TechDay Lightweight Design

.Auto leggere di serie: una competenza-chiave di Audi.

 Già da molti anni la struttura leggera costituisce un tema privilegiato alla Audi, tanto da costituire ormai una delle pietre miliari del Marchio. Fra le prime case automobilistiche ad adottare la carrozzeria autoportante in alluminio, la Audi è leader nel campo della struttura leggera. Le innovazioni future non faranno che contribuire ulteriormente all’inversione di tendenza nella spirale dei pesi: ogni nuovo modello Audi sarà più leggero del suo predecessore.

Per gli ingegneri che sviluppano i modelli Audi, la struttura leggera è una forma mentis. Tale approccio trascende il campo della carrozzeria, estendendosi a tutte le componenti tecniche e tecnologiche che concorrono nel loro complesso a plasmare il veicolo, dal motore fino al fascio dei cavi. Non sono soltanto le carrozzerie in alluminio Audi Space Frame (ASF) a essere straordinariamente leggere; anche le carrozzerie in acciaio di alcuni modelli di grande diffusione costituiscono il punto di riferimento nelle rispettive classi.

Con la prima A8, apparsa nel 1994, la Audi ha sviluppato fino alla produzione in serie non solo la struttura ASF, ma anche tutte le fasi necessarie al processo produttivo. È stato proprio tale approccio integrato a segnare la svolta: la Audi ha via via ampliato le proprie competenze, aggiungendo numerosi procedimenti high-tech, in particolare in fase di produzione.

Il Marchio ha sottoposto il settore tecnico a trasformazioni globali e durature concernenti l’intera catena della progettazione e della produzione. Le competenze della Audi in tema di struttura leggera non si limitano alla conoscenza profonda dei materiali, ma comprendono anche il know how relativo alla tecnica del processo, allo sviluppo di nuove tecniche di giunzione e all’adeguamento alle esigenze derivanti dalle riparazioni e dal Service.

La struttura leggera in grandi serie è una competenza-chiave della Audi: dal 1994 l’azienda ha prodotto senza soluzione di continuità circa 550.000 veicoli con carrozzeria ASF, ben più di qualsiasi altro costruttore a livello mondiale. Nella gamma di modelli attuale, la A8 (berlina di lusso) e la R8 (sportiva dalle altissime prestazioni) incarnano la filosofia ASF nella sua essenza più pura.

La carrozzeria della TT nasce da un’ibridazione tra le strutture in acciaio e in alluminio, mentre la A7 Sportback e la nuova A6 presentano carrozzerie in acciaio con un’elevata percentuale di alluminio.

 .Evoluzione dell’Audi Space Frame.

 Compiendo un notevole balzo in avanti, la Audi si accinge ora a trasformare la filosofia ASF in Multimaterial Space Frame. Tale soluzione prevede la combinazione di componenti in alluminio, in acciaio e in plastica rinforzata con fibre in una struttura Space Frame che si avvale in parte di nuove tecniche di giunzione. La tecnologia Space Frame presenta un’eleganza tecnica che seduce. Le funzioni dei componenti della carrozzeria sono nettamente separate l’una dall’altra. I profilati estrusi sottendono gli spazi, i nodi di fusione collegano i componenti, mentre le lamiere in alluminio chiudono le superfici e rinforzano la struttura complessiva. La tecnologia Space Frame riserva a ciascun materiale e a ciascun componente una funzione specifica. I progettisti dispongono quindi di un grado di libertà molto maggiore rispetto alla tradizionale struttura portante in lamiera. Alla Audi si è convinti che la Multimaterial Space Frame sia la strada giusta per la costruzione di veicoli in grandi serie. Per quanto riguarda il peso, l’MSF è conveniente come e forse più di una carrozzeria equivalente in CFRP e offre in confronto grandi vantaggi, che si manifestano non da ultimo nel bilancio energetico complessivo e nei costi minori.

 .Competenze materiali.

Il principio della struttura leggera non significa per la Audi limitarsi all’impiego di un unico materiale ma piuttosto un uso intelligente e vario dei materiali più diversi. Il motto è: “Il materiale giusto, al posto giusto, per la funzione giusta”.

Lo scopo è quello di ottenere il massimo delle prestazioni con il minor impiego di materiale nel luogo ideale, proprio come accade in natura, dove nessun materiale viene sprecato. Gli ingegneri Audi hanno acquisito ampie conoscenze in tutti gli ambiti tecnici: per il rispettivo scopo di utilizzo, il materiale, che si tratti di acciaio, alluminio o plastica rinforzata con fibre, viene rimesso tutte le volte sul banco di prova affinché gli esperti della Audi possano sondarne in ogni dettaglio il potenziale e gli eventuali svantaggi.

I materiali sono pertanto in competizione tecnologica fra loro. La Audi sa come sfruttare immediatamente tutti i nuovi progressi tecnici per perseguire i propri scopi. Per quanto concerne l’alluminio, si stanno sviluppando nuove leghe ad alta resistenza, mentre le nuove strutture dei componenti, ulteriormente affinate, porteranno in breve a notevoli progressi. Nel breve periodo, dei componenti CFRP renderanno la struttura ASF ancora più resistente, leggera e sicura: la Audi è in grado di calcolare con precisione le proprietà di impatto di questo materiale per mezzo di simulazioni mirate.

 .Il Centro Costruzioni Leggere Audi.

 L’elevata competenza della Audi nel campo delle strutture leggere deriva in gran parte dall’esistenza di un apposito centro, nel quale operano circa 180 specialisti. Il Centro ALZ è la punta di diamante dell’azienda nel settore delle carrozzerie leggere. Il suo know-how ha portato a numerosi brevetti, alla conquista del titolo “European Inventor of the Year 2008” assegnato dall’Ufficio brevetti europeo e a quattro vittorie nell’“Euro Car Body Award”, il concorso più importante a livello mondiale nel settore della carrozzeria.

Presso il centro studi e ricerche sui materiali plastici rinforzati da fibre (FRP) sono impiegati ormai circa 50 esperti del settore. Nel campo tecnologico CFRP e dell’alluminio, la Audi si avvale di un intenso transfer informativo con la Lamborghini, che arricchisce costantemente il know-how di entrambe le case automobilistiche.

 .Un secolo di attività nel settore delle strutture leggere.

La Audi e le aziende da cui essa deriva vantano una lunga tradizione nel campo delle strutture leggere. Già nel 1913, con il Tipo 8/24, la NSU produsse un modello la cui carrozzeria era interamente realizzata in alluminio. Un decennio più tardi, il Tipo K della Audi vestiva una carrozzeria sperimentale carenata realizzata nel medesimo materiale.

Negli anni Trenta, gli specialisti del reparto corse della Auto Union plasmarono a mano le lamiere di alluminio dalle quali nacquero poi le carrozzerie e i rivestimenti carenati delle vetture da competizione e dei bolidi da record mondiale.

Il Tipo C della Auto Union, del 1936, in assetto di gara pesava solo circa
825 kg e, dotato di un motore V16 con compressore, con potenza superiore a 520 CV (380 kW), era già in grado allora di avvicinarsi al rapporto potenza-peso dei prototipi sportivi odierni in gara a Le Mans.

Anche oggi la Audi è all’avanguardia nel campo dell’automobilismo sportivo. Già negli anni attorno al 1990, le auto da rally e da gara della casa bavarese presentavano numerosi elementi in materiali sintetici, sia come parte integrante della carrozzeria, sia come componenti annessi. Per alcune vetture venivano utilizzati già alberi di trasmissione di materiale composito in fibra di carbonio. Fra i veicoli di serie, anche la Audi 90 quattro presentava questa soluzione. Oggi, la Audi R18 e la A4 DTM costituiscono dei veri e propri laboratori su quattro ruote per quanto riguarda l’utilizzo del CFRP.

