Automobili e Materiali

Automobili e Materiali
luglio 2010
Engineering & Design – Materials Engineering
Produzione auto nel mondo
Nel 2009 sono state prodotte circa 62 milioni di auto contro i 70 del 2008.
14
12
10
Milioni di vetture
•
8
6
4
2
0
2004
2005
2006
2007
YEAR
2008
2009
CHINA
JAPAN
GERMANY
FRANCE
ITALY
UK
SPAIN
USA
RUSSIA
BRAZIL
S. KOREA
2010
MEXICO
CANADA
Engineering & Design – Materials Engineering
•
La tendenza è quella di spostare la produzione nei paesi attualmente detti in via di
sviluppo…
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Come son fatte le auto?
Engineering & Design – Materials Engineering
CARROZZERIA - GENERALITA’
Engineering & Design – Materials Engineering
CARROZZERIA - GENERALITA’
Inoltre parlando di carrozzeria portante adottiamo le seguenti definizioni:
– Carrozzeria è il componente del veicolo che comprende tutta la struttura atta al
contenimento del carico (per intenderci tutto ciò che rimane nel veicolo
eliminando l’autotelaio di meccanica, il motore, il cambio e gli impianti elettrico,
alimentazione, aspirazione, raffreddamento e scarico);
– Scocca è la parte propriamente resistente della carrozzeria, ovvero ciò che
rimane di essa eliminando finizioni ed accessori;
– Autotelaio di carrozzeria è la parte bassa della carrozzeria destinata a sostenere
la maggior parte degli organi meccanici;
– Parti estetiche della scocca sono il rimanente della scocca eliminato l’autotelaio
di carrozzeria e tutte le parti mobili;
– Parti mobili della scocca, sono i componenti in lamiera che sono smontabili
senza distruzione di saldature, ovvero porte, coperchi, e talvolta i parafanghi;
– Finizioni sono tutte le parti della carrozzeria praticamente prive di funzione
strutturale, ma con funzione prevalentemente di comfort o di estetica (ad esempio
elementi di tappezzeria, sedili, rivestimenti interni delle porte, guarnizioni,
specchi, profilati estetici, ecc.);
– Accessori sono tutti i dispositivi che assolvono a funzioni specifiche, quali ad
esempio serrature porta, alzacristalli, condizionamento, ecc.
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SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
Engineering & Design – Materials Engineering
SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
La strada sollecita la scocca in modo casuale ovvero ogni ruota si troverà ad
affrontare nel caso più generale ostacoli di altezza differente (anche negativa!) in
momenti differenti.
La scocca è anche sollecitata dai carichi che essa contiene e che non sono
generalmente disposti in modo da essere simmetrici in valore e posizione.
Ecco il perché dell’enorme rilevanza del comportamento della scocca a torsione;
inoltre essendo la scocca sostanzialmente una gabbia rivestita di pannelli metallici
e vetrature, nella sua torsione si avrà cambiamento degli angoli che formano fra
loro le varie travi che compongono la gabbia, con deformazione dei vani che esse
individuano.
È facile comprendere come i moti relativi che vengono a crearsi fra elementi
deformati della scocca ed elementi indeformati, quali finizioni o parti mobili
comportino potenzialmente fastidiosi scricchiolii od usure; per questo motivo la
rigidezza torsionale e flessionale della scocca sono grandezze mai abbastanza
elevate.
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SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
Per definire i carichi insistenti sugli assali e per risalire poi da questi ai carichi sulla
carrozzeria:
-occorre conoscere la massa a vuoto del veicolo e posizionare su di esso tutte le
combinazioni di carichi possibili;
-occorre anche tenere conto degli accessori effettivamente imbarcati;
- nell’omologazione del veicolo devono essere dichiarati
-la massa complessiva a pieno carico,
-la massa massima sugli assali,
-la massa in ordine di marcia (con i rifornimenti)
-il numero massimo di sedili.
Normalmente i valori dichiarati sono unici per un accoppiamento motore
motopropulsore e non discriminano il numero di accessori effettivamente imbarcato.
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LA SCOCCA
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L’automobile
Descrizione funzionale
La Scocca è la struttura portante del veicolo.
