Innovative forming processes of aluminium alloys sheets and tubes at elevated temperature

Negli ultimi decenni, la comunità internazionale è alla continua ricerca di provvedimenti per salvaguardare l’atmosfera e l’ambiente terrestre. In campo automobilistico e dei trasporti la produzione di biossido di carbonio dai gas di scarico delle autovetture, meglio conosciuto come CO2, è ritenuto tra i maggiori responsabili del rafforzamento dell’effetto serra e dunque dell’innalzamento del clima terrestre. Per porre un concreto rimedio e regolamentare l’efficienza sul consumo medio di un autoveicolo, con il protocollo di Kyoto stipulato nel 1997 ed entrato in vigore nel 2005, la comunità internazionale si è impegnata legalmente alla produzioni di veicoli in grado di rispettare il limite di emissione di 95 g di CO2 per kilometro entro l’anno 2020. L’alleggerimento complessivo di un automobile è sicuramente tra le soluzioni più immediate per la riduzione delle particelle inquinanti, in quanto veicoli più leggeri richiedono minore forza motrice e di conseguenza minore consumo di energia. Per questo motivo le compagnie automobilistiche negli ultimi anni sono alla ricerca di materiali innovativi per sostituire l’acciaio che comunemente è impiegato per la realizzazione di telai e parti di carrozzeria, senza pregiudicare la sicurezza dei passeggeri. Gli acciai alto resistenziali ma soprattutto le leghe leggere, hanno dimostrato essere delle ottime alternative grazie alle loro proprietà di bassa densità, resistenza alla corrosione, ed ottimo rapporto rigidezza-peso. Con l’utilizzo di parti stampate ma anche di elementi tubolari in lega di alluminio il peso medio della sola scocca di una vettura può essere ridotto del 15 – 20 %, portando ad un conseguente ridimensionamento di tutte gli organi connessi ed ad una sostanziale riduzione delle emissioni dannose. La principale limitazione nella lavorazione delle leghe di alluminio è la loro scarsa attitudine a subire deformazione plastica a temperatura ambiente collegata oltretutto ad un elevato ritorno elastico. Per far fronte a questa problematica, numerosi processi innovativi utilizzanti alta temperatura sono stati o sono tuttora in fase di studio con l’obiettivo principale di incrementare la formabilità del materiale. I confermati processi di deformazione di lamiera di alluminio quali Superplastic Forming e Quick Plastic Forming, hanno dimostrato sicuramente un vantaggio in termini di formabilità riuscendo oltretutto a generare parti complesse, ma sono d’altro canto estremamente costosi e soggetti a tempi molto lunghi di processo, per cui non applicabili per produzioni in larga scala. L’idroformatura a freddo e a tiepido, invece, che rappresenta l’attuale tecnologia all’avanguardia per la sagomatura di parti cave, oltre a necessitare di elevati costi iniziali connessi alle elevate pressioni del fluido necessarie per la deformazione e alle presse ad alto tonnellaggio richieste per la chiusura degli stampi durante l’iniezione del liquido stesso, presenta severi limiti nella temperatura massima di processo. Infatti le emulsioni acqua olio generalmente impiegate come mezzo deformante risultano infiammabili al di sopra del campo tiepido per l’alluminio, limitando dunque il range termico utilizzabile per il processo e di conseguenza la formabilità del materiale. In questo lavoro di ricerca sono stati studiati processi innovativi per la produzione di componenti di alluminio in lamiera e tubolari che superassero i limiti di processo delle attuali tecnologie produttive. In particolare la tecnologia dello stampaggio a caldo (Hot Stamping), oggigiorno applicata agli acciai alto resistenziali, è stata applicata con successo su lamiere di alluminio serie 5xxx e 6xxx, e validata con test industriali eseguiti su una vera linea di stampaggio producendo un componente automobilistico. Inoltre è stato realizzato e sviluppato un prototipo in grado di operare con la tecnologia innovativa del Hot Metal Gas Forming, che utilizza gas in pressione invece di fluidi per deformare componenti tubolari al alta temperatura. Prove di formabilità su tubi di alluminio serie 6xxx, ma anche la realizzazione di componenti in stampo, hanno permesso inoltre lo studio di numerosi aspetti critici per il processo. In fine, la sagomatura di un componente industriale in collaborazione con una azienda, curando oltretutto la qualità estetica del formato, ha permesso di verificare l’applicabilità e l’efficacia di questo processo anche a livello industriale.