Al suo debutto in serie, avvenuto nel 1994, la prima Audi A8 suscitò un certo clamore: con la sua carrozzeria ASF avviò una piccola rivoluzione tra i produttori di acciaio e leghe – un settore industriale allora piuttosto conservatore – mettendo sotto enorme pressione i fornitori. Da allora la resistenza degli acciai ad alta resilienza è aumentata, attestandosi attorno al fattore 5, e nelle fonderie gli standard di qualità sono cresciuti nettamente. L’ASF della Audi è una filosofia che non torna solo a vantaggio dei Clienti del Marchio, ma dell’intero settore.
Nella mobilità elettrica del futuro, la struttura leggera si troverà nuovamente a giocare un ruolo decisivo. I nuovi componenti, quali per esempio le batterie di trazione, apportano un notevole peso aggiuntivo, che può comunque essere in larga parte compensato da una struttura leggera intelligente. Già oggi gli ingegneri di Neckarsulm stanno lavorando a soluzioni completamente nuove per le carrozzerie dei veicoli elettrici del futuro.

 .Il principio della struttura leggera Audi – l’inversione della spirale del peso.

 In generale i veicoli prodotti dall’industria automobilistica diventano di generazione in generazione sempre più pesanti, ormai da molti anni. Non però i veicoli prodotti dalla Audi: il marchio dei quattro anelli ha arrestato questa spirale e invertito la tendenza, mettendo in atto in maniera coerente la sua strategia della struttura leggera. La seconda generazione della sportiva compatta TT pesa fino a 90 kg in meno del modello precedente. Per quanto concerne la nuova A6, attualmente in fase di lancio sul mercato, si arriva, a seconda della versione, fino a 80 kg in meno. Anche in futuro ogni nuovo modello Audi sarà più leggero del precedente.

Il principio Audi della struttura leggera salvaguarda le risorse, abbassa il consumo di carburante e incrementa l’economicità. La nuova A6 consuma, a seconda della motorizzazione, fino al 21% in meno del modello precedente. La struttura leggera contribuisce a questo progresso per circa un quinto; in generale un risparmio di peso di 100 kg abbassa i consumi da 0,3 a 0,5 litri ogni 100 km.

La carrozzeria costituisce per la Audi il settore in cui maggiormente si manifestano i vantaggi della struttura leggera, da cui derivano numerosi effetti benefici secondari. Una struttura alleggerita consente di realizzare dei freni più compatti, un motore più piccolo, un impianto di scarico più snello e un serbatoio del carburante meno ingombrante. Anche per quanto riguarda i singoli componenti esiste la possibilità di contenere il peso. Nel caso di un portellone posteriore di alluminio, per esempio, che è più leggero, si possono utilizzare delle molle a gas anch’esse leggere.

Una struttura leggera offre dei vantaggi significativi anche in funzione della sportività, della sicurezza di guida e del comfort. Un’auto di 1.200 chilogrammi di peso raggiunge, da ferma, i 100 km/h 6 metri prima di una stessa auto che di chilogrammi ne pesa 1.300. La riduzione delle masse rotatorie, e quindi anche della loro forza d’inerzia, influisce positivamente soprattutto in fase di accelerazione.

Anche in frenata, però, si hanno molto effetti positivi da una massa alleggerita. Lo spazio di frenata è più breve e la dispersione di calore è minore. Quanto più leggera è un’auto, minore è l’energia cinetica che sviluppa e che deve trasformare in deformazione in caso di impatto. In caso di scontro, anche l’impatto sull’altro veicolo è meno violento. Un campo di applicazione particolarmente interessante per la struttura leggera è rappresentato dal telaio. La diminuzione delle masse non ammortizzate sulle ruote permette, per esempio, di costruire componenti del telaio più leggeri.

 .Innovazione permanente: i veicoli di serie della Audi.

 La Audi vanta una tradizione pionieristica a livello mondiale nel campo delle strutture leggere per l’industria automobilistica. Quando fu realizzata, ormai quasi tre decenni fa, la Audi Sport quattro presentava già una carrozzeria in cui delle parti in plastica rinforzata con fibre di aramide sostituivano molti componenti in lamiera. Nel 1994 fu prodotta la prima Audi A8 con tecnologia Audi Space Frame (ASF). Da allora la Audi ha continuato a produrre senza soluzione di continuità auto leggere con carrozzerie in alluminio, introducendo continuamente nuovi accorgimenti tecnici di grande rilievo.

Con gli odierni modelli di serie, la Audi inverte la tendenza negativa della spirale dei pesi: a seconda della motorizzazione, la TT pesa fino a 90 kg in meno del suo modello predecessore, mentre la nuova A6 ha perso fino a
80 kg. Comprensiva di trazione integrale permanente quattro, la Audi R8 GT, vettura sportiva ad alte prestazioni, pesa solo 1.525 kg.

Le vetture di prova approntate per il Tech Day sono un esempio tangibile della filosofia della struttura leggera della Audi: anche il confronto diretto con modelli simili ma con peso diverso consentirà, per così dire, di toccare con mano la differenza. Di particolare interesse è la showcar Audi quattro concept, con il suo esaltante motore a cinque cilindri, costruita sulla base di una Audi A5 ottimizzata dal punto di vista dei pesi.

 .Struttura leggera con continuità: le pietre miliari di Audi.

 Il tema della struttura leggera per Audi è da molti anni una forza trainante. L’attività di ricerca sulla carrozzeria ASF ebbe inizio nei primi anni ‘80. Dal 1994 il Marchio costruisce con grande continuità automobili con carrozzerie in alluminio, a differenza delle altre case automobilistiche.

Audi Sport quattro (1984)
La Sport quattro è un’icona del Marchio. Dal 1984 ne furono costruiti 214 esemplari a mano, per ottenere l’omologazione per il mondiale rally. Il cinque cilindri turbo, con una cilindrata di appena 2,1 litri, nella versione di serie raggiungeva una potenza di 225 kW (306 CV) e poteva così vantarsi di essere nel ristretto novero delle auto supersportive dell’epoca.

Rispetto al modello originario, la Sport quattro aveva un passo di
32 centimetri più corto. A fronte di una lunghezza di 4,16 m pesava solo 1.300 kg, grazie ad una struttura estremamente leggera. Solo la scocca e le portiere della “corta” erano in acciaio – queste ultime riprese dalla Audi 80 –, mentre il portellone era in poliestere.

Per la maggior parte dei componenti della carrozzeria – i parafanghi anteriori e posteriori, il sottoparaurti anteriore, il cofano del vano motore, i pannelli esterni dei montanti B e C, il tetto e la minigonna posteriore – veniva utilizzato un materiale composito appositamente sviluppato. Si trattava di un laminato resinoso, in cui erano integrati diversi tessuti di aramide e fibre di vetro. Per la lavorazione, la Audi sviluppò molte tecniche nuove: dalla pressatura al taglio mediante un getto d’acqua ad alta pressione, alla giunzione mediante viti, rivetti e mastice.

Il materiale composito a base di aramide raggiungeva quasi la stessa rigidità torsionale della tradizionale lamiera di acciaio, ma era quasi tre volte più leggero. A conti fatti, fece sì che il peso della carrozzeria diminuisse di
64,2 kg. Il cofano del vano motore fu ulteriormente rinforzato con fibra di carbonio nella zona dell’apertura per l’intercooler; come pezzo singolo costava 3.500 marchi.

La Audi A8 (1994)
Nel 1982 il tema della struttura leggera assunse alla Audi l’importanza di un progetto strategico. L’obiettivo era di reinventare la carrozzeria autoportante, con un nuovo materiale e una geometria espressamente studiata per tale materiale.

Il lavoro di sviluppo fu di ampio respiro, fruttò 40 brevetti e registrazioni di brevetto e contribuì a creare una vasta base di conoscenze tecniche in questo settore. Nel 1985 il Marchio presentò alla fiera di Hannover la carrozzeria monoscocca in alluminio di una Audi 100, con una tradizionale struttura portante. Anche gli studi Audi Avus quattro e Audi quattro Spyder, che risalgono al 1991, avevano un rivestimento esterno in metallo leggero, sotto cui però si nascondevano ancora telai portanti.

Nel 1993 però la nuova tecnica era pronta per la produzione di serie: al Salone Internazionale dell’Automobile di Francoforte venne presentata una show car color argento brillante con una carrozzeria, non verniciata, in alluminio lucido. L’antesignana della A8 si chiamava ASF, acronimo di Audi Space Frame.