Costituisce l’elemento di integrazione di tutti i sistemi
del veicolo (organi di sospensione, motopropulsione,
sterzo, elettrici etc) ed accoglie e protegge
conducente e passeggeri.
E’ composta basilarmente da un’ossatura di elementi
scatolati in lamiera stampata, uniti fra loro e ai
pannelli con saldature a punti od a tratti.
Si ripartisce in:
• parte alta di scocca (“Upperbody”):
è la parte maggiormente legata allo stile e quindi
risulta specifica per ogni modello.
• autotelaio di carrozzeria (“Pianale” o “Underbody”):
costituisce l’elemento di collegamento con gli organi
di sospensione e motopropulsione, ed essendo
meno legato allo stile è quello su cui si realizza il
maggior livello di carry-over e di sinergia tra modelli.
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RIGIDEZZA DELLA SCOCCA
APPOGGI
TRAVE APPOGGIO
SOSPENSIONI RIGIDE
ANTERIORI
TRAVE APPOGGIO
SOSPENSIONI RIGIDE
POSTERIORI
CERNIERE
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RIGIDEZZA DELLA SCOCCA
Le rigidezze della scocca vengono valutate mediante modelli matematici e
verificate sperimentalmente mediante una attrezzatura simile a quella in figura,
nella quale opportune strutture sollecitano la scocca negli stessi punti di attacco
delle sospensioni; nel caso della flessione la scocca è sollecitata in modo
concorde e vincolata nel suo baricentro; nel caso della torsione essa è vincolata
su un asse e sollecitata sull’altro mediante una coppia pura.
Si valutano normalmente le rigidezze, ovvero i rapporti fra forze e deformazioni e
le deformazioni delle diagonali dei vani porta e/o portelloni.
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RIGIDEZZA DELLA SCOCCA:
FLESSIONALE E TORSIONALE
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LA SCOCCA
La scocca è il guscio di lamiera saldata che integra le funzioni strutturali e di
contenimento del carico.
La figura sottolinea in colore arancione le parti della scocca con funzione
prevalentemente strutturale (ossatura) ed in colore grigio gli elementi di
rivestimento e completamento.
Occorre comunque sottolineare che anche gli elementi di rivestimento svolgono
un ruolo strutturale non trascurabile.
Tra le funzioni strutturali della scocca, occorre annoverare anche quella,
fondamentale, di protezione degli occupanti, nel caso in cui la vettura subisca urti
esterni.
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LA SCOCCA:
PROTEZIONE DEGLI OCCUPANTI
Per comprendere cosa si intenda per protezione occupanti riferiamoci
all’urto contro una barriera rigida a 60 km/h, una delle prove di
dimensionamento della scocca;
una vettura di 1000 kg di massa possiede a questa velocità un’energia
cinetica (1/2 mv2) di circa 140000 Nm, corrispondente a quella che la vettura
avrebbe al termine di una caduta libera da circa 14 metri di altezza!
Questa energia deve essere dissipata senza danneggiare gli occupanti;
questa energia cresce con il quadrato della velocità d’urto ed è facile
rendersi conto di come sia impossibile costruire un veicolo sicuro in questa
prova a qualsiasi velocità.
La carrozzeria è schematicamente composta di due parti: una parte anteriore
sacrificale ed una parte centrale di protezione.
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LA SCOCCA:
PROTEZIONE DEGLI OCCUPANTI
La parte anteriore accorciandosi dopo l’urto assorbe, dissipandola in forma di
deformazione plastica, tutta l’energia in gioco; la parte retrostante reagisce alle
forze trasmesse, senza significative deformazioni permanenti, e senza restringere
così lo spazio vitale dei passeggeri.
È ovvio come debbano esistere degli idonei organi di ritenuta degli occupanti, per
impedire il loro urto contro le pareti dell’abitacolo, comunque pericolose anche se
indeformate; le accelerazioni in gioco possono raggiungere anche 1000 m/s2.
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LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
La parte strutturale della scocca può essere considerata come un componente
unico, in quanto nessuna delle sue parti, normalmente collegate fra loro
mediante saldature, può essere smontata mediante operazioni semplici; le
denominazioni delle parti della scocca riflettono quindi la funzione che
svolgono o richiamano una certa zona di essa.
