Engineering & Design – Materials Engineering luglio 2010 Automobili e Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2010
Automobili e Materiali
Engineering & Design – Materials Engineering
Produzione auto nel mondo
• Nel 2009 sono state prodotte circa 62 milioni di auto contro i 70 del 2008.
0
2
4
6
8
10
12
14
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
CHINAJAPANGERMANYFRANCEITALYUKSPAINUSARUSSIABRAZILS. KOREAMEXICOCANADA
Mili
oni d
i vettu
re
YEAR
Engineering & Design – Materials Engineering
• La tendenza è quella di spostare la produzione nei paesi attualmente detti in via di
sviluppo…
Engineering & Design – Materials Engineering
Come son fatte le auto?
Engineering & Design – Materials Engineering
CARROZZERIA - GENERALITA’
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
CARROZZERIA - GENERALITA’
Engineering & Design – Materials Engineering
SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
SOLLECITAZIONI DELLA
STRADA
Engineering & Design – Materials Engineering
LA SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
L’automobile
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.
Descrizione funzionale
Engineering & Design – Materials Engineering
RIGIDEZZA DELLA SCOCCA
TRAVE APPOGGIO
SOSPENSIONI RIGIDEANTERIORI
CERNIERE
TRAVE APPOGGIO
SOSPENSIONI RIGIDE
POSTERIORI
APPOGGI
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
RIGIDEZZA DELLA SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
RIGIDEZZA DELLA SCOCCA:FLESSIONALE E TORSIONALE
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
LA SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
LA SCOCCA:PROTEZIONE DEGLI OCCUPANTI
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
LA SCOCCA:PROTEZIONE DEGLI OCCUPANTI
Engineering & Design – Materials Engineering
LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
LA STRUTTURA DELLA
SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
LA STRUTTURA DELLA
SCOCCASEZIONEMONTANTECENTRALE
SEZIONELONGHERONELATERALE
SEZIONEMONTANTEPOSTERIORE
SEZIONEMONTANTEANTERIORE
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.
Engineering & Design – Materials Engineering
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 cavitàassimilabili a travi, che posseggono una resistenza elevata grazie alla loro forma chiusa.
LA STRUTTURA DELLA SCOCCA
Engineering & Design – Materials Engineering
L’automobile
PADIGLIONE
FIANCATA DXPAVIMENTOPOSTERIORE
Vano ruotadi scorta Passaruota
PAVIMENTO CENTRALE
FIANCATA SX
STRUTTURA ANTERIORE
Puntoncinosuperiore
Puntone
Pedana
Tunnel
Parete cruscotto
Componenti principali
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
Engineering & Design – Materials Engineering
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
Engineering & Design – Materials Engineering
L’automobile
Tipologie di Pianali
Puntoni anteriori
alti
bassi *
ELAIO 43
Paratia retroschienale
fissa solo cappelliera strutturale assente
Passaruota posteriore
a pianale
su fiancataELAIO
43
* Architettura piùefficiente
in urto frontale ad alta velocità
Engineering & Design – Materials Engineering
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.
Engineering & Design – Materials Engineering
L’automobile
LE PARTI MOBILI
Engineering & Design – Materials Engineering
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,…).
Engineering & Design – Materials Engineering
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
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Situazione attuale
• Negli ultimi 30 anni il mix di materiali per i veicoli ad elevati volumiproduttivi non ha subito significative variazioni.
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
'70 YEARS '80 YEARS '90 YEARS
METALLICS
OTHERS
PLASTIC
PAINT
ELASTOMERASTOMERGLASS
Engineering & Design – Materials Engineering
• In termini di tonn/year (anno 2008):
0
10
20
30
40
50
lam
inat
i acc
iaio
lun
gh
i acc
iaio
gh
isa
allu
min
io
altr
i met
alli
(Zn
, Mg
, etc
)
altr
i mat
eria
li (p
last
ica,
leg
no
vet
ro, e
tc)
Mt
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
• I metalli rimangono la maggiore applicazione (> 70%);
• Interessante è stata ultimamente l’evoluzione delle lamiere metallicheverso formulazioni capaci di garantire una riduzione dei pesi : ad esempio gli High Strength steels.
