TEPEX: Componenti strutturali a basso peso

Metal Replacement Forum 2013
Malpensa, 7 Giugno 2013
TEPEX®
Componenti strutturali a basso peso
Walter Toniol
High Performance Materials EMEA
Application Development & Technical Services
"Green Mobility" soluzioni per le sfide globali possono avere
un impatto positivo in quattro aree principali
2
Mezzi di trasporto
Energia
Infrastrutture / Pianificazione urbana
Sistemi di gestione delle informazioni
I sei pilastri di LANXESS che contribuiscono alla “Mobilità
Verde” – Tutti basati su tecnologia ed innovazione
Contributo
LANXESS
Pneumatici
“verdi ”
Costruzioni
leggere
Gestione
sostenibile
del cuoio
Prodotti
Tecnici
Innovazione &Tecnologia
3
Materie prime a
base Bio
Biocarburanti &
Energie
rinnovabili
4
Mobilità convenzionale ha raggiunto i suoi limiti
Fattori chiave
 L’aumento continuo delle emissioni di CO2
minaccia l’ambiente ed il clima globale.
- Senza adeguate contromisure le emissioni
globali di CO2 raddoppieranno entro il 2050.
 Crescienti esigenze di mobilità sono guidate
dall‘aumento della popolazione e dall‘incremento
della classe media, specialmente nei paesi BRIC*
 Le risorse come i combustibili fossili, sono ormai
limitate ed inevitabilmente si esauriranno.
 Le esigenze dei consumatori riguardanti la
mobilità stanno cambiando
Il futuro della mobilità dovrà essere “verde”
5
Source: International Energy Agency
* BRIC countries: Brazil, Russia, India, China
Le auto moderne aumentono i requisiti e con loro,
il peso del veicolo
Negli ultimi 40 anni le auto si sono appesantite
Legislazione
25%
Sicurezza
Interni
30%
15%
Confort
22%
Fattori che hanno contribuito all’aumento di peso
Esempio: Mini Cooper
6
Qualità
8%
Motivazioni per realizzare strutture leggere
Fat Book 2013
La massa è il fattore chiave per determinare le resistenze che agiscono sul
veicolo, progettare strutture leggere è quindi la soluzione ideale
Resistenza di accellerazione
Resistenza all’aria
massa x accellerazione del veicolo
(Densità aria/2) x cw* x superficie veicolo x velocità2
Resistenza al rotolamento
(massa x gravità) x attrito di rotolamento
Gradiente di resistenza
(massa x gravità) x (gradiente altezzat/gradiente lunghezza)
* valore cw : coefficiente di penetrazione
100 kg di riduzione di peso significa un risparmio di carburante di 0,5 l per 100 km
e ~ 10 g in meno di CO2 per chilometro viaggiato
7
Soluzioni leggere sono il fattore chiave per l‘industria automobilistica
per tagliare le emissioni di CO2 ed evitare sanzioni penali
Emissioni medie di CO2 del parco circolante
di alcuni OEMs (dato 2011)
162
in g CO2 per km
118
146 149
125 125 127
133 134 136
2020 EU target
95
 I produttori di auto hanno un divario enorme
da colmare per raggiungere gli obiettivi di
riduzione delle emissioni di CO2 sulla flotta
circolante.
 Una riduzione di 100 kg di peso può
risparmiare fino a 10 g CO2 /km.
 Valori massimi di emissione di CO2:
 2015: 130 g/km
8
Mercedes
BMW
Audi
VW
Opel
Ford
Toyota
Citroen
Seat
Fiat
 2020: 95 g/km
Source: European Federation for Transport and Environment, McKinsey, JATO Consult
 [U.S. 2025: 70-80 g/km]
 Sanzione di € 95 per veicolo per ogni g/km
in più di CO2 riferito al limite fissato.
HPM Programma di innovazione per business futuri
Applicazioni
Strutture
Applicazioni
Products
Electro
leggere
Estrusione
serbatoi
Applicazioni
Applicazioni
Mobility
Vano Motore
Green
Mobilità
Urbanizazione
Sostenibilità
9
Veicoli
E/E
Concetto di ibrido - Principio di base
Ibrido
• Ottima rigidità e resistenza
• Ruttura duttile
• Bassa dilatazione termica
lineare
• Buona imbutibilità
•
•
•
•
•
•
•
10
Metallo
Ampia libertà di forma
Ottima scorrevolezza
Basso peso
Ottima rigidità e resistenza
Poliammide
Alta sollecitabilità dinamica
Alta resistenza all'invecchiamento
Ottima resistenza chimica a oli grassi
e agenti di pulizia
6
• Riduce la propensione delle lamiere sottili
all‘incurvamento
• Conferisce alto assorbimento di energia
• Ha elevata resistenza termica
• Ha bassa dilatazione termica
• Basso peso dei particolari
• Alta precisione e stabilità dei particolari in
produzione ed in uso
• Elevata possibiltà di integrazione dei
componenti
Ibrido metallo plastica
Più di 70 applicazioni in serie,
40 Milioni di particolari
prodotti.
11
Molti componenti auto possono essere realizzati più leggeri
grazie ai prodotti di LANXESS
Struttura auto
Componenti realizzati con il contributo di LANXESS
Traverse plancia
Cornice tetto
Front end
Porta ruota di scorta
Carrozzeria
Coppe olio
Cinghie di trasmissione