Il modello di serie, che seguì l’anno successivo, rappresentò a livello mondiale il primo veicolo, destinato alla produzione su grande scala, dotato di carrozzeria autoportante in alluminio. La scocca della A8, che pesava appena 249 kg, presentava già quel tipo di struttura, rimasto in uso fino ad oggi. Fra i suoi 336 componenti singoli le parti in lamiera prevalevano sui componenti profilati e pressofusi. L’assemblaggio si svolgeva per circa il 75% a mano.

La Audi A2 (2000)
La Audi A2 fu il secondo modello Audi con struttura ASF. Lunga appena
3,83 metri, si distingueva per la sua agilità e la stupefacente efficienza del suo motore. La versione base della piccola monovolume pesava solo 895 kg. La A2 con motore 1.2 TDI, la prima auto a cinque porte al mondo capace di percorrere cento chilometri con tre litri di carburante, pesava ancora meno, cioè 825 kg; il suo consumo medio di 2,99 litri/100 km rappresenta ad oggi un record ancora imbattuto.

Il fattore chiave era la carrozzeria di alluminio, che infatti pesava appena 156 kg. Progettata per essere prodotta su una scala più larga rispetto alla A8, si avvalse degli sviluppi e delle importanti esperienze precedentemente fatte dai tecnici nel campo degli attrezzi, della pressofusione e delle tecniche di giunzione. Il numero di pezzi scese a 238. Il montante B, per esempio, era formato da un unico grande elemento pressofuso, mentre nella berlina di lusso era composto ancora da otto pezzi diversi.

Anche fra i semilavorati della A2 le lamiere di alluminio prevalevano sulle parti profilate e su quelle pressofuse. Il telaio del sottoscocca era composto da profilati estrusi diritti, uniti direttamente gli uni agli altri mediante saldatura MIG (Metal Inert Gas), rendendo superflui i raccordi necessari per la A8. Tre tecniche di giunzione, una delle quali era la saldatura al laser, furono sufficienti per l’assemblaggio. Il grado di automazione raggiunse all’incirca l’85%.

La Audi TT (2006)
La seconda generazione della TT presenta un’innovazione Audi di avanguardia: la struttura ibrida in alluminio e acciaio. La parte anteriore, il pianale e la scocca di queste sportive compatte sono in alluminio; per le portiere e il portellone posteriore viene invece impiegato acciaio imbutito. La parte posteriore del gruppo pianale, la parte posteriore finale e la parete divisoria della Roadster sono in acciaio ad alta resistenza. Grazie all’utilizzo diversificato dei materiali è stato possibile ripartire il peso sugli assi in modo ottimale, a tutto vantaggio di un handling dinamico.

La carrozzeria ASF della TT Coupé pesa 206 kg, quella della Roadster 251 kg. Rispetto al modello precedente con la carrozzeria di acciaio la massa a vuoto della vettura è calata, a seconda della versione, da 20 a 90 kg: la Audi ha messo in atto un’inversione della spirale del peso. L’alluminio è il materiale predominante: nella Coupé determina il 68% del peso complessivo, nella Roadster il 58%. Nella TT Coupé le parti in alluminio sono composte per
63 kg da lamiere, per 45 kg da componenti pressofusi e per 32 kg da profilati estrusi.

La carrozzeria ASF della Audi TT è la soluzione ideale per una vettura sportiva. Rispetto al modello precedente la rigidità torsionale statica è aumentata del 50% nella Coupé e del 100% nella Roadster. Proprio tale rigidità costituisce la premessa fondamentale per un handling dinamico e preciso nonché per un elevato comfort dal punto di vista delle vibrazioni e un alto livello di sicurezza in caso di urto. Nel 2006 Audi ha vinto per la carrozzeria ASF della TT l’“Euro Car Body Award”, il più importante premio a livello mondiale per le innovazioni nell’ambito della costruzione della carrozzeria.

La Audi R8 (2007)
La carrozzeria ASF della R8 fissa nuovi parametri di riferimento. La qualità della sua struttura leggera, ossia il rapporto fra dimensioni, peso e rigidità, nell’ambito delle auto sportive ad alte prestazioni è fino ad oggi ineguagliata.

Per la scocca della R8 Coupé, con un peso complessivo di 210 kg, si punta prevalentemente sui profilati estrusi: la loro quota è del 70%. I raccordi pressofusi sottovuoto costituiscono l’8%, le lamiere di alluminio il rimanente 22%. Il telaio del motore in magnesio irrigidisce la parte posteriore nella zona superiore. Le tailored blanks, realizzate su misura, rinforzano il tunnel centrale. Le loro lamiere hanno uno spessore diverso, in funzione della loro posizione.

Per i parafanghi anteriori e i rivestimenti dei sottoporta della R8 si utilizza materiale plastico. Il cofano del vano motore della Coupé è realizzato con materiale composito; i cosiddetti sideblade si possono avere a richiesta in materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio.

Nella R8 Spyder (peso della carrozzeria 216 kg) i profilati predominano più che nella Coupé: la loro quota è del 75%. Nella struttura della sportiva decapottabile ad alte prestazioni sono integrate, come componenti portanti rinforzati con fibra di carbonio, le fiancate posteriori e la copertura del vano capote.

Nell’esclusiva versione top R8 GT, la Audi ha ridotto di 100 kg il peso complessivo della vettura, portandolo a 1.525 chilogrammi. Il portellone, il paraurti posteriore e i sideblade, realizzati in materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio, contribuiscono con 13,3 kg, il sottile alettone in alluminio sopra il vano bagagli con altri 2,6 kg. I cristalli sottili o in policarbonato apportano un risparmio di 9 kg.

Nell’abitacolo un tipo di moquette alleggerita e il telaio dei sedili in materiale plastico rinforzato con vetroresina producono un calo di peso rispettivamente di 7,9 e 31,5 kg.

La Audi A8 (2010)
Anche la terza generazione della A8 presenta dei grossi miglioramenti nella tecnologia ASF. Il mix di materiali della carrozzeria, formata da 251 singoli pezzi, è composto da 13 diversi tipi di alluminio di qualità differente. Inoltre la scocca presenta una novità assoluta: montanti B di acciaio ad altissima resistenza forgiato a caldo. La carrozzeria della berlina con passo normale pesa solo 231 kg, nella A8 L 10 kg in più.

Oltre ai montanti B di acciaio, che rappresentano l’8% del peso, i componenti di alluminio, sia pressofusi che laminati, costituiscono rispettivamente il 35%, cui si aggiungono i profilati estrusi per un totale del 22%. I 25 componenti pressofusi, che in maggioranza sono composti da leghe complesse, pesano in totale 3 chilogrammi in meno rispetto al modello precedente. La maggior parte di loro sono prodotti sottovuoto, un procedimento con cui si raggiunge un alto livello di precisione.

La Audi ha conseguito incrementi fino al 25% per quanto concerne la robustezza dei componenti a resistenza aumentata della carrozzeria, riducendo al contempo lo spessore del materiale e il peso, talvolta anche del 20%. La cosiddetta lega “Fusion” per le lamiere di alluminio da sola consente un risparmio di 6,5 kg. Nelle parti portanti della struttura sono presenti 15 lamiere con lega Fusion. L’”Euro Car Body Award”, ottenuto dalla Audi alla fine del 2010, attesta il gran numero di innovazioni realizzate per la carrozzeria della A8.

La Audi A6 (2011)
Anche le carrozzerie della nuova Audi A6 e della A7 Sportback occupano una posizione di primissimo piano nel panorama concorrenziale del loro segmento. Realizzate in una struttura composita di acciaio e alluminio, pesano circa il 15% in meno di strutture simili interamente in acciaio. Dal momento che sono costituite per oltre il 20% di alluminio, sono di circa
30 kg più leggere della carrozzeria del precedente modello A6.

L’uso di materiali differenti, che prevede la concentrazione dei componenti in alluminio nella parte anteriore del veicolo, permette una migliore distribuzione del carico sugli assi. E soprattutto permette di porre le basi per un impiego coerente e sistematico della struttura leggera. A seconda della versione la A6 pesa fino a 80 kg in meno rispetto al modello precedente; la Audi ha dunque attuato ancora una volta un’inversione della spirale del peso.

