rispondere alla sfida dei costruttori di automobili nel mondo, vale a dire ridurre il peso delle strutture d'acciaio del corpo delle auto mantenendo le loro prestazioni e sostenibilità. Il consorzio ULSAB ha stipulato un contratto con Porsche Engineering Services, Inc. per fornire ingegneria e gestione della realizzazione per il progetto ULSAB ed ha lavorato con questa società per definire gli obiettivi del progetto. E stato applicato un metodo in due fasi: 1- La fase di concetto ha compreso un disegno dal foglio bianco di una struttura leggera d'acciaio per auto (Figura 6) 13

17 Figura 6: il veicolo ULSAB 2- Una fase di convalida ha verificato il disegno attraverso la realizzazione di strutture ULSAB. Come risultato, è stata sviluppata una struttura d'acciaio del corpo auto leggera, che ha realizzato prestazioni migliori delle medie tenute come riferimento e costa lo stesso, o di meno, pronta per essere costruita. Figura 7 Figura 7: Uni-body ULSAB Risultati dello studio ULSAB (terminato nel 1998) Peso del corpo auto più basso che per i veicoli presi come riferimento: 203 chilogrammi di peso di finale 36% meno del più pesante benchmark Prestazioni migliorate rispetto ai veicoli presi a riferimento: miglioramento del 80% nella torsione miglioramento del 52% nella piegatura miglioramento del 58% nella vibrazione (primo modo della struttura) Ha ecceduto i requisiti di sicurezza in caso di crash: 14

18 ha ecceduto i requisiti obbligatori di crash (sono state scelte le più alte velocità) sono stati messe in atto richieste anticipate efficacia sui costi: stessi costi, o inferiori che le strutture del corpo auto nella stessa classe E stato possibile: aumentato impiego di acciaio ad alta resistenza (HSS) (210 a 550 MPa) 90% della struttura del corpo era HSS nuovi materiali materiali in sandwich d acciaio per due parti Uso di nuove tecnologie di produzione pezzi tranciati saldati sartorialmente idroformatura Il consorzio ULSAB ha diretto la sua attenzione alla ottimizzazione la progettazione in acciaio in due aree specifiche: le chiusure ed i sistemi di sospensione UltraLight Steel Auto Closures (ULSAC) Il consorzio ULSAC11 e Porsche Engineering hanno sviluppato progetti innovativi per portiere leggere, cofani, tettucci, e portelloni. E seguita una fase di convalida, che ha messo a fuoco la produzione di una portiera senza telaio usando vari HSS12. Figura 8 Figura 8: portiera ULSAC senza telaio 15

19 L'uso di un acciaio Dual Phase 600 dello spessore di 0,6 millimetri ha permesso una riduzione del 46 % del peso rispetto alla portiera senza telaio di riferimento. Ulteriormente, l'idroformatura del foglio ha fornito uniforme deformazione del pannello esterno della portiera, il che ha condotto ad una resistenza migliorata all'ammaccatura (resistenza all impronta) ed eliminazione dell oil canning (distorsione circolare). Figura 9. Figura 9: pannello esterno porta ULSAC 4.4. UltraLight Steel Auto Suspensions (ULSAS) Il consorzio ULSAS 13 ha lavorato con Lotus Engineering per prendere a riferimento sistemi differenti di sospensione e sviluppare quindi nuovi progetti leggeri e a basso costo per cinque sistemi differenti, massimizzando l'uso degli HSS. Figura 10. Figura 10: Sospensione tipo puntone & collegamenti 16

20 4.5. ULSAB AVC (Advance Vehicle Concepts) Questo studio di aggiornamento del programma ULSAB ( ) è stato iniziato nel 1998 per realizzare l'obiettivo più impegnativo di generare una piattaforma strutturale per realizzare quanto segue: - Requisiti di sicurezza al crash previsti per il Migliorato rendimento del combustibile. - Prestazioni ambientali ottimizzate. - Producibilità nell alto volume. Completato nel mese di gennaio del 2002, il progetto ULSAB-AVC 14 condurrà ad un uso maggiore da parte degli automakers dei nuovi gradi avanzati di acciai ad alta resistenza (AHSS Advanced High Strenght Steel) che forniranno un livello elevato senza precedenti di prestazioni di sicurezza in caso di crash senza nessun aumento di costo. Allo stesso tempo, l'uso di questi acciai permetterà di ridurre l'impatto ambientale dei veicoli attraverso il raddoppio del risparmio di combustibile, riduzione dell intensità energetica per la produzione di quell acciaio, e facilità propria degli acciai al riciclaggio, come dimostrano i risultati dello studio. I nuovi gradi AHSS 15 guadagnano le loro proprietà di resistenza ad alto snervamento e formabilità comprendendo microstrutture multifasi, che contengono martensite, bainite e/o austenite residua in quantità sufficienti per produrre le combinazioni uniche di resistenza meccanica e deformabilità a freddo. Le microstrutture specifiche derivano da un controllo preciso della chimica e del trattamento termo-meccanico/termico di questi nuovi acciai. Figura 11. I gradi AHSS sono eccellenti per gestire l energia di crash. Come gli acciai convenzionali ad alta resistenza, gli AHSS promuovono la riduzione di peso ma esibiscono una superiore combinazione di resistenza meccanica, energia di crash, formabilità e resistenza all improntabilità. Questi gradi d'acciaio hightech offrono ai progettisti del veicolo la più ampia libertà su come risolvere la resistenza al crash, l aspetto esteriore, lo stile e la riduzione di massa. 17