• Nell’ ambito dei materiali metallici l’acciaio rimane ancora il piùutilizzato (75%), grazie al favorevole rapporto costi/prestazioni;
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
2000 YEARS: METALLICS IN THE FIAT’s CARS
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
'70 YEARS '80 YEARS '90 YEARS
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
STEEL SHEETS
ZINC
MAGNESIUM
ALUMINUM
CAST IRON
FORGED-BARS STEEL
OTHERS
I metalli rimangono la maggiore applicazione (> 70%)
Nell’ ambito dei materialimetallici l’acciaio rimane
ancora il più utilizzato (75%), grazie al favorevole rapporto
costi/prestazioni.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
PerchPerchèè alleggerirealleggerire
• 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.
Il protocollo di Kyoto:
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
TOTALEEMISSIONI CO2
FONTINATURALI
95,5%
ATTIVITA’UMANE4,5% COMBUSTIBILI
FOSSILI77,7%
DEFORESTAZIONE22,3%
TRASPORTI24,8%
ALTRO75,2%
ALTRO 23%AUTOCARRI
E ALTRO 28%
TRASPORTISU STRADA
77%
VETTURE72%
ATTIVITA’UMANE
COMBUSTIBILIFOSSILI
TRASPORTI TRASPORTISU STRADA
LE EMISSIONI LE EMISSIONI DIDI COCO22 DELLE VETTURE DELLE VETTURE
RAPPRESENTANO: RAPPRESENTANO:
•• 0,5% DELLE EMISSIONI TOTALI;0,5% DELLE EMISSIONI TOTALI;
•• 10% DELLE EMISSIONI DA ATTIVITA10% DELLE EMISSIONI DA ATTIVITA’’ UMANEUMANE
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Main topics for car manufacturers:
- Reduction of fuel consumption
- Crash resistance increase
- Environmental aspects
- Costs
Cleaner fuels increase such as diesel, methane, LPG
Automotive industry answers:
Increase of electric cars Vehicle weight reduction through the introduction of
lighter materials
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
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.
ENERGY
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
PRODUCTION USE EOL TOTAL
MJ
St NP
St re-
Al re-
Usi 1,3 re-
Usi 1,5 re-
ENERGY
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
PRODUCTION USE EOL TOTAL
MJ
St NP
St re-
Al re-
Usi 1,3 re-
Usi 1,5 re-
GREENHOUSE
-50
0
50
100
150
200
250
PRODUCTION USE EOL TOTAL
kg C
O2
eq
St NP
St re-
Al re-
Usi 1,3 re-
Usi 1,5 re-
GREENHOUSE
-50
0
50
100
150
200
250
PRODUCTION USE EOL TOTAL
kg C
O2
eq
St NP
St re-
Al re-
Usi 1,3 re-
Usi 1,5 re-
REFERENCES:S. LAZZARI (Centro Ricerche Fiat) - G. FOGLIA (Fiat Auto),
Life Cycle Management of a Vehicle Component or Sub-System, Cannes 2005
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
The steel sheets used by Fiat are the same of the others European cars manufacturers
200 12001000800600400
40
30
20
10
0
70
60
50
Yield Strength (MPa)
Elo
ng
atio
n(%
)
LowStrength
Steels
High Strength
Steels
Ultra High Strength
Steels
IFLC
BH
HSLA
TRIPDP & FB
MS
MP
90
80
LEGENDA
IF – Interstitial free
LC – Low Carbon
BH – Bake Hardening
HSLA – High Strength Low Alloyed
DP – Dual Phase Steel
FB – Ferritic Bainitic
TRIP – Trip Steel
MP – Multi Phase Steel
MS – Martensitic
- traditional: (deep drawing steel)- high strength steel-HSS: (bake-hardening, rephosphorized and HSLA)- ultra high strength steel-UHSS: (Dual Phase, Ferritic-Bainitic, Trip)
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
DYNAMICARCELOR FB590
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12
TRUE PLASTIC STRAIN
TR
UE
ST
RE
SS
V=0,008 s-1
V=0,34 s-1
