PNNL, Magna dimostrano la fattibilità dell'utilizzo di ShAPE con alluminio secondario per componenti automobilistici

Il Laboratorio nazionale del Pacifico nord-occidentale del Dipartimento dell'Energia ha sviluppato per diversi anni il processo Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) (articolo precedente) per consentire una produzione più efficiente in termini di costi ed energia di strutture ad alta resistenza da metalli e leghe metalliche , con applicazione a una gamma di metalli diversi.

Ora, in collaborazione con Magna, PNNL ha dimostrato la fattibilità dell’utilizzo di ShAPE per produrre estrusioni multicella da alluminio secondario. In un rapporto tecnico pubblicato all’inizio di quest’anno, gli ingegneri di PNNL e Magna hanno osservato che:

I componenti automobilistici realizzati al 100% in alluminio secondario offrono un risparmio energetico >50% e un risparmio >90% di CO2 durante il processo di produzione rispetto all'estrusione convenzionale. L'uso dell'alluminio secondario come materia prima non solo è rispettoso dell'ambiente ma può ridurre significativamente il costo dei componenti. Questo perché è possibile eliminare la necessità di diluire il Fe con l’Al primario, eliminando così l’energia, il carbonio e i costi associati alla produzione dell’alluminio primario. Inoltre, i componenti automobilistici leggeri realizzati con leghe di alluminio offrono un risparmio di peso del 25% rispetto all’acciaio ad alta resistenza all’avanguardia. Di conseguenza, i componenti in acciaio vengono sostituiti con Al laddove possibile.

Per migliorare la riciclabilità, questo accordo cooperativo di ricerca e sviluppo (CRADA) tra il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) e Magna Services of America (Magna) mirava a sviluppare ShAPE per dimostrare il potenziale di conversione dei rottami industriali di alluminio direttamente in componenti automobilistici su scala ridotta. .

Le strutture delle batterie dei veicoli elettrici (EV) in alluminio forniscono una possibile opportunità di inserimento basata su prestazioni uguali o migliorate, a un costo ridotto rispetto alle estrusioni convenzionali. La potenziale riduzione dei costi e i benefici ambientali derivanti dall’utilizzo di materie prime costituite al 100% da alluminio secondario sono ben consolidati. L’uso di rottami secondari senza l’aggiunta di Al primario, tuttavia, non si è sviluppato in un processo industriale a causa delle sfide materiali fondamentali associate alla dispersione intermetallica e alla microstruttura uniforme. Queste limitazioni del processo sono state superate utilizzando tecniche di deformazione plastica severa (SPD), come la pressatura angolare a canale uguale (ECAP). Sebbene abbiano successo da un punto di vista scientifico, l’ECAP e altri processi SPD non sono scalabili a livello industriale. ShAPE combina i vantaggi microstrutturali di SPD con la scalabilità di un processo di estrusione convenzionale per offrire una tecnologia unica per convertire i rottami secondari di alluminio direttamente in componenti automobilistici, soddisfacendo al tempo stesso i requisiti di proprietà standard del settore.

Il processo ShAPE di PNNL utilizza una macchina per far girare billette o pezzi di lega metallica sfusa, creando calore sufficiente attraverso l'attrito per ammorbidire il materiale in modo che possa essere facilmente estruso attraverso una matrice per formare tubi, aste e canali. L'entità della generazione di calore e la profondità della zona di deformazione vengono controllate regolando la velocità di rotazione, la temperatura e la velocità del pistone.

Le forze lineari e rotazionali simultanee utilizzano solo il 10% della forza normalmente necessaria per spingere il materiale attraverso lo stampo nei processi convenzionali.

Questa significativa riduzione della forza lavoro consente macchinari di produzione sostanzialmente più piccoli, riducendo così le spese in conto capitale e i costi operativi. Il consumo energetico è altrettanto basso. La quantità di elettricità utilizzata per realizzare un tubo di 1 piede di diametro di 2 pollici è all’incirca la stessa necessaria per far funzionare un forno da cucina residenziale per soli 60 secondi.

Per adattare ShAPE all'uso con l'alluminio secondario, gli ingegneri hanno integrato una configurazione di stampo a oblò all'interno del processo ShAPE rotante. In un articolo pubblicato su Manufacturing Letters, il team riporta l’estrusione di profili circolari, quadrati, trapezoidali e trapezoidali a due celle da scarti industriali della lega di alluminio 6063.

È stata presentata la caratterizzazione microstrutturale per un profilo trapezoidale avente una dimensione media dei grani di 6,7 µm nella condizione come estruso. I tubi tondi hanno raggiunto un carico di snervamento (246,9 ± 10,4 MPa), un carico di rottura a trazione (270,8 ± 9,6 MPa) e un allungamento uniforme (16,5 ± 2,4%) superando gli standard del settore.