21 Figura 11: relazioni resistenza-deformabilità per acciai dolci, HSS convenzionali e Advanced HSS Figura 12: confronto dei materiali tra ULSAB e ULSAB-AVC classe PNGV Gli acciai AHSS costituiscono più dell 80 per cento delle strutture del corpo auto ULSAB-AVC, con altri gradi ad alta resistenza per il rimanente 20 per cento. Figura 12. Il vasto uso di questi gradi avanzati, accoppiati con un 18

22 efficiente disegno, risulta in un significativo consolidamento. Le strutture del corpo contengono appena 81 parti principali, il che contribuisce ad una migliore efficienza strutturale a costi più bassi. Figura 13. Figura 13: esploso del concetto ULSAB-AVC per classe C con la selezione del tipo di acciaio per ciascuna parte Le simulazioni al calcolatore affermano che i progetti riceverebbero le Cinque Stelle nelle prove negli Stati Uniti NCAP e SINCAP di sicurezza al crash, il più alto punteggio possibile negli Stati Uniti. Ulteriormente, le caratteristiche del veicolo ULSAB-AVC riceverebbero la massima valutazione secondo gli standars dell Insurance Institute for Highway Safety (IIHS) statunitense. Riceverebbero pure un punteggio di Cinque Stelle nelle nuove prove europee del programma di valutazione dell'automobile (Euro-NCAP). Figura 14 19

23 Figura 14: Potenziale di classifica di sicurezza, sostenibilità dei costi ed efficienza energetica per ULSAB-AVC Lo studio indica che costruire secondo i concetti ULSAB-AVC non costerebbero di più rispetto a criteri più convenzionali, permettendo prezzi al consumo dei veicoli competitivi. Figura 15: Classe PNGV di ULSAB-AVC 20

24 Le valutazioni della potenziale economia nei consumi di carburante di ULSAB-AVC per il veicolo del PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) a quattro porte prevedono quanto segue (Figura 15): La versione con motore a benzina realizzerebbe un consumo, secondo i cicli di test Europei, di 4,5 l/100 km La versione diesel realizzerebbe un consumo di 3,4 l/100 km Una classe C (Codice europeo di categoria) a due porte, un veicolo un po' più piccolo che è particolarmente importante in Europa, raggiungerebbe un economia di combustibile leggermente migliore. ULSAB-AVC comprende i numerosi avanzamenti di disegno, compreso un approccio a piattaforma modulare, una struttura del corpo altamente efficiente con un innovativo modulo frontale, una trasmissione altamente economica e sistemi di sospensione anteriore e posteriore efficaci. (Figura 16, Figura 17). C-Class Body Structure PNGV-Class Body Structure Figura 16: strutture del corpo ULSAB-AVC per classe C e classe PNGV 21

25 Figura 17: struttura frontale sotto-scocca ULSAB AVC ULSAB-AVC inoltre caratterizza uno spettro completo delle più recenti tecnologie dell acciaio, compresi i tranciati ed i tubi sartoriali, assiemi saldati al laser e l'idroformatura del foglio. I tranciati sartoriali rappresentano quasi il 40 % delle strutture del corpo, i materiali idroformati sono più del 20 % ed i tubi sartoriali comprendono il 6 %. Lo stampaggio è il metodo predominante di formatura dell'acciaio in ULSAB- AVC, con più del 70 % delle strutture del corpo e delle parti delle chiusure che utilizzano questo processo Light Truck Structure (LTS) Il logico passo successivo a ULSAB era una progettazione ottimizzata per l acciaio per un veicolo da trasporto leggero. Questa iniziativa, che ha coinvolto AISI e Porsche Engineering, ha preso come riferimento undici tra SUVs- Sport Utility Vagons e furgoni tra il 1995 ed il E stato utilizzato un concetto di sotto telaio strutturale che è servito per il subframe anteriore per tutte le varianti del veicolo (veicoli standard, cabinati allungati e SUV) e per il sub-frame posteriore per il SUV IMPACT Questa iniziativa, patrocinata, in parte, dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti e condotta da Ford Motor Company ha puntato a sviluppare strategie per la riduzione del peso del veicolo, l'aumento delle prestazioni e 22