Gli elementi 1, 12, 6 vengono denominati montanti parabrezza, centrale e
posteriore, oppure A, B, C.
L’elemento 15 traversa paraurto anteriore; 4 e 9 sono le traverse pavimento
centrale e posteriore; esiste normalmente anche una traversa pavimento
anteriore, qui non visibile.
L’elemento 13 è il longherone laterale o brancardo; 3 il longherone del tetto;
l’insieme 3, 13, 14, 12, 11, 6, viene anche denominato anello porta.
18 rappresenta la traversa sottoparabrezza o curvano; 10 la traversa
sottolunotto e 7 la traversa paraurto posteriore.
Infine l’elemento 16 rappresenta il puntone anteriore.
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LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
SEZIONE
MONTANTE
CENTRALE
SEZIONE
MONTANTE
POSTERIORE
SEZIONE
LONGHERONE
LATERALE
SEZIONE
MONTANTE
ANTERIORE
Nelle figure sono mostrate delle sezioni che evidenziano in 12 la struttura del montante
centrale ed in 6 la struttura del montante posteriore.
Parimenti si nota la sezione del longherone laterale o brancardo e del pavimento 13; si
osservi come il longherone sia costituito di tre lamiere distinte saldate fra di loro e
come sul pavimento sia saldato un secondo elemento che viene a costituire un secondo
longherone centrale.
Parimenti il montante centrale è costituito anch’esso di tre lamiere saldate fra di loro.
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LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
Gli elementi di chiusura sono il tetto, il pavimento anteriore e posteriore, il
parafiamma o cruscotto ed i parafanghi posteriori.
Su questa vettura i parafanghi anteriori non sono rappresentati in quanto
smontabili, ovvero montati con viti; talvolta questa soluzione può essere
adottata anche per i parafanghi posteriori, sempre per facilità di riparazione dei
danni conseguenti agli urti.
Elementi di lamiera sottile saldati fra di loro costituiscono delle cavità
assimilabili a travi, che posseggono una resistenza elevata grazie alla loro
forma chiusa.
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L’automobile
Componenti principali
FIANCATA SX
PADIGLIONE
FIANCATA DX
PAVIMENTO
POSTERIORE
Vano ruota
di scorta
Passaruota
PAVIMENTO
CENTRALE
STRUTTURA
ANTERIORE
Pedana
Puntoncino
superiore
Puntone
Tunnel
Parete cruscotto
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L’automobile
Glossario
Longherone: elemento strutturale longitudinale.
Traversa: elemento strutturale trasversale.
“Brancardo”: longherone sottoporta.
Vasca “presa aria”: vasca dei servizi in corrispondenza della traversa sottoluce ove si trovano il motorino
ed i leveraggi del tergicristallo.
“Curvano”: traversa sottoparabrezza
“Parafiamma”: è la parete cruscotto, lamiera che isola l’abitacolo dal vano motore
Tunnel: elemento centrale del pavimento del veicolo che si connette anteriormente alla parete cruscotto e
posteriormente al pavimento posteriore. Assolve un’importante funzione strutturale e di collegamento.
“Coccodrillo” : elemento fissato internamente al Tunnel al quale vengono collegati i comandi del cambio
del freno a mano e della tubazione di scarico. Non più utilizzato sulle nuove vetture.
“Borlotto”: arco passaruota sulla fiancata parafango, individuabile dal motivo di piegatura.
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L’automobile
Tipologie della parte alta della scocca
Fiancata
Integrale ( 3, 5 porte)
Scomposta (Fam.: 2 vol., 3 vol., SW; più Marchi)
Quadro parabrezza
preassemblato
scomposto
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L’automobile
Tipologie di Pianali
Passaruota posteriore
Puntoni anteriori
* Architettura più
efficiente
in urto frontale ad
alta velocità
a pianale
alti
bassi *
su fiancata
E LAIO
43
Paratia retroschienale
fissa
solo cappelliera strutturale
assente
ELAIO
43
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L’automobile
I parametri prestazionali
Le principali prestazioni che guidano la progettazione della scocca sono:
• Assorbimento dell’energia e protezione dell’occupante in caso di urto.
