Stampaggio a freddo di acciai per l'industria automobilistica da 1500 e 1700 MPa

I veicoli elettrici e le prestazioni antiurto a 5 stelle spingono verso acciai più resistenti

Per soddisfare gli obiettivi dell'industria automobilistica di strutture di carrozzeria leggere e ad alta resistenza che consentono prestazioni di crash a 5 stelle, è abbastanza evidente che gli OEM di automobili intendono aumentare ulteriormente l'uso di acciai AHSS/UHSS che presentano una maggiore resistenza. I veicoli elettrici, in particolare, richiedono materiali più resistenti usati in modi nuovi, soprattutto per trasportare e proteggere le batterie pesanti.

Da diversi anni, gli acciai da 1,5 GPa vengono profilati per creare profili relativamente semplici per applicazioni di scocche nude. Tuttavia, ora i progressi sistematici nella tecnologia di stampaggio offrono ai progettisti e agli ingegneri di produzione di scocche nude l'opportunità di stampare a freddo gli acciai da 1,5 GPa per profili moderatamente complessi, anziché affidarsi esclusivamente allo stampaggio a caldo

Vantaggi della formatura a freddo per gli acciai gigapascal

Vantaggi della formatura a freddo:

1. fino al 28% meno costosa: Il processo di formatura a freddo è notevolmente meno costoso rispetto alla formatura a caldo per via dei costi operativi molto più elevati derivanti dallo stampaggio a caldo.
2. Consumi energetici notevolmente inferiori rispetto allo stampaggio a caldo, con conseguente riduzione dei costi energetici e delle emissioni di CO₂.
3. Gli acciai martensitici sono disponibili in una gamma più ampia di proprietà meccaniche rispetto agli acciai per stampaggio a caldo (PHS).
4. I componenti martensitici formati a freddo presentano una migliore qualità superficiale finale rispetto ai componenti stampati a caldo.
5. Non è necessaria alcuna pulizia aggiuntiva (sabbiatura) delle parti stampate a freddo.
6. Le parti stampate a freddo possono essere perforate e rifilate meccanicamente, mentre le parti pressate richiedono operazioni laser più costose per evitare infragilimento da idrogeno.
7. Gli acciai martensitici sono disponibili con protezione contro la corrosione catodica.
8. Le qualità di martensite hanno migliori proprietà di saldatura rispetto all'acciaio PHS grazie al loro contenuto inferiore di carbonio equivalente (Ceq o C.E.).

Considerazioni sulla formatura a freddo

1. Non è possibile formare a freddo forme altamente complesse.
2. Il ritorno elastico e le sue contromisure devono essere pianificati, ma questo è un settore in cui i giapponesi e altri stanno dimostrando che è possibile: vedi la sezione successiva e la gestione del ritorno elastico di seguito.

Fonte: SSAB.

Il primo passo del Giappone nello stampaggio a freddo da 1,5 GPa

"Rispetto al resto del mondo, i produttori di matrici giapponesi hanno sviluppato in modo più completo le loro matrici e attrezzature per adattarsi alle forze più elevate necessarie per gli acciai da 1500 MPa, controllando al contempo il ritorno elastico", osserva Hiroshi Kondo, consulente giapponese in materia di acciaio per l'industria automobilistica da oltre 30 anni. "Tutti gli OEM di automobili giapponesi stanno ora valutando l'impiego di acciai da 1500 megapascal per lo stampaggio a freddo."

"Tradizionalmente, gli OEM giapponesi e i loro fornitori di primo livello hanno sempre avuto maggiore familiarità con lo stampaggio a freddo rispetto alla profilatura o allo stampaggio a caldo", continua Kondo. "Uno dei vantaggi dello stampaggio a freddo rispetto alla profilatura è che lo stampaggio offre maggiore libertà con la geometria del componente."

"E poi ci sono tutti i vantaggi dello stampaggio a freddo rispetto allo stampaggio a caldo. A essere di fondamentale importanza per le case automobilistiche giapponesi è il basso consumo energetico e i tempi di ciclo rapidi. E ora, ovviamente, la riduzione dell'impronta di CO₂, tutti fattori che favoriscono lo stampaggio a freddo rispetto allo stampaggio a caldo."

Quali componenti automobilistici potrebbero essere stampati a freddo a 1,5 GPa?

Per le applicazioni da 1500M, i potenziali candidati per lo stampaggio a freddo includono travi antintrusione laterali, travi paraurti, travi trasversali e i relativi rinforzi.

"La maggior dei fondi di carrozzeria, dei rinforzi dei fondi di carrozzeria, delle travi trasversali a pavimento e di alcune travi per tetti può essere profilata", afferma Kenneth Olsson, specialista dello sviluppo commerciale del settore automobilistico di SSAB. "Tuttavia, numerose parti non possono essere profilate a causa della loro forma."