Supporti
Interni
Contenitori Airbags
Aste sterzo
Telaio
12
Coppe olio cambio
Serbatoi Gas
Coperchi punterie
Trasmissione
Inserti strutturali
Pelle leggera
Strutture
sedili
Sistemi pedaliera
Come le soluzioni di LANXESS aiutano a ridurre il peso –
esempio carrozzeria (1/2)
Inserti strutturali
 Gli inserti strutturali stampati ad iniezione in Durethan rinforzato
vetro consentono, oltre alla riduzione del peso anche ad un
aumento della sicurezza dei passeggeri.
Pozzetto ruota di scorta realizzato con Durethan rinforzato vetro
al 60%
Inserti strutturali
 Il componente, incollato direttamente alla carrozzeria, non solo
contiene la ruota di scorta e gli strumenti a bordo tra cui la batteria,
ma irrigidisce anche la parte posteriore del veicolo.
Traversa plancia
 La traversa plancia portastrumenti realizzata con l’ibrido metallo/
plastica consente di ottenere sostanziali benefici, ad esempio può
integrare i condotti di canalizzazione aria ed anche il supporto della
colonna sterzo.
13
Pozzetto ruota di scorta:
Vista frontale
Traversa plancia
Vista da sotto
Come le soluzioni di LANXESS aiutano a ridurre il peso –
esempio carrozzeria (2/2)
Cornice tetto realizzata in tecnologia ibrida metallo plastica
 Il peso si riduce del 30% in confronto alla soluzione in acciaio a
parità di costo.
Front ends che utilizzano la tecnologia ibrida
 I front ends che sono realizzati con la tecnologia ibrida metallo
plastica sono più leggeri anche del 40% rispetto a quelli
completamente in metallo; il peso di questi componenti che
utilizzano inserti in alluminio. può essere ulteriormente ridotto
Cornice tetto
utilizzando gli inserti in Tepex®
 I fornt ends realizzati in ibrido metallo plastica sono ampiamente
utilizzati ed il peso si può ulteriormente ridurre utilizzando gli inserti
in Tepex®.*
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* The lower beam of the current Audi A8 front end that is already in serial production contains a Tepex ® U-profile
Front end
Tepex® fogli compositi – high-tech per l’industria
automobilistica e non solo
 Tecnologia moderna per il settore aeronautico
Origini
 Economico, pronto per produzioni di massa
come alternativa al metallo per l‘industria
automobilistica
 Prodotti semilavorati (piastre) = fogli compositi
Prodotti
Semilavorati
 Tessuti realizzati con fibre di vetro continue o
altre fibre di rinforzo
 Impregnate in una matrice termoplastica come
PA
 Buona imbutibilià tridimensionale
Particolari
in Ibrido
composito
15
 Integrazione di funzioni sul componente, grazie
allo stampaggio ad iniezione
 Processo d’integrazione per cicli di stampaggio
ridotti
Durethan®
Tepex®
LANXESS offre tecnologie innovative –
Tepex® tecnologia ibrida per ogni componente leggero
Lanxess sta rivoluzionando la tecnologia ibrida con lastre
composite Tepex® per i componenti strutturali*
 Tepex® è una lastra composita realzzata con fibra di rinforzo
continua in una matrice polimerica
 La tecnologia ibrida Plastica / Plastica combina il Tepex® con il
Durethan® nel processo di stampaggio ad iniezione
 I tecnopolimeri rinforzati di LANXESS, realizzati per lo
stampaggio ad iniezione, si possono usare in funzione dei
requisiti richiesti dal componente
 I componenti realizzati in ibrido sono un’eccellente alternativa
all’acciaio ed al alluminio, ed offrono:
- Bassa densità che permette di risparmiare fino al 50% del peso
- Alta resistenza e rigidità che assicura un’elevata sicurezza
- Conveniente da produrre dimostrato dalle produzioni in serie
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* Used in the lower beam of the Audi A8 and the bumpers of the BMW M3
Bottom image: Audi A8 front end
TEPEX®
Come le soluzioni di LANXESS aiutano a ridurre il peso –
esempio interno
Contenitore Air Bag
Vista posteriore
Contenitore airbag realizzato con Tepex®
 Lo spessore delle pareti laterali può essere ridotto da 3-4 mm a
0,5-1 mm utilizzando la tecnologia ibrida Tepex® – senza
compromettere la rigidità o resistenza
Pedale freno auto realizzato con ibrido Tepex®*
 Primo pedale freno al mondo realizzato con fibre di vetro
continue progettato per produzioni di massa.
 E’ circa il 50% più leggero della soluzione tradizionale in acciaio,
ma supera i requisiti richiesti.
L‘evoluzione del
Pedale freno
Acciaio
794 g:
Ibrido metallo/plastica
526 g:
Ibrido con Tepex®
355 g
17
* Plastic/plastic hybrid technology.
Proprietà meccaniche dei metalli e dei tecnopolimeri
Valori assoluti non considerando la massa
250
2000
Resistenza
1200
100
800