V=0,96 s-1
V=4,95 s-1
V=9,6 s-1
V=32,3 s-1
V=193 s-1
V=573 s-1
V=1014 s-1
The introduction of HSS-UHSS steels requires Laboratory tests to determine the rheological datas for crash and stamping simulations:
Strain rate
• Static test
• 1 - 5 s^-1• 10 - 50 s^-1• 100 - 500 s^-1
PAM-CRASH 1
PAM-CRASH 2
PAM-CRASH 3
PAM-CRASH 4
PAM-CRASH 5FIAT real case
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
LOW CARBON33%
HSS50%
UHSS17%
With this new model
a new generation period starts
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
BIW 939 (whit closures)
LOW CARBON
36%
HSS55%
UHSS9%
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
The introduction of HSS-UHSS steels requires Laboratory tests to determine the rheological datas for crash and stampingsimulations:
AUTOFORM 1
AUTOFORM 2
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
- spingback effects
Thickness variation
- 20 %
+ 10%
+ 8.4 %
- 34 %
+ 7 %
+ 6.2 %
- thickness variations
drawing – 50 mm drawing – 20 mm drawing– 5 mm Complete drawing
- drawing cycles
FALSE TOOL
THEORICAL TOOL
FALSE TOOL
THEORICAL TOOL
The introduction of HSS-UHSS steels requires also different process evaluations:
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
For each material the major welding processes are evaluated (spot welding, arc welding, MIG Brazing, laser welding)
PROJECT FATIGUE RESISTANCE (MPa)
0
100
200
300
400
500
600
FE
P04
FE
P13
FE
E22
0BH
FE
E35
5
FE
450F
B
FE
600D
P (
1)
FE
600D
P (
2)
FE
600D
P (
3)
TR
IP80
0
BASE MATERIAL
SPOT WELD
• Weldability
• Fatigue resistance
The introduction of HSS-UHSS steels requires different process evaluations:
and….
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Corrosion
ResistanceTest:
SCAB
in DOOR 40 gg
Phosphatability
Test• Paintability
Corrosion
ResistanceTest: SALT
SPRAY 500 h
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
An example of how these steels has been introduced by Fiat Auto on the different evolutions of the same model.
ANNI 2000 - 2005 (FIAT PUNTO-188)
LOW CARBON74%
HSS22%
UHSS4%
ANNI '80 (FIAT UNO)
LOW CARBON94%
HSS6%
UHSS0%
ANNI '90 (FIAT PUNTO-176)
LOW CARBON90%
HSS10%
UHSS0%
2005 ed oltre (FIAT NUOVA PUNTO-199)
LOW CARBON33%
HSS50%
UHSS17%
Eighties Nineties
2000-2005 beside2005
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
DP 450-600-1000
Trip 800
BH220
FEE270-FEE340
Low Carbon
Fiat 199 (M.Y. 2005)
LC33%
HS + UHS67%
Fiat Nuova PANDA (M.Y. 2003)
HS + UHS 52%
LC 48%
High Strength Steel and Ultra High Strength Steels usage in latest Fiat Auto models
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
5 doors BODY
Kg. 274
Kg. 393
5 doors BODY
Kg. 353
HIGH STRENGHT
STEEL45%
BAKE HARDENING
5%
ULTRA HSS17% LOW CARBON
33%
HIGH STRENGHT
STEEL15%
LOW CARBON
76 %
ULTRA HSS3%
BAKE HARDENING
6%
ULTRA HSS3%
BAKE HARDENING
5%
HIGH STRENGHT
STEEL29%
LOW CARBON
63%
GRANDE PUNTO
with
PUNTO
sharing of materials
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
3
200 12001000800600400
40
30
20
10
0
70
60
50
Yield Strength (MPa)
Elo
ng
atio
n(%
)
LowStrength
Steels
High Strength
Steels
Ultra High Strength
Steels
IFLC
BH
HSLA
TRIPDP & FB
MS
MP
90
80
LEGENDA
IF – Interstitial free
LC – Low Carbon
BH – Bake Hardening
HSLA – High Strength Low Alloyed
DP – Dual Phase Steel
FB – Ferritic Bainitic
TRIP – Trip Steel
MP – Multi Phase Steel
MS – Martensitic
1
2
