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Automotive insights 5 punti salienti dell'IABC 2019 USA
Docol® - L'acciaio per l'industria automobilistica

5 punti salienti dell'IABC 2019 USA

I concetti fondamentali emersi all'International Automotive Body Congress (Detroit IABC 2019)

1) I concetti per l'alloggiamento della batteria dominano l'agenda IABC
2) Il progetto di batterie EV più grandi e materiali meno costosi
3) I materiali misti sono ormai imprescindibili
4) Parità di prezzo entro il 2024: BEV e ICE
5) Profilatura 3D e stampa 3D per profili innovativi

Scocca nuda per la Chevrolet Corvette 2020
Scocca nuda per la Chevrolet Corvette 2020

I concetti per l'alloggiamento della batteria dominano l'agenda IABC 

L'argomento principale al Congresso IABC USA 2019 sono stati indubbiamente gli alloggiamenti delle batterie per BEV. Per soddisfare l'esigenza di una maggiore autonomia dei BEV, le celle delle batterie stanno incrementando il loro peso (peso/kg) e presentano una maggiore densità energetica (peso/litro). Per svariati motivi, per gli OEM ora è vantaggioso aggiungere più celle/moduli di batteria ai loro BEV.

Tuttavia, per proteggere in modo sicuro le celle da qualsiasi intrusione in caso di incidente, l'incremento in termini di dimensioni e peso delle batterie richiede una maggiore inventiva nella progettazione della scocca nuda. Particolarmente impegnativo per le batterie BEV è il test di impatto laterale contro il palo.

Fortunatamente per i progettisti, anche gli alloggiamenti delle batterie sono multifunzionali: se combinati con il resto della struttura del pavimento della scocca nuda, incrementano la rigidezza e la rigidità torsionale di oltre il 30% rispetto agli ICE (fonte: Caresoft Global Inc.).

Sono stati presentati numerosi concetti di alloggiamenti per batterie, tra cui il Docol EV Design Concept, con le sue travi profilate 3D che consentono un risparmio in termini di altezza.

 

Il progetto di batterie EV più grandi e materiali meno costosi

Secondo Don Malen, Università del Michigan e Bloomberg New Energy Finance, dopo il 2020 l'alleggerimento della struttura con alluminio diventerà più costoso dell'aggiunta di altri moduli di batteria. I consumatori vogliono sicuramente batterie più grandi per ottenere una maggiore autonomia e mitigare l'"ansia da autonomia".

Le batterie di grandi dimensioni richiedono scocche nude che utilizzano acciai ultra-altoresistenziali (UHSS) per assorbire la maggiore energia derivante dall'incremento della massa del veicolo.

Gli alloggiamenti delle batterie in alluminio presentano già uno svantaggio in termini di costi rispetto agli alloggiamenti in acciaio AHSS e UHSS. Improvalue mostra un vantaggio attuale di $ 88-$ 110 per veicolo a favore di un alloggiamento della batteria in acciaio AHSS/UHSS rispetto a uno in alluminio. (Ipotesi: impianto ideale, 200.000 veicoli/anno; 5 anni di produzione; prendendo in considerazione i costi dei materiali, i processi di formatura, l'assemblaggio e l'e-coating.)

I relatori intervenuti all'IABC hanno osservato che in futuro, con l'aumento delle dimensioni degli alloggiamenti delle batterie EV e la crescente innovatività dei progettisti in termini di soluzioni in AHSS/UHSS, questa differenza di prezzo aumenterà. Il loro consiglio: non limitatevi a trasporre su acciaio la struttura dell'alloggiamento in alluminio. Sfruttate invece i vantaggi specifici degli acciai AHSS per nuovi progetti che utilizzano i vostri processi di produzione esistenti, e valutate alcuni nuovi processi di formatura dell'acciaio, come la profilatura 3D.

Anche con batterie EV più grandi, più potenti — e più pesanti — l'alleggerimento della struttura sarà comunque cruciale. In primo luogo, gli OEM vorranno compensare parzialmente il peso aggiuntivo derivante dall'incremento dimensionale delle batterie. Dal punto di vista economico (e ambientale), l'alleggerimento della struttura mediante acciai AHSS/UHSS è decisamente più sensato rispetto all'alluminio ad alto contenuto di gas serra e al CRFG. Auspicabilmente, tra qualche anno inizieremo a vedere accumulatori allo stato solido dalla densità energetica più elevata: saranno più leggeri delle batterie agli ioni di litio, ma probabilmente anche più costosi, quindi, per il prossimo futuro, i progettisti preferiranno continuare con gli economici AHSS/UHSS.

 

I materiali misti sono ormai imprescindibili

Alcuni modelli di autovetture di fascia superiore (come le Tesla X, S e 3, la BMW i3 e la Jaguar I-Pace) fanno attualmente uso di quantitativi elevati di alluminio nelle loro scocche nude, mentre modelli più attenti ai costi (Renault Zoe, Nissan Leaf, Chevy Bolt) adottano un approccio basato sull'utilizzo di materiali misti, con elevata percentuale di acciaio.

Benché alcune vetture di fascia superiore probabilmente continueranno a utilizzare grandi quantitativi di alluminio nelle loro scocche nude, il futuro appare andare nella direzione opposta: il mix di materiali nelle macchine sembra in aumento, con materiali specifici che risolvono specifiche sfide di ottimizzazione.

