Tecnopolimeri nel sottocofano
Il sottocofano dell’auto costituisce una componente particolarmente difficile da trattare, sia per la
sollecitazione ad alte temperature (spesso sopra i 100°C) sia per la presenza di liquidi aggressivi quali
benzina, oli e liquidi (refrigeranti e del sistema frenante).
La ricerca di materiali leggeri, che resistessero agli agenti chimici e che permettessero la sostituzione
dei metalli abitualmente utilizzati, ha favorito il largo impiego di molte famiglie di tecnopolimeri
(engineering polymers).
Questi materiali termoplastici sono spesso sviluppati specificatamente per determinate applicazioni.
A causa della riduzione degli spazi e della messa a punto di motori e carburanti sempre più performanti,
la ricerca è oggi rivolta a fornire a questi materiali una sempre più crescente resistenza termica e
chimica.
Sul peso globale di un’auto europea media, i materiali plastici rappresentano circa 105 chilogrammi, di
cui ben 26 sono collocati nel sottocofano (vedi tabella sotto).
Funzione
Sistema carburante
Componenti elettrici
Serbatoi
Elementi vari
Matrice polimerica
PE, POM, PA, PP
PP, PE, PBT, PA
PP, PE, PA
PA, PP, PBT
Chilogrammi
8
7
1
10
Totale sottocofano
26
Totale plastica in un auto
105
Tabella 1: quantità di materie plastiche in un’auto media europea
Nella tabella successiva sono elencati alcuni esempi di applicazioni sottocofano in cui sono impiegate
materie plastiche.
I materiali sono indicativi, in quanto la scelta del tecnopolimero dipende dall’esatta posizione del
componente, dal reale ambiente di lavoro (temperatura, sostanze a contatto, ecc.), sollecitazioni
meccaniche, considerazioni economiche.
Ambiente
Aria
Carburante
Acqua
Esempi di componenti
Sistema di ventilazione
Componenti del sistema di controllo del climatizzatore e
dell’aria condizionata
Collettore della presa dell’aria
Ventole
Sensori aria
Filtri
Serbatoio carburante
Pompa carburante
Collettore benzina
Supporto indicatore benzina
Cappuccio iniettore
Componenti del carburatore
Serbatoio dell’acqua
Componenti pompa acqua
Sostegno termostato
Sistema di raffreddamento
Esempi di tecnopolimeri
ABS, PA6
PP, PA6
PA6, PA66, PA46
PA6
PBT
PBT
PE
PBT
PA6, PA66
POM
PA66
PEI, PPS, PEEK
PE
PA6, PPA
PA6
PPO
Tabella 2: esempi di applicazioni in funzione dei componenti (continua)
Olio
Parti
elettriche
Motore
Varie
Coperchio punteria
Coperchio valvole
Boccole per la trasmissione automatica
Componenti del sistema di distribuzione olio
Componenti del filtro olio
Elementi scatola cambio
Pompa a lobi
Struttura della bobina
Collettori
Calotta distributore
Distributore iniezione
Connettori
Supporto cavi
Motori sperimentali
Pattini tendicinghia
Ingranaggi
PPA
PA6
PPA, PEEK
PA6
PA66
PI, PEEK
PI, PEEK
PC, PA6, PBT
PI, PEEK
PI, PEEK
PBT
PBT
PA6, PPE, PP
Resine termoindurenti
PA66
POM, PEEK
Tabella 2: esempi di applicazioni in funzione dei componenti
Per conoscere più nel dettaglio i vantaggi dei tecnopolimeri termoplastici, vengono di seguito analizzati
alcuni esempi applicativi.
1. Coperchio motore
Il coperchio motore generalmente non è sollecitato meccanicamente e pertanto la principale richiesta è
la resistenza alle alte temperature presenti nel sottocofano dell’auto.
