La giusta spinta al settore automotive per una progettazione e produzione di assemblaggi multi-materiale sotto controllo
Matthieu Niess
Le aziende del settore automotive si stanno orientando verso soluzioni per la mobilità sempre più innovative e sostenibili. I vincoli di riduzione delle emissioni di carbonio si traducono essenzialmente in obiettivi di riduzione del peso, che contribuisce a sua volta anche ad un aumento dell'autonomia dei veicoli elettrici. Introdurre nuovi materiali e processi può rivelarsi molto delicato sul piano non solo della fattibilità, ma anche delle performance del prodotto finale, che è un aspetto imprescindibile. Per non parlare dei costi... Lo sviluppo di prodotti che comporti l’utilizzo di nuovi materiali e processi di cui non si ha nessuna esperienza è inevitabilmente rischioso e può riservare delle sorprese. In questo articolo approfondiremo gli aspetti delle valutazioni di fattibilità, della previsione del processo di assemblaggio, della valutazione delle prestazioni: il tutto in modo virtuale, economico e "al primo tentativo"!
Spinti dalla necessità di ridurre le emissioni di CO2 e dalla nuova tendenza della mobilità elettrica, i costruttori e i fornitori del settore automobilistico si sono orientati verso lo sviluppo di prodotti leggeri, innovativi, personalizzati e sostenibili, che possano essere fabbricati su vasta scala e secondo un paradigma produttivo “lot size 1”, in base alle specifiche del cliente.
La leggerezza è diventata il nuovo must nel design della carrozzeria e del telaio, e si è quindi passati dal “tutto in acciaio” a strategie multi-materiale, che almeno per il momento vedono la combinazione di acciaio, alluminio e materiali compositi. Trovare il giusto mix di materiali, applicare il materiale giusto al posto giusto, ottimizzare geometrie e spessori, scegliere le tecnologie di giunzione migliori, sia per una questione di resistenza meccanica che di fattibilità e costo di produzione; poter prevedere con chiarezza e sicurezza tutte queste problematiche è fondamentale per riuscire a gestire in modo efficiente la grande complessità rappresentata dalla fabbricazione di questo tipo di assemblaggi avanzati, oltre che per raggiungere gli obiettivi di massa del veicolo.
Senza contare che per vincere la sfida dell’elettrificazione, sono proprio gli assemblaggi multi-materiale a rivelarsi cruciali, perché consentono di produrre corpi vettura con il miglior rapporto costo/leggerezza e di aumentare l’efficienza energetica durante la fabbricazione. Comunque, i crescenti investimenti sulle tecnologie di propulsione si traducono in una riduzione degli stessi dal telaio e carrozzeria del veicolo. Tale ragionamento porta a forzare la ricerca di un miglior rapporto costi-benefici sia nella progettazione che nella produzione di questo tipo di veicoli.
Passaggio dalla simulazione numerica del singolo componente alla prototipazione virtuale dell’intero assieme finale
Negli ultimi decenni, la simulazione numerica è stata determinante per consentire agli OEM di valutare la fattibilità della produzione e di validare le prestazioni di un modello concettuale. Ma le decisioni sulla fabbricazione della carrozzeria vengono prese relativamente tardi all’interno del processo, arrivano dopo che il design è stato “congelato”, perciò le aziende produttrici si trovano a dover fare ancora molto affidamento sulle prove fisiche. Capita spesso che gli ingegneri rilevino, durante il processo produttivo, distorsioni fuori controllo sugli assemblaggi della carrozzeria, la cui correzione richiede iterazioni e modifiche progettuali che si traducono in aumenti di costi e tempi di produzione.
L’obiettivo ambizioso di riuscire ad anticipare le decisioni di produzione non è certo una novità, ma le necessità create da una progettazione orientata al costo danno ovviamente una spinta in più. La buona pratica dovrebbe infatti consistere nel trovare il design ottimale il prima possibile e nel riuscire a validarlo fin dalle fasi di progettazione, e tutto ciò in un’ottica altamente predittiva per evitare prototipi costosi e modifiche tardive del design durante la validazione della fase di pre-produzione.
Riuscire ad arrivare ad un design ottimale attraverso un approccio digitale puro non è semplice. Sono due gli aspetti principali che vanno presi in considerazione per ottenere un percorso di produzione fluido e senza intoppi (immagine 2).
Fabbricazione di pezzi singoli:
La simulazione dettagliata della fabbricazione di un pezzo singolo è utilizzata nel settore da molti anni. In genere però viene realizzata tardi nelle ultime fasi del flusso di lavoro, perché gli ingegneri devono prima definire i vari ambienti degli strumenti. Con il ricorso sempre maggiore a mix di materiali avanzati, gli OEM hanno bisogno di avere delle certezze molto in anticipo per poter prendere le giuste decisioni su quale materiale funziona meglio e dove. Perciò è fondamentale riuscire a stimare la fattibilità della produzione sin dall’inizio, quando vengono generati i primi modelli CAD e la distinta base (BOM). La prototipazione virtuale consente agli ingegneri di considerare tutte queste informazioni nelle prime fasi di sviluppo e, di conseguenza, di avere una migliore predittività sulla validazione del funzionamento e delle prestazioni, nonché sulla simulazione del processo di assemblaggio, e questo anche prima della definizione degli strumenti di processo e degli stampi.