"Sebbene lo stampaggio a caldo sia sempre un'opzione," continua Olsson, "è più costoso, è più lento e se si riscaldano i forni con combustibili fossili, come la maggior parte dei produttori, ci sono emissioni di CO₂ che vanno contro gli obiettivi di sostenibilità degli OEM automobilistici. Quindi, lo stampaggio a freddo a livelli di resistenza da 1500 MPa è uno sviluppo entusiasmante, relativamente nuovo."

Kenneth Olsson.

Prove impressionanti di stampaggio a freddo in acciai da 1,5 GPa e 1,7 GPa

KIRCHHOFF Automotive ha stampato con successo questo prototipo di barra antiurto laterale utilizzando le qualità Docol^® 1500M e 1700M. Le foto in alto mostrano le parti formate, mentre quelle in basso mostrano le parti dopo una prova di piegatura in 3 punti.

Per alcuni ricambi auto, la maggiore robustezza è semplice da ottenere

Questa barra antiurto laterale, stampata a freddo con acciaio Docol^® CR1150Y1400-MS-EG, è stata testata con successo in una matrice di produzione in serie progettata per CR950Y1200T-MS-EG. Gli esperti di formatura di SSAB ritengono che il pezzo possa essere stampato a freddo con successo utilizzando CR1220Y1500T-MS-EG.

La formatura a freddo permette di evitare le insidie dell'infragilimento da idrogeno

Dopo lo stampaggio a caldo, i produttori devono prestare la massima attenzione durante le operazioni di rifilatura e foratura, altrimenti potrebbero causare fratture ritardate. Di conseguenza, sono generalmente necessari laser per perforare o tagliare parti stampate a caldo, e questi laser sono più complicati e costosi rispetto agli strumenti meccanici convenzionali.

Con la formatura a freddo, i punzoni possono utilizzare strumenti di foratura e rifinitura meccanici convenzionali senza il rischio di frattura ritardata, anche su acciai da 1,5 GPa. Inoltre, la rifilatura meccanica in linea e la perforazione sono processi familiari, rapidi ed economici per gli stampatori.

Gestione del ritorno elastico nello stampaggio a freddo negli acciai ultra-altoresistenziali

I due vantaggi principali dello stampaggio a caldo sono la sua capacità di formare forme molto complesse e l'eliminazione del ritorno elastico. Tuttavia, gli esperti giapponesi di stampaggio e anche altri hanno sviluppato una serie di strategie per controllare il ritorno elastico nelle parti stampate a freddo:

1. Simulazioni: le simulazioni di formatura consentono ai progettisti di ottimizzare la geometria del pezzo per controllare il ritorno elastico e migliorare la precisione finale dei componenti stampati a freddo.
2. Ottimizzazione: include l'uso di linee di piegatura dritte e configurazioni angolari (raggio) ingegnerizzate.
3. Cordoni: la forma e il posizionamento dei cordoni di trazione per un maggiore controllo del ritorno elastico.
4. Geometria della matrice: passare da un acciaio a bassa resistenza a uno a più alta resistenza, come il CR1220Y1500T-MS, può richiedere alcune modifiche alla geometria dello stampo per compensare il maggiore ritorno elastico.
5. Strumenti: materiali per utensili migliorati, tra cui resistenza all'usura e rivestimenti, per gestire le forze più elevate delle matrici.

Cosa dicono gli altri esperti dello stampaggio a freddo degli acciai UHSS

Gli acciai martensitici forniscono un'alternativa di formatura a freddo agli acciai per stampaggio a caldo, come World Auto Steel scrive sulla sua pagina web dedicata al martensite.

L'uso dello stampaggio a freddo consente la flessibilità di prendere in considerazione strategie diverse durante la lavorazione dello stampo, il che può comportare un ritorno elastico ridotto o l'incorporazione di caratteristiche del pezzo non ottenibili con la profilatura. Lo stampaggio a freddo degli acciai martensitici non si limita a forme più semplici con una curvatura delicata.

World Auto Steel mostra quindi una foto di un montante esterno centrale stampato a freddo, con un pezzo grezzo saldato su misura di CR1200Y1470T-MS come parte superiore e una parte inferiore CR320Y590T-DP. E citano inoltre:

Uno studio che ha determinato l'esistenza di una correlazione tra lo snervamento della lamiera d'acciaio e la deformazione a 3 punti di parti a forma di cappello. Sulla base di un confronto dello snervamento...CR12001470T-MS ha prestazioni simili a PHS-CR1800T-MB e PHS-CR1900T-MB stampati a caldo con lo stesso spessore e supera il PHS-CR1500T-MB utilizzato di frequente. Per questo motivo, potrebbe essere possibile ridurre i costi e persino il peso con un approccio di stampaggio a freddo, purché vengano utilizzati matrici, processi e progetti appropriati.

L'articolo mostra un rinforzo della traversa stampato a freddo, in produzione commerciale, realizzato in acciaio martensitico da 1500 MPa:

L'elevazione variabile di questo pezzo, unita a una sezione trasversale non uniforme sui bordi più esterni, aiuta a controllare il ritorno elastico, ma rende la profilatura molto più difficile se si tratta dell'approccio di formatura a freddo [invece del suo processo di stampaggio a freddo].

