L'ingegneria dei veicoli leggeri richiede ai produttori di combinare componenti metallici funzionali con componenti leggeri, plastica rinforzata con fibra di carbonio altamente resistente. I ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato una varietà di soluzioni per unire materiali così disparati e presenteranno la loro tecnologia all'Hannover Messe di quest'anno dall'1 al 5 aprile, 2019 utilizzando un dimostratore di e-scooter (padiglione 17, Stand C24).

Che si tratti di autobus, macchine, scooter o biciclette, sembra certo che l'elettromobilità alimenterà il futuro. Uno dei maggiori ostacoli in questo momento, però, è come aumentare l'autonomia del veicolo, una sfida che dipenderà dal rendere i veicoli il più leggeri possibile. Più leggero è il veicolo o il trasportatore, più a lungo dura l'accumulo di energia. In questo dominio, Plastica rinforzata con fibra di carbonio, o CFRP in breve, sono il materiale preferito:resistenti come l'acciaio e tuttavia circa otto volte più leggeri, e anche tre volte più leggero dell'alluminio. La pratica generale è quella di produrre singoli componenti, il telaio del veicolo per esempio, utilizzando CFRP, e quindi unirli ai componenti metallici portanti mediante viti o adesivi. In altre parole, i componenti che collegano lunghe estensioni e trasferiscono i carichi possono essere prodotti utilizzando CFRP, mentre il metallo è riservato ai componenti funzionali e ai punti di attacco per il meccanismo di sterzo, Per esempio.

Risparmio di peso fino al 50 percento

Ora, ricercatori del Fraunhofer Research Institution for Casting, Composito e tecnologia di lavorazione IGCV presso il Centro tecnologico di Augsburg ha escogitato una varietà di nuove tecniche innovative per unire componenti fusi in modo convenzionale con quelli realizzati in CFRP. Guardando oltre la consolidata tecnologia di fonderia, c'è molto potenziale nelle moderne tecniche di produzione come la produzione additiva e la stampa 3D. "Abbiamo combinato le varie nuove tecniche di giunzione in un dimostratore di scooter elettrico. L'obiettivo è ridurre il numero di punti di attacco meccanici e semplificare il più possibile il processo di giunzione, " spiega il Dr.-Ing. Daniel Günther, che guida il progetto al Fraunhofer IGCV. "C'è un grande potenziale nella combinazione di componenti in metallo e CFRP, con un potenziale risparmio di peso fino al 50 percento a seconda della parte."

Tecnica di bloccaggio per unire il supporto della ruota posteriore

Il supporto della ruota posteriore di uno scooter elettrico contiene molte parti integranti al suo funzionamento e, per tale motivo, è fatto di metallo. Per renderlo il più leggero possibile, il team di ricerca ha prodotto la parte in acciaio altamente resistente, ottimizzando la topologia in modo che il materiale sia limitato esclusivamente ai luoghi in cui è necessario per supportare il funzionamento.

Per produrre la parte, i ricercatori hanno attinto a una tecnica di produzione additiva che utilizza un raggio laser per formare componenti da una polvere metallica. Il supporto della ruota posteriore è collegato alla pedana in CFRP tramite un sistema a vite, che lo rende facile da rimuovere e smontare per la manutenzione.

Testa dello sterzo ibrida incollata

Il cannotto di sterzo dello scooter è un componente ibrido, con un telaio di base in alluminio che si collega alla pedana dietro e al manubrio nella parte anteriore. Questa parte dello scooter è ricca di parti integranti al suo funzionamento, con un'estensione significativa da colmare nel mezzo. L'utilizzo di parti in CFRP garantisce la necessaria rigidità. I due diversi materiali vengono uniti tra loro mediante incollaggio. "In termini di carico di base, abbiamo ipotizzato una persona del peso di cento chilogrammi che effettuava dei salti con lo scooter. Per supportare quel tipo di carico utilizzando una parte in fusione di alluminio puro, avresti bisogno di un'enorme quantità di materiale per garantire una rigidità sufficiente, " dice Günther. Per fabbricare la parte, Günther e il suo team hanno iniziato analizzando lo spazio di installazione disponibile. Come regola generale, più spazio viene utilizzato, maggiore è la sezione trasversale del componente e migliore è la sua rigidità. Il materiale deve essere mantenuto il più sottile possibile, però, per garantire che il componente non diventi eccessivamente pesante. La soluzione a questo è usare CFRP in combinazione con metallo fuso. Come ulteriore passo, i ricercatori hanno calcolato il carico in vari punti del componente. Le giunzioni sono state posizionate con precisione nei punti con il minor carico. La rigidità è garantita grazie alla sagomatura del componente in CFRP.

Sistema 'Fork':la tecnologia di giunzione del futuro

La capacità portante e la durata del CFRP derivano dalle fibre contenute al suo interno. Qui, la sfida principale sta nel trasferire la forza che agisce su un componente in modo che venga assorbita da queste stesse fibre. In cima a questo, gli ingegneri devono garantire che tutte le parti metalliche siano fissate il più saldamente possibile ai componenti CFRP, senza spazi o cavità. In risposta, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica di giunzione completamente nuova, spiegata al meglio dando un'occhiata ai componenti coinvolti. Nell'esempio dello scooter elettronico, hai un pezzo cilindrico che si collega al manubrio, un componente in acciaio realizzato con una tecnica di produzione additiva. La parte inferiore del componente ha una piastra che funge da base con piccoli perni che sporgono dalla sua superficie. I ricercatori hanno quindi sovrapposto questa piastra di base con i preimpregnati per il componente CFRP, realizzato con fibre rivestite di resina sintetica. Dopo, applicano il vuoto e aumentano la temperatura. La resina racchiude le fibre di carbonio, scorre verso il basso e chiude la fessura con la piastra metallica, indurimento per formare un legame adesivo. Qui, non solo la resina si attacca al piatto, anche i perni sporgenti sono avvolti e tenuti in posizione dalle fibre. Questo collega i componenti e fornisce un legame solido, senza la necessità di viti o adesivi aggiuntivi. "La tecnica è veloce, pronto per l'industria e può essere facilmente scalato per la produzione di massa, "dice Gunther.

I ricercatori Fraunhofer presenteranno l'e-scooter e le tecniche di giunzione descritte in questo articolo alla Hannover Messe dal 1 al 5 aprile, 2019 (padiglione 17, Stand C24). Per chi fosse interessato, ci sarà la possibilità di fare un giro di prova e saperne di più sulla progettazione e realizzazione dei singoli componenti.