• La struttura anteriore del veicolo è realizzata secondo un concetto di deformazione
programmata ed appositamente studiata per assorbire l’energia negli urti frontali ad alta
velocità, mentre l’abitacolo costituisce una cellula, a defomabilità controllata, a protezione
dell’occupante.
Analogamente viene studiato il comportamento della scocca agli urti laterali e posteriori.
• Rigidezza torsionale/flessionale e prime frequenze proprie di scocca.
Legate alla dinamica del veicolo (es. handling) contribuiscono alla sensazione di solidità e
compattezza del veicolo.
• Funzioni di trasferimento acustico/vibrazionali e trasparenza acustica delle pareti:
legata alla percezione delle vibrazioni e del rumore.
• Rigidezze statiche e dinamiche locali:
valutate su tutti i punti di fissaggio dei principali organi collegati a scocca.
• Durata a fatica: testata con opportune prove affaticanti su banco e su strada.
• Protezione dalla corrosione: ottenuta attraverso la zincatura delle lamiere, cataforesi,
trattamento con olio ceroso e verniciatura.
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L’automobile
LE PARTI MOBILI
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L’automobile
Descrizione funzionale
•Le parti mobili raggruppano i componenti e sistemi delle porte, portelloni, cofani,
sportelli baule, cristalli.
•Alle parti mobili è affidato il compito di garantire:
–Accessibilità
–Visibilità
–Tenuta aria e acqua dei vani
•I componenti e sistemi delle parti mobili partecipano all’estetica veicolo e al confort
cliente (acustico, climatico, tattile,…).
•Inoltre i componenti delle parti mobili contribuiscono al raggiungimento degli
obiettivi di sicurezza (urti, anti-effrazione,…).
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L’automobile
Componenti perimetro parti mobili
1 - LAMIERATI
• Struttura porta / portellone / cofano / sportello
baule / pls
•Traverse anti-intrusione
2 - DISPOSITIVI APERTURA / CHIUSURA
• Serrature porte / portellone / cofani
• Maniglie interne ed esterne
• Portablocchetti
• Tiranteria rigida e bowden collegamento
• Cerniere
• Tiranti porta
• Molle a gas per portellone / cofano
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I Materiali
Situazione attuale
•
Negli ultimi 30 anni il mix di materiali per i veicoli ad elevati volumi
produttivi non ha subito significative variazioni.
100%
OTHERS
90%
PLASTIC
80%
PAINT
70%
ELASTOMER
ASTOMER
GLASS
60%
50%
40%
METALLICS
30%
20%
10%
0%
'70 YEARS
luglio 2007
'80 YEARS
'90 YEARS
Engineering & Design – Materials Engineering
20
10
altri metalli (Zn, Mg, etc)
alluminio
ghisa
lunghi acciaio
30
altri materiali (plastica, legno vetro, etc)
0
laminati acciaio
Mt
• In termini di tonn/year (anno 2008):
50
40
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
•
I metalli rimangono la maggiore applicazione (> 70%);
•
Interessante è stata ultimamente l’evoluzione delle lamiere metalliche
verso formulazioni capaci di garantire una riduzione dei pesi : ad
esempio gli High Strength steels.
•
Nell’ ambito dei materiali metallici l’acciaio rimane ancora il più
utilizzato (75%), grazie al favorevole rapporto costi/prestazioni;
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
•
Lenta ma costante è stata, negli ultimi 20 anni, la crescita dei polimeri,
ma si prevede che non vada oltre gli attuali valori.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
I metalli rimangono la maggiore applicazione (> 70%)
100%
90%
100%
90%
60%
MAGNESIUM
70%
ALUMINUM
60%
50%
50%
40%
30%
CAST IRON
FORGED-BARS STEEL
40%
20%
10%
30%
0%
STEEL SHEETS
'70 YEARS
'80 YEARS
'90 YEARS
Nell’ ambito dei materiali
metallici l’acciaio rimane
ancora il più utilizzato (75%),
grazie al favorevole rapporto
costi/prestazioni.
