» Scocca monolitica ispirata alla F1: la sicurezza del Racing per la strada

Il processo RTM rende possibile una produzione di grande volume per un nuovo modello di super car

Rinomata per le sue vittorie in Formula 1, la McLaren Racing Ltd. (Woking, Surrey, UK) è stata la prima casa ad utilizzare materiali polimerici rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) in vetture di Formula 1, una strategia poi adottata da tutti i team di F1 . Infatti, la società può vantare di essere il solo produttore di auto ad avere usato esclusivamente i compositi per le strutture primarie delle sue vetture. Il concetto pionieristico McLaren di scocca pilota in fibra di carbonio, protetta da altre strutture ad assorbimento di energia, ha portato ad un enorme miglioramento della sicurezza nelle corse negli ultimi due decenni.

La divisione sorella di McLaren Racing, McLaren Automotive Ltd., ha sviluppato metodi per trasferire la tecnologia delle scocche racing al progetto MP4-12C, il primo di una nuova famiglia di innovative vetture stradali. Le due unità, Racing e Automotive, hanno sede nello stesso stabilimento, il McLaren Technology Centre, favorendo un inevitabile scambio incrociato di idee. La MP4-12C sarà prodotta con un volume di 4.000 unità l'anno - un numero molto elevato per una supercar. Ciò ha richiesto la progettazione di strutture composite adatte alla produzione di massa. Come risultato, la McLaren ha riconsiderato la tecnologia classica – Prepreg e cotture in autoclave - storicamente utilizzata dalla divisione corse.

 

Il peso dell’esperienza

Claudio Santoni, Responsabile Strutture di McLaren Automotive, è stato decisivo nell’introduzione di questo cambiamento nell'architettura strutturale della nuova vettura sportiva e per rendere la produzione di grandi volumi una realtà. Il suo background è nell'industria automobilistica italiana dove, come Responsabile dello Sviluppo Strutture in Composito in ATR Group (Colonnella, Italia), ha diretto lo sviluppo pionieristico di ATR di un telaio di supercar tutto in composito.

Malgrado il background di Santoni e della McLaren, Santoni ha una visione molto pragmatica e selettiva nella scelta del materiale. Sotto la sua guida, McLaren Automotive utilizza materiali compositi solo se portano grandi benefici e vantaggi economici comprovati. Santoni usa ancora materiali metallici in molte aree dove le altre case automobilistiche hanno cominciato a usare CFRP. Per esempio la struttura posteriore, che porta sospensione posteriore, motore e cambio, è un telaio fatto da parti in alluminio estruse e saldate. La scelta è stata guidata dai costi e dall’incertezza iniziale delle temperature di lavoro del motore. Allo stesso modo i tubi anteriori ad assorbimento di energia sono estrusi in alluminio che possono essere sostituite a buon mercato dopo un impatto minore. E, a differenza della Aston Martin DBS, che fa uso di pannelli in composito CBS della Gurit, la maggior parte dei pannelli della carrozzeria della McLaren sono in alluminio o in moulding compound. In particolare le porte posteriori, che hanno una doppia curvatura complessa, vengono prodotti da Sotira (Change, Francia) con moulding compound rinforzato con fibre di vetro

Per la scocca passeggeri però, i compositi in fibra di carbonio sono stati necessari per assorbire i carichi elevati dettati dai diversi requisiti di progettazione. La struttura è stata ufficialmente battezzata MonoCell, ma soprannominata "vasca" (in inglese “tub”).

 

Proteggere l'investimento

La “vasca” forma la struttura portante della vettura. Assorbe la maggior parte dei carichi tramite un telaietto sul davanti, ma gestisce anche i carichi delle cinture di sicurezza e, in ultima analisi, i carichi dovuti all’impatto. I principali meccanismi per la protezione dei passeggeri anteriori sono le strutture in alluminio anteriore e posteriore precedentemente citate, che si piegano per assorbire l'energia d'impatto, lasciando la vasca illesa per proteggere gli occupanti anche durante gli urti più severi. Il successo di questa caratteristica del progetto è stata dimostrata nel programma di crash test. Una sola vasca è stata utilizzata in non meno di tre impatti ad alta velocità, senza subire danni significativi.

La struttura monolitica incorpora diverse sezioni cave. Alcuni piccoli vuoti sono riempiti con schiuma Rohacell della Evonik Röhm GmbH (Darmstadt, Germania), ma alcune sezioni estese sono rimaste cave grazie all’utilizzo di mandrini rimovibili. Il volume totale di queste cavità è di circa 120 litri, permettendo di mantenere il peso della vasca ad appena 80 kg.

Anche se la funzione principale della vasca è di sostenere i carichi di esercizio tra la parte anteriore e posteriore della vettura e proteggere i passeggeri, Santoni ha utilizzato altri criteri per il suo design, compresi i requisiti meno ovvi di prevenzione della corrosione, la rigidezza strutturale globale e la facilità di accesso al vano passeggeri.