Fiat works with the most important steel manufacturers in order to develop more sophisticated steels and to introduce the latest developments in its model
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
200 12001000800600400
40
30
20
10
0
70
60
50
Carico di Snervamento (MPa)
Allu
ngam
en
to (
%)
IFLC
BH
HSLA
TRIPDP & FB
MS
MP
90
80
1400
*AUSTENITICI
DIMINUZIONE FORMABILITA’
AUMENTO RITORNO ELASTICO
ACCIAI AL BORO
MAX FO
RMABILITA’
NO RITO
RNO ELASTICO
0,51Rs/R
0,41n
0,70r
50A80(%)
1134R
(MPa)
579Rs
(MPa)
0,51Rs/R
0,41n
0,70r
50A80(%)
1134R
(MPa)
579Rs
(MPa)
1
COLD FORMING:
AUSTENITIC S
TEELS
Austenitic steels are a typical 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.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
200 12001000800600400
40
30
20
10
0
70
60
50
Carico di Snervamento (MPa)
Allu
ngam
en
to (
%)
IFLC
BH
HSLA
TRIPDP & FB
MS
MP
90
80
1400
*AUSTENITICI
DIMINUZIONE FORMABILITA’
AUMENTO RITORNO ELASTICO
ACCIAI AL BORO
MAX FO
RMABILITA’
NO RITO
RNO ELASTICO
2
HOT FORMING:
BORON STEELS
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.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
• Design (FIAT):
Simple shapes
• Technologies (FIAT/PART SUPPLIER):
Process (bending, rolling, profiling)
• STEELMAKERS:
Galvanized Sheets for Cold formingprocess with Rm > 1200 MPa and higher
3
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Application : cross member Model : new Fiat Ducato
Material : FE1000 DP th.1,50 Subctr : EMARC
rear
front
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Application : impact door beam Model : Fiat IDEAMaterial : FE 800 DP Subctr : FRIGOSTAMP
Based on this project, impact door
beams for ALFA ROMEO 159 model 3
and 5 doors and CROMA have been
produced successfully.
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Application : impact door beam Model : Fiat GRANDE PUNTOMaterial : FE1000 DP Subctr : FRIGOSTAMP
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Application : doors reinforcement Model : Fiat GRANDE PUNTO
Material : FE1000DP ELZ Subctr : WAGON Automotive
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
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
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
200 12001000800600400
40
30
20
10
0
70
60
50
Yield Strength (MPa)
Elo
ng
atio
n(%
)
LowStrength
Steels
High Strength
Steels
Ultra High Strength
Steels
IFLC
BH
HSLA
TRIPDP & FB
MS
MP
90
80
LEGENDA
IF – Interstitial free
LC – Low Carbon
BH – Bake Hardening
HSLA – High Strength Low Alloyed
DP – Dual Phase Steel
FB – Ferritic Bainitic
TRIP – Trip Steel
MP – Multi Phase Steel
MS – Martensitic
FORME SEMPLICI
TECNOLOGIE A BASSO COSTO:
- STAMPAGGIO A FREDDO (modesta entità)
- RULLATURA
- PROFILATURA
RIDUZIONE CONSUMI
RIDUZIONE SPESSORI
AUMENTO RESISTENZA
RIDUZIONE FORMABILITA’FORME COMPLESSE TECNOLOGIE AD ALTO
COSTO:
- STAMPAGGIO A CALDO
CON MATERIALI SPECIALI:
TECNOLOGIE A BASSO COSTO:
- STAMPAGGIO A FREDDO (anche di profonda entità)
- RULLATURA
- PROFILATURA
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Progetto VSheetsCaratterizzazione delle lamiere orientata all’ applicazione in VProject
� 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
� 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
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali
Engineering & Design – Materials Engineeringluglio 2007
I Materiali