La barra trasversale nel vano motore e le traverse dietro il paraurti anteriore e posteriore sono realizzate con profilati di alluminio. I duomi delle sospensioni anteriori sono costituiti da getti pressofusi in alluminio. Il telaio ausiliario dietro la plancia, la cappelliera, la parete divisoria tra abitacolo e bagagliaio, la traversa nel bagagliaio, i parafanghi anteriori, le portiere, il cofano del vano motore e il portellone sono in lamiera d’alluminio. Un nuovo tipo di trattamento permette di verniciare esattamente allo stesso modo i componenti in acciaio e quelli in alluminio.

L’abitacolo della A6 e quello della A7 Sportback comprendono componenti di acciaio forgiato a caldo. Si trovano nelle zone di raccordo fra parte anteriore della vettura e abitacolo, nei montanti A e nella curvatura del tetto, come rinforzi per il tunnel centrale e i sottoporta, nella zona di raccordo fra le soglie e la parte posteriore dell’auto, come traverse di rinforzo nella lamiera del pavimento e come montanti B. In molte zone, per esempio nell’aggregato trasversale della paratia, la Audi utilizza tailored blanks: lamiere di spessore differente, in parte laminate con uno spessore diverso (tailored rolled blanks).

I componenti di acciaio, presenti in alcuni settori delle carrozzerie, seguono già il principio ASF. La A6 e la A7 Sportback testimoniano di un passaggio graduale dalla tradizionale struttura portante al nuovo Multimaterial Space Frame (vedi apposito capitolo).

 .La struttura leggera della Audi oggi.

 La struttura leggera contraddistingue la Audi e rispecchia la dinamicità e l’efficienza del Marchio, e non si limita affatto alle carrozzerie in alluminio di tipo ASF. La struttura leggera è per Audi un principio fondamentale, che abbraccia tanto le carrozzerie in acciaio quanto tutti i componenti del veicolo.

Da quasi due decenni la Audi Space Frame (ASF) è la tecnologia leader nel campo delle carrozzerie a struttura leggera in grandi serie. L’ASF presenta uno graticcio tridimensionale in alluminio con nodi di fusione che collegano i vari componenti e profilati estrusi, mentre le superfici sono chiuse da lamiere interconnesse, che resistono alle forze torcenti. La berlina di lusso A8, la vettura sportiva ad alte prestazioni R8 e la sportiva compatta TT sono dotate di carrozzeria ASF.

Le caratteristiche dell’ASF e le modalità produttive della carrozzeria sono state adattate a ciascuno di questi tre modelli e si differenziano quindi fortemente tra loro. In fase di produzione, la Audi utilizza numerosi procedimenti high-end, dalla saldatura al laser alle viti autofilettanti che collegano tra loro l’alluminio e l’acciaio. Per quanto concerne le carrozzerie in acciaio, come nel caso della A1, della A4 e della Q5, gli acciai forgiati a caldo formano un’ossatura di elevata resistenza. Un principio comune sottende a tutte le tecnologie: la costante ricerca della soluzione più leggera.

Rispetto all’acciaio, una carrozzeria ASF è più leggera almeno del 40%. Offre evidenti vantaggi anche dal punto di vista del bilancio energetico complessivo, incluso il recycling. Lo stesso dicasi per il confronto rispetto a una carrozzeria in grandi serie realizzata interamente in plastica rinforzata con fibre di carbonio (CRFP).

L’inversione della spirale dei pesi, determinata da Audi con la tecnologia ASF, comporta importanti effetti secondari. Alla riduzione del peso della carrozzeria corrisponde l’alleggerimento di altri componenti del veicolo, quali il telaio e il serbatoio. Una riduzione di peso di 100 kg si traduce in una riduzione dei consumi di 0,3 – 0,5 litri ogni 100 chilometri. Dalla trazione al telaio, dall’abitacolo agli impianti elettrici ed elettronici, la guerra al peso intrapresa dagli ingegneri Audi prosegue senza tregua, grammo per grammo.

La natura come modello: le carrozzerie ASF

La struttura leggera Audi ha una grande fonte di ispirazione: la natura, in cui si utilizza sempre e solo il materiale strettamente necessario ad ottenere il risultato migliore. La natura non spreca nulla. In molti ambiti della tecnologia ASF, la Audi segue i principi della bionica, sia nei singoli pezzi che nella struttura globale della carrozzeria.

L’alluminio è un eccellente materiale nel campo della costruzione delle carrozzerie. La sua modesta densità di 2,7 grammi per centimetro cubico lo rende di due terzi più leggero del normale acciaio; la sua relativa duttilità ne permette una facile lavorazione. Le leghe in cui il magnesio e il silicio rappresentano i componenti più importanti assicurano l’elevata resistenza necessaria alle carrozzerie.

Nella crosta terrestre l’alluminio è spesso presente in composti chimici. La materia grezza, il cosiddetto ossido di alluminio, viene ricavato dal minerale di bauxite, che può essere estratto in molte regioni equatoriali e subequatoriali, come per esempio in Australia. Dall’ossido di alluminio si ricava per elettrolisi l’alluminio primario. Tale procedimento viene effettuato soprattutto in Paesi dove si ha una grande disponibilità di energia idroelettrica a basso costo, come per esempio in Norvegia, Canada e Islanda.

Le carrozzerie leggere Audi presentano un aspetto positivo anche in campo ecologico: riducono notevolmente le emissioni di CO2 nell’ambiente. Se da una parte la produzione dell’alluminio primario richiede un maggior dispendio di energia rispetto all’acciaio, è però anche vero che quando si usa normalmente il veicolo, il minore peso della carrozzeria ASF annulla ben presto tale svantaggio, nella Audi A8 dopo aver percorso circa 50.000 chilometri.

Al momento della rottamazione dell’auto, l’alluminio può essere recuperato, trattato, fuso e riutilizzato. Tutti i rottami della produzione Audi, sia delle presse che dei fornitori di lamiere, di profilati e di prodotti a fusione, vengono raccolti, riordinati con precisione e reinseriti nel ciclo dei materiali. La carrozzeria della A8 è composta ormai per il 38% da alluminio riciclato. Il trattamento dei rottami in alluminio di scarto della produzione riordinati necessita fino al 95% in meno di energia rispetto alla produzione primaria.

Questo aspetto contribuisce a migliorare ulteriormente il bilancio energetico delle carrozzerie di alluminio, non solo rispetto all’acciaio ma anche nei confronti del materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio. Oltre a consumare una maggiore quantità di energia in fase di produzione, i materiali in fibra di carbonio hanno anche lo svantaggio di essere poco idonei al riciclaggio.

 .La carrozzeria ASF.

 La struttura di base della carrozzeria Audi Space Frame (ASF) è per certi versi analoga a quella di uno scheletro. L’ossatura è formata dai profilati estrusi e da componenti pressofusi in alluminio. Su questa struttura vengono poi applicate ad accoppiamento dinamico le lamiere d’alluminio con funzione portante, come il pannello del tetto, il pianale o le fiancate, che coprono la scocca. A seconda della loro funzione i componenti dell’Audi Space Frame hanno forme e sezioni molto diverse.

Nell’architettura delle sue carrozzerie ASF, la Audi differenzia fortemente tra le singole serie di modelli. La scocca della sportiva ad alte prestazioni R8 presenta soprattutto profilati estrusi, che costituiscono il 70% dei semilavorati. Per quanto concerne la Coupé TT, invece, le lamiere detengono con il 45% la quota maggiore nell’ambito delle parti in alluminio. Nella struttura della A8, infine, gli elementi pressofusi multifunzionali di grandi dimensioni giocano un ruolo fondamentale; essi rappresentano il 35% del peso.

Le carrozzerie ASF Audi sono inappuntabili sotto tutti i punti di vista: resistenza torsionale, sicurezza in caso di urto e comportamento vibrazionale. La Audi li sottopone ad un costante processo di perfezionamento. Nella A8 la qualità della struttura leggera – ossia il rapporto fra peso, resistenza torsionale e dimensioni – è migliorata del 20% rispetto a quella, già ottima, del modello precedente.