luglio 2007
ZINC
80%
80%
70%
OTHERS
20%
10%
0%
2000 YEARS: METALLICS IN THE FIAT’s CARS
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
•
Le principali linee guida per Fiat nella scelta e sviluppo dei materiali
metallici sono:
- Riduzione del peso
- Miglioramento delle prestazioni (crash)
- Corrosione
- Ecologia
- Contenimento dei costi
•
Riduzione del peso: Fiat si sta focalizzando sullo sviluppo di nuove lamiere
in acciaio, Acciai alto resistenziali (HSS) and Acciai Ultra Resistenziali
(UHSS), che consentono significative riduzioni in peso. Fiat intende inoltre
incrementare l’impiego di alluminio e magnesio
•
Corrosione: a partire dagli anni ‘80 Fiat ha introdotto sempre più lamiere
zincate. Ciò permette di evitare i problemi di corrosione, incrementando la
soddisfazione cliente. Attualmente la Fiat Stilo sta usando il 100% di
lamiere zincate
•
Ecologia: Fiat è sempre stata sensibile agli impatti ambientali delle fasi di
produzione, uso e fine vita. Nel 2000 la Direttiva 2000/53/CE ha introdotto
vincoli stringenti per le fasi di progettazione e fine vita del veicolo
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Perchè alleggerire
Il protocollo di Kyoto:
•
L’accordo di Kyoto prevede che i principali Paesi Industrializzati riducano
mediamente le emissioni di gas serra del 5,2% nel periodo 2008-2012
rispetto al livello del 1990
•
L’ UE ha ratificato il protocollo di Kyoto e deve raggiungere una riduzione
nelle emissioni di gas serra del 8%
•
Sono state poi definite le quote di riduzione che competono a ciascun
Stato Membro
•
Gli obiettivi del Protocollo di Kyoto appaiono oggi ancora più difficili da
raggiungere a seguito dell’aumento delle emissioni di CO2 registrate in
questi anni.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
ATTIVITA’
UMANE
4,5%
COMBUSTIBILI
FOSSILI
77,7%
TRASPORTI
24,8%
ALTRO
75,2%
TRASPORTI
SU STRADA
77%
VETTURE
72%
ALTRO 23%
AUTOCARRI
E ALTRO 28%
DEFORESTAZIONE
22,3%
FONTI
NATURALI
95,5%
LE EMISSIONI DI CO2 DELLE VETTURE
RAPPRESENTANO:
• 0,5% DELLE EMISSIONI TOTALI;
• 10% DELLE EMISSIONI DA ATTIVITA’
ATTIVITA’ UMANE
TOTALE
EMISSIONI CO2
luglio 2007
ATTIVITA’
UMANE
COMBUSTIBILI
FOSSILI
TRASPORTI
TRASPORTI
SU STRADA
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Contesto legislativo
•
A livello UE, NON esiste una legislazione che definisca limiti di emissione di
CO2 per le autovetture
•
Esiste solo una direttiva relativa alla metodologia di misurazione consumi –
CO2 (omologazione – obbligo informazione al pubblico)
Accordo Volontario (1998)
•
Accordo volontario Commissione-ACEA: Impegno dei costruttori a
raggiungere entro il 2008 un obiettivo di 140 g CO2/km come media delle
nuove vetture immatricolate dalle aziende Europee nel loro insieme.