L'articolo conclude con un esempio di rinforzo del tetto centrale 1500T-MS formato a freddo che utilizza il processo brevettato Stress Reverse Forming™ per una migliore precisione dimensionale grazie alla ridotta sensibilità al ritorno elastico.

Confronto tra stampa a freddo da 1,5 GPa e stampa a caldo da 1,5 GPa

Precisione: Senza ritorno elastico, le parti temprate a pressione possono essere molto precise. Con lo stampaggio a freddo, la gestione completa del ritorno elastico è fondamentale per la precisione dei componenti.
Forma della parte: lo stampaggio a caldo è ideale per pezzi di forma altamente complessa, anche se lo stampaggio a freddo sta rendendo impressionanti i guadagni sulla complessità dei pezzi.
Durata del ciclo: lo stampaggio a freddo è molto, molto più veloce dello stampaggio a caldo.
Consumo di energia: lo stampaggio a caldo richiede un riscaldamento rapido (fino a 900 °C) e un raffreddamento rapido; lo stampaggio a freddo non richiede tutto ciò, consentendo quindi di risparmiare denaro ed emissioni.
Rifilatura/foratura: Le parti in PHS da 1,5 GPa richiedono la rifilatura laser e la foratura per evitare infragilimenti da idrogeno. D'altra parte, i componenti stampati a freddo a 1500 MPa possono essere tagliati meccanicamente e forati in linea.

Foto per gentile concessione di KIRCHHOFF Automotive.

Barra antiurto laterale 1400M, stampata a freddo con successo in una matrice progettata per 1200M.

Profilatura: è ancora in ascesa

Mentre lo stampaggio a freddo dei componenti da 1,5 GPa è relativamente nuovo, gli acciai UHSS per la profilatura (a freddo) sono comuni da anni (non solo in Giappone). Inoltre, i progettisti e i fornitori di primo livello sono diventati sempre più sofisticati nelle loro applicazioni di profilatura, ampliando i confini di ciò che si può realizzare.

Ad esempio, l'acciaio Docol^® CR1350Y1700-MS-UC per profilatura sviluppato da Shape Corp. e poi piegato in 3D in questa guida per tetto per la produzione in serie su modelli Ford. Il risultato è un componente leggero, economico ed efficiente dal punto di vista energetico che, con le sue pareti più sottili, offre una migliore visibilità agli occupanti dell'auto.

Per oltre un decennio, questo fondo di carrozzeria leggero è stato profilato in Docol^® CR1150Y1400T-MS-EG, con formatura e taglio in linea. Gli specialisti della formatura SSAB vorrebbero discutere con i clienti il miglioramento di parti profilate come questa a 1700 MPa.

Shape Corp. profila e poi ripiega in 3D questa barra per tetto CR1700M. Immagini per gentile concessione di Shape Corp.

Immagine per gentile concessione di Ford Motor Company.

Profilatura 3D: una soluzione alla ricerca di problemi?

La profilatura tridimensionale è stata proposta come metodo alternativo per realizzare alcune geometrie leggermente più complesse negli acciai UHSS.

Gli esperti di prestazioni antiurto di SSAB hanno proposto l'uso della profilatura 3D in 1700M per la protezione della batteria nel suo design concept per veicoli elettrici in Docol^®. In questo caso, il design sfrutta travi profilate 3D ("ondulate"), intessute a rete, per ottenere una base dell'alloggiamento della batteria EV eccezionalmente resistente, pari alla metà dell'altezza convenzionale di tali strutture.

Le travi blu sotto il pianale dell'auto sono la struttura a "rete" dell'alloggiamento della batteria. Il modello trasversale delle travi profilate 3D in Docol 1700M riduce l'altezza della maglia di un fattore 2.

Quanto è formabile a freddo Docol^® CR1220Y1500T-MS?

Docol^® Martensitic 1500 MPa offre migliori capacità di formatura a freddo come dimostrato da:

• Rapporto di imbutitura di 2,0
• Rapporto di espansione dei fori che è tipicamente del 40%
• Piegatura garantita di 4,0*t
• Profilatura garantita di 3,5*t

Qual è il prossimo passo per la formatura a freddo degli UHSS?

SSAB segue attentamente l'introduzione e l'implementazione di nuove tecnologie di formatura a freddo, sapendo che le efficienze di formatura a freddo - con i loro tempi di applicazione più brevi, presse più semplici e un ridotto consumo energetico - si allineano bene con gli obiettivi dei costruttori automobilistici per una produzione semplificata, costi ridotti e sostenibilità.

Incoraggiamo i progettisti di componenti della scocca nuda a coinvolgere i nostri esperti di formatura fin dall'inizio nello sviluppo dei vostri prodotti per ottenere i migliori risultati. Contatta il tuo rappresentante Docol^® locale per descrivere gli obiettivi e le ambizioni del tuo progetto.