Profilati estrusi

I profilati estrusi vengono generalmente prodotti pressando per mezzo di un pistone ad alta pressione un pezzo grezzo di alluminio attraverso una matrice. Quest’ultima determina la forma esterna. Le spine, in essa presenti, creano le cavità. Le possibili forme geometriche per il profilato sono pressoché illimitate. A circa 450 gradi centigradi la lega è sufficientemente morbida per essere plasmata.

I profilati estrusi hanno il loro punto di forza nella flessibilità creativa. Esternamente i sottoporta della TT Coupé e della TT Roadster, ad esempio, sono apparentemente identici, ma internamente sono ottimizzati topologicamente secondo principi che si ispirano alla bionica. Le loro nervature ne determinano la rigidità, che nella Roadster è ancora maggiore che nella Coupé per compensare la mancanza del tetto. I profilati estrusi della TT sono prodotti in modernissime leghe, sviluppate da Audi, che aumentano la loro solidità e ne riducono ulteriormente il peso.

Ogni profilato estruso ha profilo e sezione ottimizzati per lo specifico utilizzo. Nella Audi A8, ad esempio, al tetto viene impressa la sua forma arcuata tramite formatura ad alta pressione interna, vale a dire per mezzo di un liquido portato ad alta pressione. Nei 3,20 metri di lunghezza la sua sezione varia più volte, ma ogni passaggio è fluido.

Componenti pressofusi

I componenti ottenuti per pressofusione sottovuoto, estremamente resistenti, vengono utilizzati soprattutto nelle zone sottoposte a maggiore sollecitazione e in quelle che richiedono versatilità e libertà di configurazione. Un esempio di componente multifunzionale nella A8 è rappresentato dal raccordo del montante anteriore che collega il longherone, il supporto trasversale del parabrezza, l’intelaiatura del tetto, il duomo della sospensione e il cosiddetto supporto omega davanti al vano piedi. Un altro elemento particolarmente grande funge da tramite fra il sottoporta e il longherone posteriore. Anche le nervature di tale elemento sono realizzate secondo i principi della bionica.

Molti pezzi pressofusi in alluminio, prodotti sottovuoto ad una pressione atmosferica ridotta, si distinguono per l’estrema precisione delle geometrie, per l’elevatissima qualità e l’ottimale sfruttamento degli spazi. Queste forme così complesse sono possibili solo grazie a intelligenti programmi di progettazione e calcolo, che coprono l’intera catena del processo di produzione. È qui che risulta pienamente evidente il know how acquisito in lunghi anni di esperienza.

 .Lamiere di alluminio.

 Le lamiere di alluminio rivestono un ruolo fondamentale nella struttura ASF. Per la A8, la Audi ha scelto un nuovo materiale composito. La cosiddetta lega “Fusion” da sola consente un risparmio di 6,5 kg. Sono 15 le lamiere “Fusion” utilizzate per gli elementi portanti della struttura: nel tunnel centrale, nei rinforzi trasversali del pianale, nel supporto trasversale del parabrezza e nella zona sotto i sedili posteriori.

L’anima del nuovo materiale è costituita da una lega che presenta una resistenza alla trazione superiore a 250 Megapascal. Ciò significa che una striscia di questo materiale di 13 millimetri di spessore e 30 millimetri di larghezza potrebbe sostenere il peso di cinque A8. Esso contiene un certo tenore di rame che, da una parte ne aumenta la robustezza, ma dall’altra ne diminuisce leggermente la resistenza alla corrosione. Per questo motivo viene applicato su entrambi i lati un rivestimento protettivo. Ognuno di questi due strati costituisce circa il 10% dello spessore complessivo. Lo strato coprente fa sì anche che nella pressa sia possibile forgiare la lamiera in modo da ottenere curvature molto strette e spigoli acuti, nonostante la presenza dello strato interno ad alta resistenza.

 .Hightech – Le carrozzerie di alluminio nella produzione.

 Nel 1994, 17 anni fa, fu costruita in serie la prima Audi A8 con carrozzeria ASF. Da allora Audi ha arricchito sensibilmente il suo know how. Nel campo della costruzione di carrozzerie in alluminio il marchio con i quattro anelli occupa una posizione di primo piano rispetto alla concorrenza, come dimostra il gran numero di brevetti posseduti.

La produzione delle carrozzerie ASF è estremamente complessa. Per realizzare tali carrozzerie è necessario produrre, prima, dei semilavorati – elementi pressofusi, profilati estrusi, lamiere di alluminio e acciai forgiati a caldo – e dei componenti singoli. Buona parte di questa produzione avviene negli stabilimenti di Neckarsulm (Germania) e di Ingolstadt (Germania), come pure la costruzione degli impianti, delle apparecchiature e degli attrezzi necessari per la lavorazione.

In ogni fase del lavoro è necessaria la massima precisione. Alle presse, per esempio, l’alluminio richiede un know how particolare, perché presenta delle caratteristiche di forgiabilità inferiori rispetto all’acciaio imbutito. Esige un trattamento più complesso e competenze tecniche superiori per quanto riguarda le superfici. La lamiera di alluminio dispone di una maggiore elasticità di ritorno, per cui per mantenere la precisione delle misure bisogna essere dotati di un’esperienza e di un know how tecnico maggiori. L’alluminio richiede inoltre calcoli più approfonditi, maggiore esperienza e maggiore abilità artigianale per la realizzazione degli attrezzi e per la forgiatura. Già nelle prime fasi della progettazione dei componenti gli specialisti della produzione lavorano fianco a fianco con i loro colleghi dello sviluppo e del design.

All’assemblaggio della carrozzeria i singoli componenti, con le loro diverse classi di resistenza, le parti in magnesio e le parti in acciaio ad alta resistenza formano una specie di puzzle che pone gli ingegneri Audi di fronte a numerose sfide. Anche l’effetto prodotto dalle alte temperature durante i processi di verniciatura deve essere preso in considerazione in fase di progettazione dell’architettura della carrozzeria, dei singoli componenti e dell’assemblaggio.

Costruzione della carrozzeria Audi R8

La carrozzeria della sportiva ad alte prestazioni Audi R8 è fabbricata quasi completamente a mano nello stabilimento di Neckarsulm. In una prima fase vengono costruite separatamente le parti anteriore e posteriore della vettura e la parte centrale del fondo. Una volta unite tali parti a formare il sottoscocca, viene aggiunta la carrozzeria, realizzata in diversi semilavorati di alluminio.

In una cosiddetta “postazione geometrica” il cofano anteriore e, limitatamente alla Coupé, le fiancate posteriori vengono avvitati alla scocca per mezzo di un apposito telaio di montaggio ad alta precisione.

A rinforzo del tunnel centrale sono presenti delle tailored blanks, fatte su misura e particolarmente leggere, che permettono di ridurre il peso di circa un chilo. Prima della pressatura, vengono unite lamiere di spessori diversi attraverso un processo di saldatura chiamato “friction stir welding”. Grazie a questo processo all’avanguardia è possibile effettuare saldature particolarmente compatte, prive di pori ed estremamente precise e stabili. Audi è il primo costruttore automobilistico del mondo a utilizzare tailored blanks di alluminio.

Sulla R8 Spyder, sulla quale le fiancate di materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio vengono montate solo in una fase finale dell’assemblaggio, anche il montaggio del modulo capote ha luogo nella postazione geometrica. Il modulo premontato è composto, oltre che dal soft top, dal motorino di azionamento, dal vano di alloggiamento, dai roll bar e dalla grande copertura, anch’essa in materiale plastico rinforzato con fibre di carbonio. Il modulo contribuisce ad aumentare la rigidità della carrozzeria.

Nella Coupé i vari componenti della carrozzeria sono collegati da 99 metri di saldatura MIG (Metal Inert Gas), da 782 rivetti autoperforanti e da 308 viti autofilettanti inserite automaticamente. Inoltre vengono utilizzate diverse aggraffature. Nella R8 Spyder i metri di saldatura sono 107, i rivetti 814 e le viti 188. In entrambe le versioni la scocca comprende un telaio del motore portante in magnesio.