I produttori mondiali di auto hanno scelto due materiali polimerici:
A) resina epossidica o vinilestere (nel caso di produttori di auto americani)
B) poliammide rinforzata con fibra di vetro (nel caso di produttori di auto europei)
Nella tabella a seguire sono illustrate le principali proprietà termiche dei due materiali:
Termoindurente
PA 33%FV
PA43%FV
Non fonde
255
255
Temperatura di
transizione vetrosa (°C)
>170
80-90
80-90
HDT (°C)
>260
249
252
0,8*10E-5
1,8*10E-5
1,7*10E-5
Punto di fusione (°C)
CTLE (mm/mm*°C)
Resistenza ad impatto
500
150
160
IZOD (J/m)
Tabella 3: confronto tra termoindurente e poliammide rinforzata
Come si può vedere, la resina termoindurente mostra un comportamento termico superiore (per ovvie
ragioni intrinseche); tuttavia la semplicità e la rapidità della lavorazione, unita alla totale riciclabilità
diretta (argomento cui si sta diventando sempre più sensibili) favorisce l’impiego della poliammide
rinforzata.
Così anche i grandi produttori americani stanno spostando la loro attenzione verso il materiale
termoplastico.
Un esempio è il gruppo Crysler che sta adottando un nylon rinforzato minerale (Minlon by DuPont) per i
coperchi della nuova Crysler Town&Country 2004, del Dodge Caravan e del Grand Caravan con motori
V6 da 3.3 e 3.8litri.
Questa soluzione permette alle auto della Crysler di avere un risparmio nel peso di circa il 30% rispetto
all’alluminio, materiale precedentemente utilizzato.
figura 1: coperchi valvole della nuova Chrysler Town & City
(materiale: Minlon - Du Pont Engineering Polymers)
2. Collettore della presa dell’aria
Uno dei componenti del settore motoristico che consente una maggiore libertà di design nella
progettazione è il collettore aria.
La realizzazione di percorsi dell’aria efficienti ed efficaci era sempre stata vincolata alla difficoltà legate
alla fase di lavorazione dei metalli.
L’impiego dell’alluminio pressofuso ha favorito l’introduzione di forme più complesse ma è grazie ai
tecnopolimeri che si ottengono i migliori benefici.
Molti costruttori di automobili usano la poliammide rinforzata vetro per realizzare i collettori delle prese
dell’aria.Tale utilizzo presenta molti vantaggi diretti, quali:
• riduzione del peso a parità di performance
• riduzione dei costi dovuta alla facilità di manufacturing
• libertà di progettazione e design permettendo miglioramenti al flusso dell’aria
• possibilità di integrare le varie parti
• lavorabilità
• resistenza alla corrosione rispetto ai metalli
• migliore resa estetica
A questi poi si aggiungono alcuni benefici indiretti, come ad esempio:
• minor consumo di benzina senza alcuna perdita di performances
• riduzione delle dimensioni e ottimizzazione degli spazi nel vano motore
• performances aumentate grazie al miglioramento del flusso d’aria
I collettori in tecnopolimeri termoplastici non sono utilizzati solo nelle auto di serie ma anche in quelle
sportive, come nel caso di alcuni modelli Porsche.
Tuttavia nelle auto sportive (come nella Chevrolet Camaro e Pontiac Firebird) si predilige la poliftalamide
rispetto alla poliammide perché ha proprietà superiori, come ad esempio:
• resistenza ad alte temperature (fino a 120-130°C)
• minor assorbimento di umidità
• maggiore resistenza al creep riducendo rischi di perdite
L’impiego della PPA ha però il suo rovescio della medaglia: il costo della materia prima è superiore a
quello della poliammide.
Ciononostante le case automobilistiche spesso accettano questo compromesso perché l’impiego della
PPA consente di ottenere, a livello di prestazioni,vantaggi superiori, quali:
• una riduzione del peso (5Kg con PPA, 12Kg con alluminio)
• il 25% di flusso d’aria in più
• 20CV di potenza in più
3. Ventola del radiatore
La scelta della poliammide rinforzata vetro per realizzare le prime ventole nel settore automotive, invece
del consolidato acciaio, era stata dettata da motivi di riduzione del peso.
La bassa densità della poliammide,infatti, correlata alle buone performances meccaniche (non
paragonabili a quelle dell’acciaio ma sufficienti per rispondere alle esigenze del componente)
permetteva una riduzione del peso di circa il 60%.
Oggi la scelta dei tecnopolimeri per realizzare le ventole non è dettata più solamente dai vantaggi in
termini di leggerezza ma anche dalla maggiore flessibilità e dalla riduzione dello stress radiale sul
cuscinetto della pompa dell’acqua (e la conseguente possibilità di usare cuscinetti in tecnopolimero).