150
50
400
0
0
Acciaio
* 47 vol.-%, dry, woven, 50/50
/based on Arping, Nickel, Haspel, Malek/
18
1600
Alluminio
PA6-GF60, BKV60,
dry
PA6-GF fogli
organici*
Resistenza [MPa]

200
Modulo [GPa]
Modulo
Proprietà meccaniche dei metalli e dei tecnopolimeri
Peso specifico – considerando la massa
500
Resistenza
30
20
400

200
10
100
0
0
Acciaio
* 47 vol.-%, dry, woven, 50/50
/based on Arping, Nickel, Haspel, Malek/
19
300
Alluminio
PA6-GF60, BKV60,
dry
PA6-GF fogli
organici*
Resistenza riferita alla densità
[MPa/(g/cm³)]
600
Modulo

Modulo riferito alla densità
[GPa/(g/cm³)]
40
24
20
16
Ibrido con inserto in Tepex®
12
8
Ibrido con inserto in acciaio
4
0
0
4
8
12
16
20
Flessione / [mm]
28
0,6
Ibrido con inserto in Tepex®
0,5
0,4
0,3
0,2
Ibrido con inserto in acciaio
0,1
0
0
10
20
30
40
50
60
Angolo di torsione / [°]
70
80
90
Ibrido con composito in Tepex® (2.0 mm) + Durethan ® BKV30
Peso 346 g
Ibrido con composito in Tepex® (2.0 mm) + Durethan ® BKV30
Peso 346 g
Ibrido con inserto in acciao (0.7 mm) + Durethan ® BKV30
Peso 400 g
Ibrido con inserto in acciao (0.7 mm) + Durethan ® BKV30
Peso 400 g
/based on Arping, Nickel, Haspel, Malek/
20
24
Coppia riferita alla al peso / [Nm/g]
Peso correlato al carico / [N/g]
Ibrido Metallo/Plastica e Tecnologia ibrida con Tepex®
Flessione e Torsione a confronto riferita alla trave HiAnt®
10 N/g
7 N/g
~ 40 % in più
di Rigidità
Coppia riferita alla al peso / [Nm/g]
Peso correlato al carico / [N/g]
Ibrido Metallo/Plastica e Tecnologia ibrida con Tepex®
Flessione e Torsione a confronto riferita alla trave HiAnt®
0,6
Ibrido con inserto in Tepex®
0,5
0,4
0,3
0,2
Ibrido con inserto in acciaio
0,1
0
0
10
20
Flessione / [mm]
Ibrido con composito in Tepex® (2.0 mm) + Durethan® BKV30
Peso 346 g
70
80
Ibrido con inserto in acciao (0.7 mm) + Durethan ® BKV30
Peso 400 g
Resistenza:
Ibrido Tepex®
Resistenza:
Ibrido Tepex®
Rigidità:
Ibrido metallo plastica
Rigidità:
Tepex®
Ibrido in Composito
/based on Arping, Nickel, Haspel, Malek/
21
30
40
50
60
Angolo di torsione / [°]
90
Regole pratiche per la sostituzione del metallo
plastica
Requisito principale: Resistenza
plastica

22
Requisito principale: Rigidità

Densità
Considerazioni generali per il metal replacement con limitato design space
Rigidità
metallo
Resistenza
plastica+GF
Regole pratiche per la sostituzione del metallo
plastica
Requisito principale: Resistenza
plastica

Requisito principale: Rigidità

Densità
Considerazioni generali per il metal replacement con limitato design space
Rigidità
metallo
Resistenza
plastica+GF
Considerazioni generali per il metal replacement con appropriato design space
Approccio generale
Requisiti più elevati
Dominante la Rigidità
Utilizzo di Polimeri da stampaggio con alto modulo elastico
Flessione
Torsione
Ibrido Metallo/Plastica
Ibrido Tepex®
Dominante la Resistenza
23
Ibrido Tepex®
Strutture leggere, basate su tecnologie e materiali innovativi
all'avanguardia
24
Tecnologia ibrida metallo/plastica
Tecnopolimeri ad alto modulo
Tecnologia ibrida con Tepex®
Tecnologia del carbonio

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