Un impianto di misurazione laser totalmente automatico controlla l’esattezza delle quote di ogni carrozzeria, rilevando anche differenze di un decimo di millimetro. Gli scanner lavorano senza toccare i componenti, controllando nell’arco di cinque secondi 220 punti grazie ai 95 sensori laser di cui sono dotati. Il tomografo computerizzato, con il quale la Audi effettua i controlli a campione, rende la misurazione ancora più precisa. I raggi X permettono infatti di rilevare divergenze dell’ordine di pochi micrometri.

Costruzione della carrozzeria Audi A8

Anche l’attuale A8, come del resto anche il modello precedente, viene costruita nello stabilimento Audi di Neckarsulm. Dato l’elevato numero di unità prodotte, la costruzione della carrozzeria è quasi completamente automatizzata. La pluriennale esperienza accumulata con l’alluminio in questa sede produttiva ha permesso agli specialisti di acquisire una grande competenza in questo campo. Audi ha investito 240 milioni di euro per la produzione della nuova berlina di lusso.

Nell’anno 2008 il reparto di costruzione degli attrezzi di Neckarsulm è stato ampliato. Nel 2009 ha fatto seguito l’ampliamento delle presse. Il reparto ha le dimensioni di un campo di calcio e alloggia, fra l’altro, un nuovo impianto per il taglio del nastro, con cui, attraverso una misurazione basata sul principio della corrente di Focault, è possibile controllare la qualità della lamiera prima del taglio. Gli scarti vengono raccolti, differenziati e riciclati. Il cuore della pressa è però la cosiddetta pressa transfer a ventose, una macchina gigantesca capace in un giorno di lavoro di dare forma a 35.000 pezzi con una pressione massima di 8.000 tonnellate.

La tecnica di giunzione dei semilavorati nella costruzione della carrozzeria è stata notevolmente perfezionata per la A8. Alla Audi si utilizzano tecniche diversissime di giunzione meccanica e termica. 1.847 rivetti, 632 viti autofilettanti, 202 punti di saldatura, 25 metri di cordone di saldatura MIG (Metal Inert Gas) e 6 metri di cordone di saldatura al laser tengono insieme la carrozzeria, con l’ausilio di una serie di linee di incollaggio della lunghezza complessiva di 44 metri. Per la linea della A8 vengono utilizzati 215 robot, 48 impianti di incollaggio, 106 apparecchiature automatiche per viti autofilettanti, quasi 300 sistemi di rivettatura, 15 sistemi di saldatura perni e diverse saldatrici MIG.

Tre macchinari rappresentano dei veri e propri gioielli tecnologici. I montanti B in acciaio forgiato a caldo sono collegati alla struttura ASF tramite delle viti autofilettanti. Il cosiddetto Framer fissa le grandi fiancate all’ossatura ASF mediante aggraffature, saldature e rivetti. Un impianto di saldatura al laser unisce le fiancate con il tetto. La fuga zero, praticamente invisibile, che viene a crearsi, richiede una precisione caratterizzata da una tolleranza massima di tre decimi di millimetro. Il cordone finito viene levigato con spazzole.

La fuga zero fra due parti di alluminio è uno dei settori su cui si concentra e si esalta la precisione Audi. La saldatura al laser permette di collegare perfettamente lamiere di grandi dimensioni alla scocca, poiché, grazie ai suoi collegamenti di forma lineare, si ottengono una robustezza e una rigidità più alte rispetto a una serie di singoli punti di saldatura.

Un impianto di misurazione ottica al laser, formato da dieci unità, permette di controllare la produzione di tutte le carrozzerie ASF. La prima controlla il gruppo pavimento, l’ultima la scocca finita. In totale vengono verificati più di 2.000 punti importanti. Un impianto di misurazione tattile, che monitora oltre 100 punti, un grande tomografo computerizzato e una cella di misurazione ottica GOM effettuano regolarmente delle prove a campione delle intere carrozzerie o di singoli componenti.

Come avviene per tutti gli altri settori di attività della Audi, anche la produzione della nuova A8 ha luogo salvaguardando il più possibile le risorse naturali. L’utilizzazione delle cosiddette tecniche di giunzione fredde, come per esempio l’uso di viti autofilettanti, riduce il fabbisogno di energia. Grazie alla realizzazione di leghe pressofuse di alluminio sempre più sofisticate, non è più necessario indurire molti pezzi nei forni. Alla Audi anche la produzione sostenibile è high-tech.

Costruzione della carrozzeria della Audi TT

L’alluminio e l’acciaio sono due materiali difficili da far convivere. Se scaldati, infatti, si dilatano in maniera diversa, perciò non è possibile unirli attraverso la saldatura. Inoltre sussiste il rischio di corrosione da contatto nella zona di collegamento. La Audi è riuscita a trovare delle soluzioni a questo problema. Nella TT infatti è presente una struttura ibrida ASF di acciaio e alluminio.

Già nella fase di progettazione dei componenti si tiene conto della diversa dilatazione dei materiali dovuta al riscaldamento, come per esempio accade quando alla carrozzeria grezza viene applicato per immersione lo strato di fondo. Questi materiali vengono collegati attraverso ribaditure, linee di incollaggio e viti autofilettanti. Nella carrozzeria della TT Coupé sono presenti 229 viti, nella TT Roadster 250. Nel fondo dell’abitacolo ne esistono 98.

Le viti autofilettanti vengono applicate da un robot. L’alto numero di giri del motorino elettrico e la grande pressione esercitata producono una leggera fusione del materiale di cui è composto il componente. Durante questo processo il sistema robotizzato, comandato da un sensore, modifica più volte il numero di giri e la forza. Il calore prodotto dall’attrito fa sì che il materiale si ammorbidisca e aderisca perfettamente alla filettatura, lasciando penetrare la vite senza danneggiare il pezzo.

Le viti autofilettanti presentano numerosi vantaggi. Si possono utilizzare infatti anche su componenti difficili da raggiungere o accessibili solo da un lato. La sequenza di applicazione delle viti è un processo sicuro e flessibile. La filettatura è talmente resistente da permettere di riutilizzare le viti anche dopo una riparazione. Questo procedimento non comporta alcuna deformazione termica.

Nell’80% delle giunzioni l’adesivo strutturale aumenta ancora di più la rigidezza. L’adesivo crea inoltre uno strato divisorio che risolve il problema della corrosione da contatto. Un sistema di telecamere controlla che l’adesivo venga applicato correttamente. Nella TT la fuga zero del tetto e importanti cordoni nella zona del sottoporta vengono creati con saldature al laser.

Costruzione della carrozzeria di Audi A6, A7 Sportback e Q7

La A7 Sportback e la nuova A6 contengono nelle loro carrozzerie di acciaio numerosi componenti di alluminio. Con questo materiale sono costruite, per esempio, le portiere, per le quali la Audi ricorre, come pure per il portellone posteriore, a innovativi laser a diodi. Sono estremamente veloci e consumano oltre il 90% di energia in meno dei sistemi precedenti a laser fisso, contribuendo in questo modo a ridurre le emissioni di CO2 di 3.060 tonnellate all’anno. Dodici di questi nuovi laser realizzano circa 50 cordoni di saldatura per portiera: in soli 75 secondi è pronto un gruppo saldato. Per lo stabilimento di Neckarsulm (Germania), dove vengono prodotti entrambi i modelli, Audi ha investito circa 700 milioni di Euro.

I laser a diodi sono usati anche per la costruzione del portellone di alluminio della Audi Q5, per unire le due parti esterne mediante un lungo cordone. Inoltre, per la zona dei fanali posteriori, alla Audi si utilizza la tecnica di saldatura cosiddetta Cold Metal Transfer (CMT). Questo procedimento sviluppa relativamente poco calore, quindi anche poca dilatazione, e si presta soprattutto per zone complesse e per la giunzione di lamiere di diverso spessore.

Le carrozzerie di acciaio

L’impiego della tecnologia ASF assicura alla Audi una posizione assolutamente privilegiata nel panorama della concorrenza. Ma il Marchio è all’avanguardia anche per quanto riguarda le carrozzerie a struttura portante, con modelli dai grandi volumi di vendita come la A1, la A4 e la Q5.

