La tecnologia leggera è stata a lungo e sicuramente rimarrà un pilastro dell'ingegneria automobilistica e aerospaziale, cantieristica navale e una miriade di altre industrie. Materiali e componenti più leggeri potrebbero anche aiutare a ridurre le emissioni che guidano il cambiamento climatico. Ma le opzioni più leggere sono più costose, e il costo relativamente elevato ne ha impedito l'adozione. Che sta per cambiare grazie agli sforzi di un consorzio di case automobilistiche, fornitori e istituti di ricerca. Chiamato ALLIANCE e coordinato da Daimler e dal Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF, questo progetto ha delle buone notizie per i designer:a quanto pare, è del tutto possibile costruire componenti fino al 33% più leggeri con un costo aggiuntivo inferiore a tre euro per chilogrammo risparmiato.

Se vogliamo affrontare il cambiamento climatico, dovremo frenare le emissioni nocive delle auto. Un modo per farlo è costruire veicoli più leggeri. Le case automobilistiche sono state lente nell'imboccare quella strada perché i componenti leggeri sono costosi. Sono semplicemente troppo costosi per i modelli economici. Se i design leggeri devono diventare mainstream e costituire la maggior parte dei componenti installati, gli ingegneri dovranno trovare un modo per abbassare i prezzi.

CO ₂ emissioni ridotte del 25%

Questo è esattamente ciò che i numerosi partner impegnati nel progetto Affordable Light-weight Automobiles AlliaNCE dell'UE, o in breve ALLIANCE, si sono proposti di fare. Hanno sondato il potenziale di risparmio e sviluppato tecnologie per cogliere le opportunità più promettenti. Sei grandi case automobilistiche, sei fornitori di componenti e materiali, e vari istituti di ricerca hanno preso parte a questo progetto coordinato da Daimler e dall'Istituto Fraunhofer per la durabilità strutturale e l'affidabilità dei sistemi LBF a Darmstadt. "Insieme, siamo stati in grado di stabilire che un design leggero ed economico è fattibile, "dice il prof. Thilo Bein, Responsabile della gestione della conoscenza presso Fraunhofer LBF. In qualità di segretario del progetto designato, ha mantenuto i contatti tra i soci, risultati monitorati, incontri organizzati, e simili. "Siamo riusciti a rendere i singoli componenti più leggeri del 30%, riducendo così la loro quota di CO ₂ emissioni del 25%, con costi per componente in aumento di soli 2,67 € per chilogrammo risparmiato in media, che è accettabile per le case automobilistiche." I protagonisti di questo progetto hanno scoperto che i costi possono essere anche inferiori se la CO ₂ e i bilanci energetici sono presi in considerazione fin dall'inizio.

Prima di tutto il design, entrando per ultimo

Gli scienziati del Fraunhofer LBF hanno fatto molto di più che semplicemente aiutare a coordinare il progetto. Hanno anche messo a frutto le loro capacità di ricerca nella progettazione dei componenti. Gli ingegneri devono ottimizzare dal basso verso l'alto tutti i nuovi materiali nelle parti delle automobili. Regolano il peso di questi componenti, lo spessore delle loro pareti, e le loro frequenze naturali, importanti per la gestione del rumore, tra gli altri parametri. A tal fine usano spesso il metodo degli elementi finiti. Prendere, Per esempio, un parafango. Il suo progettista creerebbe prima un modello virtuale, e poi dividerlo in tante piccole unità per calcolare e ottimizzare il comportamento fisico di questa parte. Lo svantaggio di questi modelli è che sono terribilmente complessi. "Ecco perché abbiamo sviluppato un modello parametrizzato al Fraunhofer LBF che semplifica enormemente questa procedura, " dice Bein. Questi esperti hanno semplificato il modello, riducendone la complessità pur mantenendo parametri quali peso, frequenza naturale o spessore della parete. Questo modello più semplice serve per ottimizzare i parametri, che vengono poi reincanalati nel modello agli elementi finiti originale. "Questa ottimizzazione multiparametrica può essere utilizzata sia nella prima fase concettuale che in seguito durante la definizione dei dettagli del progetto, " afferma Bein. Testando il loro metodo su un modulo dimostrativo virtuale per un componente front-end Opel, i ricercatori hanno scoperto che è un grande aiuto:consente di progettare i componenti con meno passaggi iterativi e fornisce un modo migliore per raggiungere i parametri target.

Anche le modalità di unione erano all'ordine del giorno del progetto ALLIANCE. Questi dovevano collegare componenti leggeri in modo sicuro e stabile. Lo sforzo di sviluppo ha identificato 14 diversi processi di giunzione idonei. Gli esperti Fraunhofer hanno messo in campo le loro conoscenze specifiche quando è arrivato il momento di testare la durabilità strutturale. Incaricato di studiare i processi di giunzione ibridi che combinano rivetti con legami adesivi, hanno sottoposto campioni simili a componenti a vari carichi ciclici per determinare quanto bene i giunti avrebbero resistito all'usura. I ricercatori del Fraunhofer LBF hanno anche testato un sottoscocca in plastica Toyota per la durabilità strutturale. I risultati di entrambi i test sono stati buoni.

Questo progetto ha fatto il suo corso, ma il consorzio ha deciso di ramificare la sua ricerca, quindi un progetto di follow-up è in cantiere. "I risultati confluiranno nello sviluppo del prodotto nei prossimi anni, "dice Bein, parlando con sicurezza.