Vantaggi del co-design: alleggerimento mirato

In questo articolo vedremo come attraverso il co-design sia possibile ridurre il peso dei componenti pur mantenendo la loro funzionalità.

Il peso delle componenti gioca un ruolo importante nella produzione di qualunque prodotto – basti pensare al risparmio in termini di costi di spedizione –  ma è nel settore automobilistico che si rivela determinante. Il peso delle automobili cala di anno in anno, nonostante l’aumento dei comfort a bordo: il peso medio di una berlina al giorno d’oggi è circa 1300 chilogrammi, contro gli oltre 2000 chili dei modelli di 30 anni fa. L’utilizzo di componenti più leggere permette infatti forti riduzioni del peso e quindi del consumo, oltre ad avere ripercussioni sul funzionamento di determinate parti, come ad esempio le portiere o i tettucci apribili.

Per questo è sempre più importante riuscire a progettare delle componenti che siano sì più leggere, ma comunque funzionali. In quest’ambito la collaborazione tra fornitore e produttore è fondamentale: questo processo collaborativo già nella fase di progettazione viene detto co-design. Il co-design permette di applicare le conoscenze tecniche del fornitore già in fase di progettazione, tramite studi preliminari e l’applicazione di tecniche consolidate per il miglioramento strutturale.

Vantaggi dell’alleggerimento mirato

Durante la fase di progettazione è spesso possibile individuare dei punti in cui lo spessore elevato causerebbe un inutile aumento del costo di produzione del pezzo: per questo è necessario procedere ad un’ottimizzazione delle forme attraverso l’uso di software di simulazione, che permette in alcuni casi una riduzione della massa fino al 30-40%.

Il metodo più efficace ed utilizzato per l’alleggerimento mirato è uno studio del prodotto e l’applicazione di nervature strategiche di rinforzo. Queste nervature dovranno essere progettate mantenendo le giuste proporzioni per evitare di sovraccaricare i punti di giunzione, in modo da resistere a sollecitazioni elevate e, attraverso l’uso di angoli arrotondati, assecondare le posizioni delle linee di sformatura permettendo così di creare pareti più sottili.

Oltre alla riduzione di peso, i vantaggi insiti nell’uso di pareti più sottili sono molteplici:

• Riduzione di porosità e depressioni:
  Nei pressofusi le pareti spesse tendono ad esser soggette ad una maggiore porosità, a causa della riduzione di volume data dal raffreddamento del materiale, che genera tensioni molecolari durante la fase di trasformazione conducendo il fluido verso la parte già solidificata, causando porosità interne caratteristiche per la loro forma irregolare e frastagliata;
• Scambio termico migliorato:
  Una maggiore area superficiale permette di ottenere raffreddamenti più rapidi e uno scambio termico più efficiente;
• Aumento della resistenza:
  In alcuni casi un cambio strutturale finalizzato ad un alleggerimento può anche portare ad un aumento della resistenza, grazie ad una più equa distribuzione delle forze;
• Riduzione dei costi di produzione;

Studio dell’alleggerimento tramite co-design: l’analisi FEM

Strumento fondamentale nella progettazione degli alleggerimenti strutturali è un software di analisi FEM (Finite Element Method), che permette di calcolare il comportamento strutturale di un sistema. In particolare, questo tipo di analisi viene utilizzata per simulare la resistenza di un oggetto posto sotto sforzo da un determinato carico in un determinato punto. Come per altre simulazioni, sarà necessario formare una mesh che identificherà i nodi, ovvero i punti di connessione, e gli elementi di carico  e fissaggio.

Nel posizionare i nodi sulla struttura bisogna assicurarsi che il loro numero sia sufficiente a descrivere la geometria del pezzo e che siano posti in corrispondenza di punti in cui sono applicati carichi concentrati o masse nodali. Inoltre è possibile collocare dei nodi in punti di cui si vogliono conoscere gli spostamenti e le sollecitazioni interne. Infine, è bene accertarsi che la mesh sia sufficientemente fitta per cogliere le variazioni di sforzo o di spostamento nelle regioni importanti ai fini dell’analisi.

Sarà quindi possibile simulare diversi tipi di forze:

• Forza rotante
• Forza di pressione
• Forza di carico
• Forza di trazione

In una situazione di co-design è quindi fondamentale che il cliente fornisca tutti i dettagli riguardanti l’uso del componente richiesto, soprattutto in termini di sforzi a cui esso viene sottoposto, temperature estreme o altre condizioni eccezionali di cui tenere conto. Attraverso questo procedimento si otterrà una mappatura delle zone sotto sforzo per ogni punto, permettendo quindi di identificare le aree di criticità, siano esse eccessivamente spesse o, al contrario, a rischio rottura.

Tecniche per la riduzione del peso

A seguito dell’identificazione delle zone problematiche, il designer può procedere attraverso la simulazione alla modifica della struttura. Per ovviare alla perdita di resistenza causata dall’assottigliamento delle pareti, saranno necessari altri interventi di rinforzo strutturale: è possibile ad esempio modificare i raccordi attraverso un ispessimento mirato degli angoli soggetti a fragilità, modificare l’inclinazione delle pareti per ottimizzare la distribuzione delle forze, applicare una croce di rinforzo oppure una nervatura a T. Altre volte è la riduzione di peso stessa a contribuire all’incremento della robustezza del pezzo, poiché le concavità prodotte possono generare una migliore distribuzione delle forze.

L’alleggerimento passa anche attraverso la scelta del materiale, più specificamente della lega che si decide di utilizzare. Solitamente si prediligono composti con una bassa densità, come la ZAMA 8, che contiene l’8,4% di alluminio risultando quindi più leggera, più resistente ed elastica rispetto alla ZAMA 5 che rimane tuttavia la più utilizzata, grazie anche alla sua elevata tolleranza delle precisioni e flessibilità nel processo produttivo.

In conclusione, l’alleggerimento mirato studiato tramite un’attività di co-design può portare diversi vantaggi sia di tipo economico che funzionale ai produttori, vantaggi di cui beneficiano anche gli utenti finali, migliorando l’esperienza d’uso e riducendo talvolta i costi di spedizione o – nel caso delle automobili – di mantenimento.