Motore in plastica per auto ultraleggere

Auto più leggere: arriva dal Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT il progetto che fa risparmiare il 20% del peso ai blocchi cilindro, sostituendo l’alluminio con plastica rinforzata da fibre. Negli ultimi anni gli sforzi per produrre veicoli più leggeri si sono moltiplicati, tesi soprattutto a ridurre il consumo di carburante. Per la maggior parte dei produttori significa progettare principalmente parti del corpo auto, ma è il sistema di propulsione, che comprende il motore, a rappresentare gran parte del peso del veicolo.

Fino ad ora le case automobilistiche hanno fatto affidamento sull’alluminio per ridurre il peso di componenti del motore come il blocco cilindri, ma in futuro i produttori saranno in grado di conquistare ulteriori risparmi di peso progettando blocchi e altre parti in plastiche rinforzate con fibre. L’alluminio ha garantito tutto quel che i produttori andavano cercando: resistenza, leggerezza ed affidabilità, nonché facile lavorabilità e capacità di sostenere le alte temperature scatenate in fase di combustione. Secondo nuovi studi si può però far di meglio sfruttando nuovi materiali in sostituzione di quanto suggerito dalla tradizione dell’industria dell’automotive.

A dimostrare la fattibilità del progetto è stato presentato un motore sperimentale sviluppato per i nuovi sistemi di azionamento (NAS) dall’Istituto Fraunhofer per la tecnologia chimica ICT, in collaborazione con SBHPP, il business delle materie plastiche ad alte prestazioni della giapponese Sumitomo Bakelite. Spiega Lars-Fredrik Berg, responsabile del progetto e del settore di ricerca Lightweight Powertrain Design del gruppo di progetto Fraunhofer:

Abbiamo utilizzato un materiale composito rinforzato con fibre per costruire un involucro del cilindro di un motore che pesa circa il 20% in meno rispetto alla componente di alluminio equivalente, e costa la stessa cifra.

In questa soluzione sono coinvolte numerose sfide tecniche, perché i materiali utilizzati devono essere in grado di resistere a temperature estreme, ad alta pressione e alle vibrazioni senza subire danni. Che la plastica possedesse queste qualità è noto, ma finora era possibile produrre questo tipo di parti solo in piccola scala e investendo una fatica notevole. Spiega Berg:

Per garantire un motore sufficientemente robusto, in primo luogo ne abbiamo studiato il design e identificato le aree soggette a carichi termici e meccanici elevati. Per questi punti abbiamo scelto inserti metallici per rafforzare la resistenza all’usura. Per esempio, i ricercatori hanno modificato la geometria dei rivestimento dei pistoni per esporli al minor calore possibile.

Le caratteristiche del materiale plastico utilizzato svolgono un ruolo importante: deve essere sufficientemente duro e rigido, resistente all’olio, alla benzina e al glicole nell’acqua di raffreddamento. Deve, inoltre, presentare una buona adesione con gli inserti metallici e il giusto coefficiente di espansione termica. La squadra di Berg sta utilizzando un fenolico composito con fibra di vetro rinforzata sviluppato da SBHPP, che soddisfa tutti questi requisiti, formato dal 55% di fibre e dal 45% di resina. Una più leggera, ma più onerosa, alternativa è quella di utilizzare un composito in fibra di carbonio rinforzata, ma la scelta dipende da quanto il costruttore intenda ottimizzare il motore sia in termini di costi che in termini di peso.

I ricercatori producono questi componenti mediante processi di stampaggio ad iniezione, compatibile con gli scenari di produzione di massa, dai costi notevolmente inferiori a quelli di parti del motore in alluminio, non da ultimo perché elimina numerose operazioni di finitura. Tra gli ulteriori vantaggi, il rumore di funzionamento inferiore rispetto ai motori composti di sole parti metalliche e la quantità di calore irradiato nell’ambiente inferiore a quello generato dai motori a base di alluminio. Un primo prototipo del nuovo motore è stato presentato all’Hannover Messe (13-17 aprile 2015).