La facilità di lavorazione e la “design freedom” proprie dei polimeri termoplastici permettono ai progettisti
di realizzare profili di pala complessi, rendendo così più efficienti le ventole.
A questo si aggiungono,poi, i seguenti benefici indiretti:
• miglioramento della durata del cuscinetto della pompa, per il ridotto carico radiale
• riduzione del consumo di benzina senza pregiudicare le performances
• miglioramento delle performances (grazie anche alla possibilità di ottenere nuove geometrie
delle pale)
• miglioramento della sicurezza di lavoratori e clienti grazie all’aumentata flessibilità del materiale
e resistenza alla ruggine.
4. Celle a combustibile
Mentre gli autoveicoli con motori ad idrogeno incominciano a circolare sulle strade(seppur ancora come
prototipi) i produttori di materiali e componenti stanno studiando soluzioni che consentano, in un
prossimo futuro, una produzione economicamente sostenibile di celle a combustibile.
Da qualche anno alcuni produttori sono impegnati nella ricerca e sviluppo di materiali polimerici in grado
di sostituire i metalli nella realizzazione delle piastre bipolari che permettano di trasformare l’idrogeno in
energia elettrica. Tutto ciò è motivato sia da ragioni economiche (la plastica costa meno dell’oro, della
grafite e dell’alluminio), sia dalla riduzione di peso che i materiali sintetici consentono di ottenere.
Per questo tipo di applicazioni, sono stati sviluppati alcuni tipi di LCP e PPS in grado di resistere alla
corrosione, alle sostanze chimiche presenti nelle celle e di mantenere al contempo una buona stabilità
dimensionale con temperature fino a 240°C.
5. Esempi di componenti high tech realizzati in tecnopolimeri a performance molto elevate
Ci sono molte categorie di veicoli per le quali alcuni tipi di rotture possono comprometterne totalmente il
funzionamento.
In questi casi i tecnopolimeri a performances molto elevate (come PEEK, PEI, PI) risultano efficaci e
addirittura superiori ai metalli, in particolar modo iin ambito tribologico.
Per la PPA e ancor più per questi tecnopolimeri il costo elevato della matrice polimerica è ben
compensato dalle prestazioni che detta matrice può offrire.
La possibilità,infatti, di sositutire i metalli (abbattendo così il peso) e di eliminare boccole e cuscinetti
(con conseguente riduzione dei costi dei componenti e del montaggio), unita alle eccezionali prestazioni
termomeccaniche e tribologiche, rende i tecnopolimeri a prestazioni molto elevate economicamente
vantaggiosi in determinati settori di mercato e specifiche applicazioni.
Per esempio componenti realizzate in poli-imide (DuPont Engineering Polymers) soddisfa 3 fra le più
importanti richieste prestazionali nell’ambito dell’automotive:
•
•
•
alta resistenza all’usura anche quando la lubrificazione viene a mancare
ottimo comportamento alle alte temperature, fino ai 350°C
buona guarnizione per i fluidi
D’altro canto però:
• i processi di trasformazione sono insoliti e costosi
• il costo della materia prima è elevato
• i materiali sono poco diffusi
Comunque, le applicazioni che richiedono questi materiali sono:
• cuscinetti, guarnizioni e valvole della pompa della benzina
• boccole, valvole e anelli di tenuta per la trasmissione
• guarnizioni e boccole per l’iniettore benzina
• cuscinetti per turbine
• guarnizioni del carburatore
• anelli per pistoni
• valvole, guarnizioni e boccole per il sistema idraulico
6. Conclusioni
Le applicazioni delle plastiche nel sottocofano sono una realtà tecnica ed economica.
Alcune parti sono fatte esclusivamente in materiale polimerico termoplastico; per altre parti c’è ancora
competizione tra termoplastici e termoindurenti; infine per altre ancora, i progettisti continuano ad
affidarsi al sempre “rassicurante” metallo (acciaio e alluminio) soprattutto a causa della scarsa
conoscenza delle straordinarie proprietà intrinseche dei tecnopolimeri.
References:
Siti WEB e bollettini tecnici di: AES, APME, Bayer, Borealis, Citroen, Dow, Du Pont, Fiat, General
Electric, General Motors, Honda, SAE.