La corrosione è un problema in alcune automobili di lusso realizzate in piccoli numeri, specialmente quando ci sono aspettative da parte del cliente che la nuova macchina di lusso sopravviva abbastanza a lungo per diventare un auto d'epoca. La vasca in composito evita la corrosione nel pavimento al contrario dei convenzionali materiali metallici.

I predellini cavi lungo i lati della vasca aumentano la rigidezza della struttura e, di conseguenza, la rigidezza generale della vettura. La larghezza inusuale dei predellini permette anche di superare il problema, tipico per un abitacolo basso come quello delle supercar, della salita e discesa dei passeggeri.

Anche se la vasca è ben protetta dall’impatto da altre strutture, la maggior parte delle aree della vasca sono riparabili, se necessario. Ma la filosofia del design è che, nella maggior parte degli incidenti moderati frontali, il danno sarà limitato ai soli assorbitori di energia estrusi di alluminio, alla carrozzeria e, possibilmente, al sottotelaio.

In ogni caso, la manutenzione della vasca dovrebbe essere minima. "Gli intervalli di manutenzione dei moderni aerei in fibra di carbonio sono doppi rispetto a quelli costruiti in alluminio", sottolinea Santoni, affermando che questa è "una testimonianza della longevità superiore di una struttura in carbonio rispetto a quelle in alluminio."

In linea con la politica aziendale di un impiego pragmatico ed operativo dei compositi, non per fini cosmetici o per marketing, i progettisti McLaren hanno resistito alla tentazione di avere parti carbon look a vista. L'interno è coperto quasi interamente con un rivestimento di buona qualità.

 

 

La scelta del processo

La sfida più grande è stato lo stampaggio della grande e complessa vasca in un unico pezzo. La scelta più facile sarebbe stata quella di replicare la soluzione di successo usata su un programma precedente, la Mercedes-Benz SLR McLaren Roadster. Per la scocca della SLR, è stato utilizzato un prepreg Advanced Composites Group Ltd. laminato a mano e curato in forno. Tuttavia sono state prodotte solo 500 SLR all'anno, un volume coerente con l’impiego di prepreg e cottura in forno/autoclave. Considerata la necessità di ridurre i costi sulla MP4-12C e avere un volume otto volte superiore, McLaren ha scelto per la fabbricazione del MonoCell lo stampaggio RTM utilizzando la preforma. Perché abbandonare un metodo di successo e a basso rischio a favore dello sviluppo di una tecnologia che spinge l’ RTM verso nuovi limiti per dimensione e complessità? Santoni spiega che le ore di produzione per la nuova vasca sono stati ridotte di un fattore 10 rispetto a quelle della parte in prepreg. Circa la metà del tempo totale è consumata dalla fabbricazione della preforma. Il resto viene speso in iniezione di resina, controllo e lavorazione meccanica.

Durante il processo RTM, i componenti in alluminio sono co-stampati con la vasca nelle zone di applicazione di alto carico. Per evitare la corrosione galvanica all’interfaccia tra i materiali in fibra di carbonio e componenti in alluminio, gli inserti in alluminio sono preparati con un primer speciale, e il processo di infusione assicura che vi sia un sottile strato di resina pura tra le fibre di carbonio e parti in metallo. Una campagna di prove dedicata non ha mostrato alcun segno di corrosione.

Il sistema di resina RTM è fornito da Huntsman Advanced Materials (The Woodlands, in Texas). Le preforme sono a base di fibre di carbonio ad alta resistenza prodotto da Toray Industries (Tokyo, Giappone). Le preforme sono realizzate in due formati - tessuto non-crimp (NCF) e nastro unidirezionali (UD) - con una piccola quantità di stitching per mantenere uniti i rinforzi pre-assemblati. Per ora, le preforme sono laminate a mano con strati di NCF e UD tagliati a controllo numerico, ma la McLaren sta cercando di automatizzare l’assemblaggio della preforma per ridurre ulteriormente i costi e aumentare la robustezza del processo.

Le preforme sono al momento acquistate da tre diversi fornitori che hanno finora dimostrato di poter soddisfare le specifiche McLaren.

 

Outsourcing e produzione di massa

Il processo RTM e le attrezzature sono stati sviluppati dagli ingegneri McLaren e, ad oggi, hanno prodotto più di 100 vasche, utilizzate per i prototipi e i crash test. Le parti di produzione, tuttavia, saranno stampate dalla Carbo Tech Industries GmbH (Salisburgo, Austria). Carbo Tech ha installato un sistema automatizzato che trasferirà lo stampo, con sopra la preforma, sotto una pressa per l’iniezione e la cura. Il sistema può gestire due stampi contemporaneamente.

Le vasche finite saranno integrate nelle auto sulla linea di montaggio del McLaren Technology Centre in un impianto attualmente in costruzione. La produzione inizierà all'inizio del 2011, e le vetture saranno disponibili nella primavera dello stesso anno.

 

Fonte: www.compositesworld.com