La Audi A1

La carrozzeria della A1 rappresenta una pietra miliare nella costruzione di carrozzerie a struttura portante: è composta per due terzi da acciai ad alta e altissima resistenza di differenti classi di robustezza. Prevale la presenza di acciai forgiati a caldo, che costituiscono l’11% della scocca. Vengono utilizzati per le traverse dei vani piedi dei longheroni posteriori e per i montanti A e B, vale a dire per i punti in cui è particolarmente importante che i componenti siano estremamente resistenti ed abbiano allo stesso tempo un peso contenuto.

Gli acciai forgiati a caldo contribuiscono in misura determinante al peso, di appena 221 kg, della carrozzeria della A1: il risultato migliore nel segmento delle compatte premium. In combinazione con l’alta rigidità torsionale, questo peso contenuto fornisce un ottimo risultato in fatto di struttura leggera.

Gli acciai forgiati a caldo, utilizzati dalla Audi in molti suoi modelli, dalla A1 alla A8, coniugano peso basso e resistenza massima. Molti di essi vengono prodotti all’interno dell’azienda, come avviene per esempio per la maggior parte dei montanti B. Nel reparto presse sud dello stabilimento di Ingolstadt si trovano due forni a gas naturale alti circa 23 metri. Alla loro entrata si trova un braccio robotizzato che dispone la lamina d’acciaio su un sostegno. Questa lamina attraversa in quattro minuti il forno su dei rulli di ceramica, raggiungendo una temperatura di oltre 920 gradi. All’uscita un braccio prensile trasporta velocemente la lamina incandescente e la inserisce in una pressa idraulica, che esercita su di essa una pressione di oltre 600 tonnellate.

Nello stampo sono presenti dei tubi di raffreddamento, in cui scorre acqua fredda; la lamiera viene portata rapidamente a una temperatura di circa 180 gradi. La cosiddetta struttura martensitica, che si viene a formare, presenta una resistenza alla trazione elevatissima, fino a 1.500 Megapascal, come quella dei cavi che sostengono un ponte sospeso, nei quali un singolo filo metallico con una sezione di un millimetro quadrato è in grado di sostenere 150 Kg di peso. È così solida che dopo può essere lavorata solo con il raggio laser o con attrezzi rivestiti di uno strato di diamante.

I montanti B vengono parzialmente bonificati al fine di modificarne in maniera mirata le proprietà di deformazione: in caso di impatto laterale, la parte inferiore dei montanti subisce deformazioni più marcate che nella parte superiore, per ammortizzare in quel punto quanta più energia possibile. La Audi ha sviluppato autonomamente questo principio e il relativo processo produttivo ed è stata la prima casa automobilistica a impiegarlo.

Un ulteriore fattore che contribuisce a incrementare la rigidità della carrozzeria della A1 è costituito dalle tecniche di giunzione utilizzate nel nuovo stabilimento di produzione della Audi di Bruxelles. In ogni automobile sono applicati 66 metri di colla speciale, in parte con procedimenti di monitoraggio ottico. La colla assicura delle giunzioni salde e, allo stesso tempo, a tenuta. Ciò rende superflui ulteriori lavori di sigillatura in molti altri punti, con un conseguente risparmio di peso.

La Audi A4

Anche la A4, il modello Audi più venduto, è una delle vetture più leggere del suo segmento; con la motorizzazione 1.8 TFSI ha un peso di soli 1.410 kg. Nonostante il passo allungato di 15 centimetri, l’abitacolo più largo e le specifiche d’uso sempre più complesse, la carrozzeria in acciaio è più leggera di quella del modello precedente.

I presupposti per questo risultato positivo sono dati dal mix di materiali che trova applicazione nel cosiddetto sistema di componenti longitudinali modulari della gamma di modelli. Nella A4 berlina solo il 38% del peso è da attribuire al tradizionale acciaio imbutito. Gli acciai ad alta resistenza costituiscono il 32%, quelli ad altissima resistenza il 18%. Il rimanente 12% è rappresentato da acciai superresistenti forgiati a caldo.

Nella carrozzeria grezza della Audi A4 vengono utilizzati 34 kg di acciaio forgiato a caldo, che nel complesso fa risparmiare 9 chili di peso.

Anche per la giunzione delle lamiere la Audi utilizza tecnologie altamente sofisticate. Rispetto al modello precedente, il numero dei punti di saldatura si è ridotto da circa 6.500 a circa 5.500, mentre la lunghezza complessiva delle linee di incollaggio è aumentata passando da 26 a 125 metri. L’adesivo aumenta la resistenza del collegamento e, di conseguenza, anche quella dell’intera struttura. In molte zone i cordoni sono sbalzati. Ciò permette di risparmiare per ogni veicolo il 30% di adesivo, ossia 0,25 kg di peso.

L’innovativa saldatura Plasmatron viene utilizzata per la canalina di scolo dell’acqua intorno al bagagliaio e per la cosiddetta fuga zero tra fiancata e padiglione, zona particolarmente difficile da saldare in qualsiasi auto. La tolleranza consentita è inferiore a 0,1 millimetri. I listelli di copertura sul tetto, normalmente usati da molte altre case automobilistiche, possono essere eliminati.

Per quanto riguarda la famiglia A4, nelle soglie e nelle porte si utilizza la cosiddetta saldatura laser remota. Si tratta di un processo di saldatura estremamente efficiente: il raggio laser viene indirizzato verso un dispositivo ottico a specchio che lo concentra sul punto in cui si deve eseguire la saldatura. La testina del laser può muoversi continuamente e rapidamente sul componente, a una distanza relativamente grande. La saldatura al laser remota consente di realizzare delle flange di saldatura molto strette e leggere.

La Audi Q5

Il SUV Audi, sviluppato assieme ai modelli delle famiglie A4 e A5, è dotato di una delle carrozzerie grezze più leggere del suo segmento. Gli acciai forgiati a caldo, presenti nella sua scocca, pesano in totale solo 44 chilogrammi. Questo significa che pesano 15 kg (ossia un buon 20%) in meno rispetto ai componenti tradizionali. Le tailored rolled blanks – lamine di spessore differente –, collocate nella zona posteriore del pavimento, riducono il peso di 1,9 kg.

Inoltre la Audi fa uso dell’alluminio in alcune parti della carrozzeria della Q5. I sistemi di ammortizzazione situati davanti ai longheroni anteriori, che sono costituiti di questo materiale, pesano complessivamente meno di cinque chili, pur avendo eccellenti proprietà di assorbimento dell’energia in caso di impatto.

Il cofano del vano motore e il portellone posteriore sono anch’essi di alluminio. Il cofano pesa 8,1 kg meno di un componente simile di acciaio.

Nel 2008, la Audi ha ricevuto per la Q5 l’“Euro Car Body Award”, il più importante premio a livello mondiale per le innovazioni nell’ambito della costruzione della carrozzeria.

Grammo per grammo: la struttura leggera nel complesso del veicolo

La struttura leggera non rappresenta per la Audi un settore a se stante, ma un’attitudine mentale, un approccio globale che interessa tutti gli ambiti del veicolo. Oltre alla carrozzeria, anche il motore, il telaio, l’abitacolo e l’impianto elettrico contribuiscono notevolmente alla riduzione del peso complessivo, talvolta nell’ordine delle decine di chili, altre volte con un numero modesto di grammi, ognuno dei quali però conta!

Il componente più pesante di un autoveicolo, dopo la carrozzeria, è il motore. Anche in questo campo la Audi compie notevoli sforzi per diminuire il peso. Una strada da percorrere è il cosiddetto downsizing, ossia la riduzione della cilindrata compensata da un corrispondente incremento della sovralimentazione, come nel caso del nuovo 3.0 TDI. Questo potente motore V6 pesa solo 193 kg, ben 25 kg in meno del suo predecessore. Solo il basamento in ghisa grafitica vermicolare ad alta resistenza pesa, grazie alla riduzione dello spessore delle pareti, sei kg in meno.