Ad esempio, l'elenco dei materiali per la nuovissima piattaforma relativa alla scocca nuda del Ford Explorer 2020 è molto interessante:
acciaio dolce 24,2%
acciaio altoresistenziale 21,4%
acciaio altoresistenziale avanzato 13,1%
acciaio ultra-alto resistenziale 9,2%
acciaio indurito sotto pressa 25,2%
alluminio stampato 0,1%
alluminio estruso 3,7%
alluminio pressofuso 2,1%
magnesio pressofuso 0,5%

Ford ha presentato il suo approccio di ottimizzazione della topologia della scocca nuda, inclusa la sua analisi topologica della "interpretazione della struttura ossea" per il percorso di carico principale, percorso di carico superiore, barre di tensione e barre di compressione. La sua struttura di back-up "bionica" nella Ford Escape/Kuga 2020 si traduce nella trasformazione dei carichi da impatto in tensione e compressione, con una flessione minima.

Per l'Escape/Kuga 2020, i componenti chiave — tra cui la struttura anteriore, i montanti, la struttura di supporto del tetto e la struttura posteriore inferiore — sono stati progettati individualmente per ogni mercato regionale importante. Anche se questi componenti sono stati appositamente adattati per soddisfare i requisiti di prestazione a livello regionale, come gruppo hanno tutti raggiunto un'efficienza di massa ottimale.

L'Escape/Kuga 2020 è un veicolo più leggero rispetto ai suoi predecessori. La sua struttura:

  • È più leggero di 90 kg, con una scocca nuda più leggera di 5 kg, grazie alle applicazioni di acciaio AHSS e UHSS.
  • Fornisce un VOP (Vehicle Occupant Package) migliore, con una maggiore capacità di carico, attraverso una sezione efficiente e una progettazione congiunta.
  • Presenta una flessione statica dei veicoli HEV migliorata del 12% e prestazioni di torsione del 10% migliori rispetto al modello uscente.
  • Ha mantenuto la sua economicità utilizzando nella scocca nuda acciai AHSS e UHSS di spessore sottile.

 

Parità di prezzo entro il 2024: BEV e ICE

Entro il 2024 — e senza crediti d'imposta governativi — i BEV raggiungeranno la parità di prezzo con gli ICE in tutti i tipi e classi di modelli grazie al calo dei costi delle batterie agli ioni di litio. Il grande cambiamento che i potenziali acquirenti di veicoli elettrici stanno aspettando è alle porte: veicoli elettrici più economici, con un'autonomia più lunga e tariffe elettriche sostenibili

  • La parità tra ICE e BEV è già avvenuta su alcune auto di fascia media (ad es. la Tesla Modello 3 del 2019 a $ 36.600 - $ 61.100 rispetto alla BMW 330i xDrive del 2019 a $ 41.245 - $ 61.945).
  • I prezzi dei pacchi batterie saranno di $ 94/kWh entro il 2024 e $ 62/kWh entro il 2030 (Bloomberg NEF).
  • L'Europa richiede l'equivalente di 92 mpg entro il 2030.
  • In molte località, l'energia fotovoltaica presenta un costo uguale o inferiore a quello dell'elettricità generata dal gas naturale.
  • Sono imminenti importanti investimenti nell'elettrificazione delle infrastrutture (ad esempio, stazioni di ricarica, ricarica incorporata su strade e parcheggi, ecc.). Gli Stati Uniti stanno giocando a rimpiattino: hanno 60.000 stazioni di ricarica per i veicoli elettrici, mentre la Cina (dove i veicoli elettrici sono obbligatori per legge) ne ha 900.000.

 

Osservando la situazione da un altro punto di vista, entro il 2022 le batterie scenderanno a circa 100 dollari al kWh, rendendo più comuni i BEV con un'autonomia di 380+ miglia (610+ km) a un prezzo interessante.

 

Profilatura 3D e stampa 3D per profili innovativi

Il Ford Explorer 2020 è rappresentativo della tecnologia di curvatura 3D di Shape Corporation, che consente una curvatura su più piani e in più direzioni, in linea con il processo di profilatura. Le velocità di avanzamento sono determinate dalla velocità di avanzamento minima per la saldatrice a induzione della linea. In un unico processo di profilatura 3D, l'acciaio martensitico viene formato su misura in tubi strutturali sezionali con curve tridimensionali e un profilo chiuso ottimizzato per l'Explorer 2020.

La tecnologia di curvatura 3D di Shape è in grado di realizzare curve molto strette, ad es. R 400 mm, e per consentire alla piegatrice di modificare i raggi di curvatura, richiede una zona di transizione minima di 100 mm. La piegatura è disaccoppiata dalla linea di profilatura 3D per massimizzare l'efficienza della profilatura e per sfruttare la flessibilità della piegatrice.

SSAB ha anche messo in evidenza la profilatura 3D nel suo Docol EV Design Concept per gli alloggiamenti delle batterie. La profilatura 3D crea la struttura portante dell'alloggiamento utilizzando travi con una parte fissa e una parte flessibile. Una trave può poi essere posizionata perpendicolarmente a un profilo simile — ossia capovolta e disposta a griglia — senza raddoppiare la sua altezza in direzione Z, risparmiando spazio nell'abitacolo.

La stampa 3D (ovvero produzione additiva) ha entusiasmato i partecipanti alla conferenza con componenti per scocca nuda altamente complessi e innovativi. Un esempio è stato uno snodo dello sterzo, ottimizzato e alleggerito del 58% con la stampa 3D. Per ora, la produzione additiva continua a essere la più adatta per modelli a basso volume, dove il risparmio sia sui costi di stampaggio (a partire da $ 250.000) sia sul peso dei componenti supera il costo della stampa 3D. Anche se ancora eccessivamente lenta per la maggior parte dei componenti, la velocità di deposizione della stampa 3D sta accelerando a un ritmo che promette il graduale stravolgimento di molti processi di produzione dei componenti della scocca nuda.

international automotive body congress 2019

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