•
Nel 2004 analisi dei risultati finora ottenuti (prospettive per il conseguimento
dell’obiettivo 2008) e verifica potenzialità ulteriori riduzioni verso obiettivo 120
g/km entro 2012.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Main topics for car manufacturers:
- Reduction of fuel consumption
- Crash resistance increase
- Environmental aspects
- Costs
Automotive industry
answers:
Cleaner fuels increase such as
diesel, methane, LPG
Increase of electric cars
Vehicle weight reduction
through the introduction of
lighter materials
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Comunicazione della Commissione Europea
sulla fiscalita’ dell’auto (CO2)
•
La Commissione Europea ha pubblicato nel settembre 2002 una Comunicazione
relativa alla tassazione delle autovetture, mirata a:
– una graduale abolizione delle tasse di immatricolazione
– introduzione di criteri connessi alla CO2 nel calcolo della tassazione auto (in
particolare tassa di circolazione e company car)
•
La mancanza di una direttiva che fissi degli standard di riferimento a livello
comunitario crea di fatto le condizioni per interventi diversificati nei diversi Stati
Membri.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
GREENHOUSE
REFERENCES:
S. LAZZARI (Centro Ricerche Fiat) - G. FOGLIA (Fiat Auto),
Life Cycle Management of a Vehicle Component or Sub-System,
Cannes 2005
250
ENERGY
3500
3000
200
2500
150
2000
1500
100
St re-
MJ
kg CO2 eq
St NP
1000
St NP
Al re-
500
50
St re-
Usi 1,3 reAl re-
0
Usi 1,5 re-
PRODUCTION
0
USE
EOL
TOTAL
-500
PRODUCTION
USE
EOL
TOTAL
Usi 1,3 reUsi 1,5 re-
-1000
-50
Optimised Steel based solutions appear more environmentally-friendly and
cheaper than aluminum ones, thanks to:
•
•
•
the lower environmental impacts recorded all along the bonnets’ life
cycle
the higher environmental credits for steel prompt and obsolete scraps
the well-established recycling routes for steel-base3d components,
compared to aluminum.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Materials Strategy
•
Reduction of fuel consumption
weight reduction
•
Environmental aspects
lightweight vehicles
•
Crash resistance increase
introduction of more
performing materials
•
Costs
low cost materials
Weight reduction through extensive introduction of
HSS-UHSS
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
The steel sheets used by Fiat are the same of the others European cars
manufacturers
LEGENDA
Low
High
Ultra High
90
Strength
Steels
Strength
Steels
Strength
Steels
IF – Interstitial free
LC – Low Carbon
80
70
HSLA – High Strength Low Alloyed
60
DP – Dual Phase Steel
FB – Ferritic Bainitic
50
TRIP – Trip Steel
IF
40
MP – Multi Phase Steel
LC
Elongation (%)
BH – Bake Hardening
MS – Martensitic
BH
30
HS L
20
A
DP &
T RI P
FB
MP
MS
10
0
200
400
600
800
1000
1200
Yield Strength (MPa)
- traditional: (deep drawing steel)
- high strength steel-HSS: (bake-hardening, rephosphorized and HSLA)
- ultra high strength steel-UHSS: (Dual Phase, Ferritic-Bainitic, Trip)
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
The introduction of HSS-UHSS steels requires Laboratory tests to determine
the rheological datas for crash and stamping simulations:
900
PAM-CRASH 1
DYNAMIC
Strain
rate
ARCELOR FB590
800
700
TRUE STRESS
600
PAM-CRASH 2
500
V=0,008 s-1
V=0,34 s-1
V=0,96 s-1
400
V=4,95 s-1
V=9,6 s-1
• Static test
300
V=32,3 s-1
PAM-CRASH 3
V=193 s-1
• 1 - 5 s^-1
• 10 - 50 s^-1
• 100 - 500 s^-1
200
100
V=573 s-1
V=1014 s-1
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
TRUE PLASTIC STRAIN
0,1
0,12
PAM-CRASH 4
PAM-CRASH 5
FIAT real case
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
UHSS
17%
LOW CARBON
33%
With this new model
a new generation period starts
HSS
50%
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
BIW 939 (whit closures)
UHSS
9%
LOW
CARBON
36%
HSS
55%
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
The introduction of
HSS-UHSS steels
requires Laboratory
tests to determine the
rheological datas for
crash and stamping
simulations:
AUTOFORM 1
AUTOFORM 2
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
The introduction of HSS-UHSS steels requires also different process
evaluations:
- 34 %
- thickness variations
+ 8.4 %
Thickness variation
- 20 %
+ 10%
+ 6.2 %
+7%
drawing – 50 mm
drawing – 20 mm
drawing– 5 mm
- drawing cycles
Complete drawing
THEORICAL TOOL
- spingback effects
FALSE TOOL
FALSE TOOL
THEORICAL
TOOL
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
The introduction of HSS-UHSS steels requires different process evaluations:
• Weldability
• Fatigue resistance
PROJECT FATIGUE RESISTANCE (MPa)
600
500
400
BASE MATERIAL
300
SPOT WELD
200
luglio 2007
TRIP800
FE600DP (3)
FE600DP (2)
FE600DP (1)
FE450FB
FEE355
FEP13
FEP04
0
FEE220BH
100
For each material the major
welding processes are
evaluated (spot welding, arc
welding, MIG Brazing, laser
welding)
and….
