attualità CURRENT AFFAIRS ESTRUSI DI ALLUMINIO PER L AUTO ALUMINIUM EXTRUSIONS FOR AUTOMOTIVE Mercato ed applicazioni 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 di Alberto Pomari a.pomari@metra.it 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 CO 2 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 CO 2 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 2012-2020 (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
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- 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. 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. 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 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.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.