Un approccio circolare alla progettazione di veicoli elettrici leggeri
I materiali compositi a base di polimeri e i componenti ibridi metallo/composito vengono da tempo studiati con l’obiettivo di ridurre il peso dei veicoli nel settore automobilistico. Nonostante i notevoli progressi compiuti negli ultimi due decenni, la loro adozione sul mercato per la realizzazione degli elementi strutturali si limita perlopiù ai veicoli di fascia alta e di basso volume, con poche eccezioni. Tra i principali ostacoli vi sono gli elevati costi associati ai materiali e al processo di fabbricazione, la lentezza dei ritmi di produzione e le preoccupazioni a livello di affidabilità e solidità che li riguardano.
Adottare un approccio circolare
Il progetto LEVIS, finanziato dall’UE, ha permesso di compiere significativi progressi in queste aree incentivando lo sviluppo della tecnologia e promuovendo la sostenibilità nel settore automobilistico. I suoi sforzi si sono concentrati sul miglioramento delle soluzioni esistenti, sullo sviluppo di nuove e sulla loro preparazione per una perfetta implementazione industriale. L’attenzione si è concentrata sull’aumento dell’impiego di materiali a base biologica, riciclabili e riciclati, nonché sulla creazione di nuovi approcci per la gestione dei prodotti giunti alla fine del loro ciclo vitale. Inoltre, LEVIS ha sviluppato strumenti e metodologie volti ad integrare le pratiche di eco-progettazione e ha condotto analisi ambientali e dei costi durante l’intero ciclo di vita. «Abbiamo compiuto notevoli progressi in ambito di materiali e processi produttivi sostenibili. LEVIS ha sviluppato materiali e componenti riciclabili mediante l’impiego di fibre di carbonio di origine biologica riciclate e adottando un approccio di progettazione circolare volto a prolungare la vita utile dei componenti strutturali, consentendo al contempo di effettuare uno smontaggio efficiente dei materiali per il loro recupero», osserva José Ramón Valdés, che ha rivestito il ruolo di coordinatore del progetto.
Metodi migliorati per incrementare la portata della produzione
Il team del progetto ha utilizzato metodi di produzione innovativi per fabbricare e convalidare quattro componenti dimostrativi, ovvero un braccio di controllo delle sospensioni, un pacco batteria, un alloggiamento per la batteria con barra collettrice integrata e una traversa per automobile dotata di un supporto per il piantone dello sterzo, soluzioni che hanno permesso di ottenere una riduzione del peso totale di circa il 30% in tutti i casi. I processi produttivi dimostrativi sono stati portati con successo su scala industriale e gli sforzi si sono incentrati sull’ottimizzazione dei parametri per lo stampaggio a trasferimento di resina, lo stampaggio a iniezione, la pressatura e la pultrusione. Inoltre, il progetto ha analizzato e ottimizzato le configurazioni dei giunti in alluminio-composito per gli assi interni e laterali della cassetta della batteria, nonché per il giunto in acciaio-composito che collega il gruppo portante del piantone dello sterzo alla traversa del veicolo.
Algoritmi avanzati per migliorare la previsione dell’integrità strutturale e della durata di vita
A livello teorico, LEVIS ha dimostrato flussi di lavoro di simulazione avanzati al fine di migliorare l’integrità strutturale e prevedere la durata dei componenti, tra cui modelli multiscala che mettono in connessione i processi, la struttura dei materiali e le loro proprietà, nonché un modello di fatica che valuta questo fenomeno a seconda di una degradazione della rigidità basata sul danno alla matrice. I ricercatori hanno sviluppato le metodologie di simulazione dei processi per lo stampaggio a trasferimento di resina termoplastica, incrementando la comprensione delle relazioni esistenti tra i parametri di processo, le prestazioni strutturali e le proprietà dei materiali. I modelli di micro-meccanica hanno permesso di calcolare le proprietà meccaniche e termiche omogenee dei materiali compositi, fornendo un contributo fondamentale per le simulazioni a livello di componente; inoltre, sono stati convalidati vari algoritmi di monitoraggio della salute strutturale per il rilevamento delle modalità di guasto.
I benefici apportati in cifre
Il progetto ha impiegato appropriate strategie per gestire la fine del ciclo vitale al fine di consentire il disassemblaggio, il riciclaggio e il riutilizzo di nuovi componenti automobilistici. La tecnologia di smontaggio su richiesta per la separazione di strutture multimateriale, basata sull’impiego di particelle espanse termicamente che migliorano l’efficienza e riducono il consumo energetico del processo di separazione, ha dimostrato un’efficacia del 98%, mentre l’ottimizzazione del recupero per pirolisi a bassa temperatura ha permesso di ridurre la perdita di peso del materiale ad appena il 3% e di mantenere l’85% della resistenza alla trazione della plastica rinforzata con fibre di carbonio che viene recuperata. La valutazione del ciclo di vita ha messo in mostra che l’impatto esercitato dai veicoli elettrici sui cambiamenti climatici potrebbe essere ridotto nella maggior parte dei casi, in particolare di oltre il 25% per i componenti del pacco batterie, mentre l’analisi dei costi associati all’intero ciclo di vita ha rivelato che tutte e tre le dimostrazioni hanno abbassato i costi rispetto ai parametri di riferimento: nello specifico, due di esse hanno raggiunto l’obiettivo del progetto di conseguire una diminuzione del 20%. «Gli studi sulla riduzione del peso hanno stimato una riduzione del 31% per quello della carrozzeria grezza e un abbassamento del 5,46% per quanto concerne il potenziale di riscaldamento globale», sottolinea Ramón Valdés, che conclude: «Il tasso di consumo energetico è stato migliorato del 5,46%, consentendo di ridurre di 9 kg il peso del motore e di 16 kg quello delle celle della batteria e migliorando in tal modo le prestazioni complessive del veicolo e la sua efficienza energetica.»
Parole chiave
LEVIS, veicolo elettrico, approccio circolare, leggero, riciclabile, plastica rinforzata con fibre di carbonio