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I Materiali
• Paintability
Corrosion
Resistance
Test:
SALT
SPRAY
500 h
luglio 2007
Phosphatability
Test
Corrosion
Resistance
Test:
SCAB
in DOOR
40 gg
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
An example of how these steels has been introduced by Fiat Auto on the
different evolutions of the same model.
ANNI '80 (FIAT UNO)
Eighties
HSS
6%
ANNI '90 (FIAT PUNTO-176)
Nineties
UHSS
0%
HSS
10%
LOW CARBON
94%
LOW CARBON
90%
ANNI 2000 - 2005 (FIAT PUNTO-188)
2000-2005
HSS
22%
UHSS
4%
2005 ed oltre
(FIAT NUOVA PUNTO-199)
beside2005
UHSS
17%
LOW CARBON
74%
luglio 2007
UHSS
0%
LOW CARBON
33%
HSS
50%
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
High Strength Steel and Ultra High Strength Steels usage in latest Fiat Auto
models
DP 450-600-1000
Trip 800
BH220
FEE270-FEE340
Low Carbon
Fiat Nuova PANDA
(M.Y. 2003)
Fiat 199 (M.Y. 2005)
LC
33%
LC
48%
HS + UHS
52%
luglio 2007
HS + UHS
67%
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
5 doors BODY
Kg. 274
HIGH
STRENGHT
STEEL
15%
5 doors BODY
Kg. 353
BAKE
ULTRA
HARDENING
HSS
6%
3%
BAKE
HARDENING
5%
LOW
CARBON
76 %
GRANDE PUNTO
with
PUNTO
sharing of materials
luglio 2007
BAKE
HARDENING
5%
ULTRA
HSS
3%
ULTRA HSS
17%
LOW CARBON
33%
HIGH
STRENGHT
STEEL
45%
HIGH
STRENGHT
STEEL
29%
Kg. 393
LOW
CARBON
63%
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
90
Low
Strength
Steels
High
Strength
Steels
IF – Interstitial free
LC – Low Carbon
1
80
BH – Bake Hardening
70
HSLA – High Strength Low Alloyed
2
DP – Dual Phase Steel
60
FB – Ferritic Bainitic
50
TRIP – Trip Steel
IF
40
MP – Multi Phase Steel
LC
Elongation (%)
LEGENDA
Ultra High
Strength
Steels
MS – Martensitic
BH
30
HSL
20
A
DP &
TRIP
3
FB
MP
MS
10
0
200
400
600
800
1000
1200
Yield Strength (MPa)
Fiat works with the most important steel manufacturers in order to develop more
sophisticated steels and to introduce the latest developments in its model
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Rs
(MPa)
G: S
N
I
M
EL
R
E
ST
FO
LD ITIC
O
C
EN
T
S
AU
R
(MPa)
A80
1
NO
70
I
IC
IT
N
TE
US
*A
60
50
AUMENTO RITORNO
ELASTICO
IF
LC
Allungamento (%)
RO’
BOILITATICO
AL AB LAS
AI RM O E
CI X FOORN
AC MA RIT
80
DIMINUZIONE FORMABILITA’
BH
30
HSL
A
20
DP &
T RIP
FB
MP
MS
10
0
1134
(%)
50
r
0,70
n
0,41
Rs/R
0,51
Austenitic steels are a typical
90
40
579
200
400
600
800
1000
1200
1400
example of cooperation between Fiat
Auto and some steel suppliers.
The steel manufacturer is
industrializing the material and Fiat
Auto is testing it in terms of
metallurgy, weldability, paintability,
corrosion resistance.