Processo di assemblaggio:
I metodi di assemblaggio multi-materiale sono numerosi. Per scegliere quello più adatto, è fondamentale modellare e simulare accuratamente il processo di assemblaggio, in modo da poter poi utilizzare i dati per un’analisi di ottimizzazione di crash o fatica. Inoltre, gli ingegneri devono poter tener conto dell’impatto del processo di assemblaggio sulla geometria dei pezzi, così da prevedere la qualità degli assemblaggi. Per poter far fronte a tutto ciò, l’obiettivo finale è sempre quello di avere la migliore predittività il prima possibile, con il minimo tempo di calcolo.
Nella successiva fase di validazione pre-produzione, i primi pezzi fisici solitamente arrivano da centri di produzione diversi agli stabilimenti di assemblaggio OEM per la verifica delle tolleranze e della qualità dell’assemblaggio finale. Per superare questo costoso processo, gli ingegneri possono invece ricorrere alla prototipazione virtuale, che consente loro di utilizzare dei modelli 3D dei singoli pezzi e di integrare l’impatto del processo di assemblaggio come dati di input per la simulazione dell’assemblaggio. In questo modo, è possibile prevedere le deviazioni dalle tolleranze dei pezzi e delle strutture assemblate ed evitare così costosi cicli trial-and-error.
Inoltre, i modelli 3D, oggi possono anche essere sostituiti dai risultati digitali dei processi di produzione, come lo stampaggio. Di conseguenza, le distorsioni e le tolleranze nella carrozzeria e nel telaio, nonché la qualità percepita negli assemblaggi di pannelli di classe A, possono essere analizzati accuratamente già nelle prime fasi di sviluppo, cosicché il prodotto finale possa essere fabbricato e assemblato secondo i più alti standard di qualità ed entro l’intervallo di tolleranza specificato.
Visione a lungo termine: l’evoluzione della produzione auto verso una concezione “Zero Prototipi Fisici”
La prototipazione virtuale rappresenta un approccio end-to-end per la validazione anticipata delle scelte di materiali e design, così come della strategia dei processi di produzione e assemblaggio, con vantaggi significativi sull’intero ciclo di sviluppo della carrozzeria. Essa consente agli OEM di validare tutti i principali materiali che possono contribuire all’alleggerimento dei componenti critici per la sicurezza delle strutture dei veicoli e di applicarvi i migliori processi di assemblaggio, in modo da ottenere strutture assemblate con il miglior rapporto prestazioni/costo/qualità. Questa solida base offre certezze a monte rispetto al passaggio alla dimensione fisica e consente di vedere chiaramente la giusta strategia di produzione, che verrebbe validata virtualmente prima della produzione, pur mantenendo sempre un costante collegamento con la validazione delle funzionalità e delle performance. Tutto ciò apre la strada al concetto di “fabbrica digitale”, dove i costruttori automotive potranno fare a meno dei prototipi fisici, abbreviando in definitiva il ciclo complessivo di sviluppo del prodotto e riducendo al minimo i costi e i tempi di lancio della produzione (SOP).
Nissan riduce del 50% il lead time dell’ingegneria di produzione di un nuovo materiale leggero.
Per raggiungere gli obiettivi di riduzione del peso stabiliti all’interno del progetto “Green Program”, Nissan ha studiato l’uso di combinazioni di materiali, quali assemblaggi di alluminio, acciaio e compositi. Gli ingegneri Nissan hanno utilizzato la soluzione di simulazione ESI dedicata alla produzione di compositi, per sviluppare un nuovo metodo di stampaggio a iniezione e di stampaggio a compressione, ottenendo significativi miglioramenti in termini di efficienza per le loro linee di produzione. Introducendo la simulazione virtuale al posto della lunga e costosa fase di trial-and-error, nell’ambito dello sviluppo di un nuovo processo di produzione, gli ingegneri Nissan sono riusciti a prendere decisioni tempestive sui tipi di materiali leggeri, rispettando comunque i requisiti di progettazione e gli obiettivi di produzione. Stando alle loro stime, sono riusciti a ridurre il lead time dell’ingegneria di produzione fino al 50%.
Il risultato in termini di produzione? Proprio prima che ESI tenesse la sua prima conferenza ESI Live a novembre del 2020, Nissan annunciava pubblicamente i suoi progressi nella produzione di pezzi in fibra di carbonio. Sono riusciti ad abbattere il tempo di produzione di rinforzi in fibra di carbonio da due ore a due minuti, ovvero una riduzione dei tempi di produzione per un singolo stampaggio di ben l’80%. Questa agilità tecnologica consentirà inoltre a Nissan di produrre pezzi con forme complesse, arrivando ad una riduzione di 80 kg del peso medio per veicolo. Un tale risultato è stato possibile sostanzialmente grazie alla capacità di prendere decisioni affidabili in completa sicurezza e ad un’ottimizzazione anticipata, frutto anche della sincronizzazione delle attività di progettazione e di ingegneria di produzione nei processi di formatura, trattamento termico, saldatura e assemblaggio.