Carico di Snervamento (MPa)
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Hot formed steels have the highest
mechanical characteristics (R=1500MPa,
Rs=1200MPa), but without the typical cold
forging problems, such as formability or
spring-back.
HO
T
BO
R
FO
RM
O
N
ST ING
:
EE
LS
90
NO
70
I
IC
IT
N
TE
US
*A
60
50
AUMENTO RITORNO
ELASTICO
IF
40
2
LC
Allungamento (%)
RO’
BOILITATICO
AL AB LAS
AI RM O E
CI X FOORN
AC MA RIT
80
DIMINUZIONE FORMABILITA’
BH
30
HSL
A
20
DP &
T RIP
FB
MP
MS
10
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Carico di Snervamento (MPa)
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
•
Design (FIAT):
Simple shapes
3
•
Technologies (FIAT/PART SUPPLIER):
Process (bending, rolling, profiling)
•
STEELMAKERS:
Galvanized Sheets for Cold forming
process with Rm > 1200 MPa and
higher
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Application : cross member
Model : new Fiat Ducato
Material : FE1000 DP th.1,50
Subctr : EMARC
rear
front
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Application : impact door beam
Material : FE 800 DP
Model : Fiat IDEA
Subctr : FRIGOSTAMP
Based on this project, impact door
beams for ALFA ROMEO 159 model 3
and 5 doors and CROMA have been
produced successfully.
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Application : impact door beam
Material : FE1000 DP
luglio 2007
Model : Fiat GRANDE PUNTO
Subctr : FRIGOSTAMP
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I Materiali
Application : doors reinforcement
Model : Fiat GRANDE PUNTO
Material : FE1000DP ELZ
Subctr : WAGON Automotive
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
Component : B-Pillar reinforcement
Material project ……… TRIP 800 ELZ
supplier : only 1
Material replacement ... FE 800DP ELZ
supplier : more then 1
Consumption …………. 700 tons. / year
Study reasons ………. cost reduction ( more suppliers )
………. weldability improvement
luglio 2007
Engineering & Design – Materials Engineering
I Materiali
RIDUZIONE CONSUMI
FORME SEMPLICI
TECNOLOGIE A BASSO
COSTO:
RIDUZIONE SPESSORI
- STAMPAGGIO A FREDDO
(modesta entità)
- RULLATURA
AUMENTO RESISTENZA
- PROFILATURA
RIDUZIONE FORMABILITA’
90
Low
Strength
Steels
High
Strength
Steels
FORME COMPLESSE
LEGENDA
Ultra High
Strength
Steels
TECNOLOGIE AD ALTO
COSTO:
- STAMPAGGIO A
IF – Interstitial free
CALDO
LC – Low Carbon
80
HSLA – High Strength Low Alloyed
60
DP – Dual Phase Steel
TRIP – Trip Steel
MS – Martensitic
BH
30
HSL
A
20
TECNOLOGIE A BASSO
COSTO:
MP – Multi Phase Steel
LC
40
DP &
TRIP
- STAMPAGGIO A FREDDO
FB
MP
(anche di profonda entità)
MS
10
0
CON MATERIALI SPECIALI:
FB – Ferritic Bainitic
50
IF
Elongation (%)
BH – Bake Hardening
70
200
400
600
Yield Strength (MPa)
luglio 2007
800
1000
1200
- RULLATURA
- PROFILATURA
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I Materiali
Progetto VSheets
Caratterizzazione delle lamiere orientata all’ applicazione in VProject
Descrizione
La caratterizzazione statica delle lamiere necessaria per la progettazione
tradizionale non è più sufficiente nella progettazione virtuale delle vetture
in ottica crash.
Occorre la caratterizzazione dinamica delle lamiere da inserire nei SW
dedicati.
• Static test
Benefici ed impatto
Ottimizzazione dell’utilizzo dei nuovi materiali ad elevate prestazioni in ottica riduzione pesi
Miglior supporto alla Funzione nella scelta delle soluzioni progettuali più idonee al raggiungimento degli obiettivi prefissati
luglio 2007
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I Materiali
luglio 2007
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I Materiali
luglio 2007
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I Materiali
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