Anche l’impianto di scarico rappresenta un campo interessante nel contesto della costruzione leggera. Nella nuova Audi A6 2.0 TDI l’intero impianto, compreso il catalizzatore, pesa solo 23,7 kg, cioè 9,7 in meno del modello precedente. Tale differenza è data dall’utilizzazione di acciai con un alto tenore di cromo e da nuovi metodi di calcolo in fase di progettazione. La Audi sta sviluppando per il futuro degli impianti di scarico dotati dei cosiddetti tailored strips e tailored tubes. Questi elementi presentano nelle diverse zone uno spessore differente, a seconda delle sollecitazioni cui sono sottoposti. Questo accorgimento frutta un risparmio di peso di oltre il 10%.

Da alcuni anni la Audi utilizza, per collegare il cambio con il motore, viti di alluminio che consentono di risparmiare 0,6 kg. L’impiego del magnesio per tutta la scatola del cambio permette di risparmiare 4,5 kg rispetto all’alluminio.

Per il supporto del cambio della Audi A8 4.2 TDI è stato fatto uso per la prima volta di una traversa del tunnel in magnesio. Rispetto al corrispondente componente in alluminio si risparmiano, a parità di resistenza e di rigidità, 0,76 kg.

La RS 5, la A7 Sportback e la nuova A6 possono vantare l’ultima generazione della trazione integrale permanente quattro, in cui il differenziale centrale a corona dentata ha un peso di 4,8 chili, circa 2 in meno del modulo precedente. L’albero di trasmissione non è unito a esso mediante viti ma con collegamento a innesto, una soluzione che consente di risparmiare altri
0,6 kg.

In molti modelli Audi i componenti del telaio sono realizzati principalmente o totalmente in alluminio. Nella compatta A3, per esempio, il telaio ausiliario, i bracci trasversali e i supporti oscillanti delle sospensioni anteriori pesano complessivamente solo 14,4 kg. Se fossero stati di acciaio avrebbero pesato 5,9 kg di più. Tutti i modelli Audi hanno la scatola dello sterzo in alluminio fuso.

Il servofreno della A8 ha subìto una contrazione di peso del 30% rispetto al modello precedente. Nella TT le lamiere di copertura dei freni in alluminio pesano solo 149 grammi ciascuna, neanche la metà dei corrispondenti componenti in acciaio. Ciascuno dei dischi dei freni in materiale carboceramico, utilizzati dalla Audi nei suoi modelli più prestigiosi, pesa circa 5 chili meno di uno stesso disco di acciaio.

I dischi dei freni in acciaio di molti modelli Audi di categoria superiore sono in ghisa grigia, mentre i mozzi sono in alluminio; delle colonnette di acciaio collegano gli uni agli altri. Per altri modelli, la Audi ha sviluppato una tecnologia affine, che prevede per tale collegamento colonnette costituenti un corpo unico con il mozzo. Il vantaggio in termini di peso, rispetto a un normale disco, si aggira intorno al 30%, vale a dire fino a 5,5 kg per disco.

Anche le ruote incidono sensibilmente sul peso complessivo. Alcuni tipi di ruote sono realizzati con la cosiddetta tecnica del flowforming, con la quale il canale del cerchio viene laminato per mezzo di un cilindro ad alta pressione e ad una temperatura elevata. L’impianto modella la ruota grezza in un unico passaggio, nel corso del quale il materiale viene compresso, rendendo possibile una riduzione del suo spessore. La ruota diviene così più leggera e allo stesso tempo più robusta.

Esiste tuttavia una nuova tecnica ibrida, alternativa al flowforming, con la quale il canale del cerchio e la stella vengono costruiti separatamente e poi saldati l’una all’altro. In questo modo è possibile produrre anche ruote grandi con un peso inferiore a 10 kg, ottenendo così un risparmio di oltre
2 kg.

Anche l’alleggerimento dei componenti dell’abitacolo contribuisce a contenere il peso complessivo. Il pianale di carico della Audi Q5 è in poliuretano con struttura a nido d’ape invece di essere composto da strati di legno incollati: questo ha consentito di risparmiare 2,5 kg di peso.

Nella TT Coupé, A3 Cabriolet e A5 Cabriolet il retro degli schienali posteriori reclinabili è formato da un materiale plastico pregiato. Il componente pesa 2,5 kg, cioè la metà del peso di uno in acciaio, pur mantenendo lo stesso livello di sicurezza. L’ossatura del volante è di magnesio, con antivibrante integrato, standard per la Audi, e permette di risparmiare circa 0,4 kg di peso.

Nella parte terminale della capote la A5 Cabriolet ha una piastra in magnesio pressofuso che pesa 1,5 kg in meno rispetto a un componente simile in alluminio. L’impiego per il parabrezza di una nuova pellicola acustica di materiale plastico permette in molti modelli di ridurre lo spessore del vetro e di ottenere un parabrezza fino a 2,4 kg più leggero con migliori proprietà acustiche.

In molti modelli Audi per l’isolamento acustico e il contenimento delle vibrazioni si ricorre a isolanti a spruzzo che pesano 2 kg meno delle tradizionali stuoie di bitume. Nell’abitacolo dei nuovi modelli si utilizzano inoltre dei leggeri panni di microfibra fonoassorbenti.

Un altro campo importante in tema di struttura leggera è rappresentato dall’impianto elettrico ed elettronico. Nella A8, nella A7 Sportback e nella nuova A6 i cavi della batteria non sono di rame, ma di un materiale molto più leggero: l’alluminio. In molti cavi dell’impianto elettrico è stata ridotta la sezione, con una diminuzione di 2 kg nella A6 e addirittura di 8 kg nella A8 nei confronti dei rispettivi modelli precedenti.

Il motorino senza spazzole del ventilatore del climatizzatore automatico comfort della A6 è più leggero di 317 grammi. L’intero circuito frigorifero pesa meno di 10 kg. Anche la crescente integrazione dei componenti dell’infotainment, per esempio nel sistema di navigazione MMI Plus o negli amplificatori dell’Advanced Sound System della Bang & Olufsen, ha come effetto un contenimento del peso.

La Audi segue fedelmente il principio della struttura leggera anche per quanto riguarda i componenti tecnici per la mobilità elettrica del futuro. L’impianto elettronico di potenza della Audi Q5 hybrid quattro, costituito da un inverter a pulsazioni e da un convertitore DC/DC integrato, pesa solo nove chili, vale a dire circa la metà del suo predecessore montato sul prototipo della Audi Q7 hybrid. La batteria a ioni di litio, alloggiata nella zona posteriore, pesa appena 38 kg.

 .Innovazioni d’avanguardia: la struttura leggera nel futuro.

 Alla Audi, il futuro della struttura leggera è già cominciato. Il Centro Costruzioni Leggere Audi (ALZ) lavora a ritmi serrati sulla messa a punto di nuovi materiali, procedimenti e processi. Nel 2010 questa struttura è stata ampliata con l’aggiunta di un centro studi e ricerche, la cui attività si concentra prevalentemente sulle materie plastiche rinforzate con fibre (FRP).

Nel campo della struttura leggera, la Audi persegue una strategia altamente integrata, collaborando con università, politecnici e istituti di ricerca. In collaborazione con produttori di materie prime e fornitori selezionati, la Audi sviluppa, fino alla produzione in serie, soluzioni innovative per le strutture leggere, basate sull’impiego dell’alluminio, dell’acciaio, del magnesio e delle plastiche rinforzate con fibre di carbonio.

Nel loro sforzo di ricerca di nuove soluzioni, gli ingegneri Audi continuano ad alimentare la competizione tra i diversi materiali: i metalli tradizionali hanno ancora un notevole potenziale da offrire, grazie anche all’utilizzo di nuove tecnologie di collegamento, all’ottimizzazione delle tecnologie esistenti e alla creazione di nuove leghe caratterizzate da maggiore resistenza e minor peso. I materiali FRP, tra cui predominano le plastiche rinforzate con fibre di carbonio, sono in grado di rinforzare i componenti metallici o addirittura di sostituirli in alcuni settori, offrendo numerose soluzioni innovative soprattutto per i veicoli a trazione elettrica del futuro. Il Gruppo Audi è leader nella simulazione di impatto con materiali CFRP.

Già oggi la Audi sta sviluppando ulteriormente la tecnologia ASF: sta nascendo infatti la struttura Multimaterial Space Frame, che combina tutti questi materiali tra loro, con forti differenziazioni a seconda del modello di veicolo. A medio termine le nuove strutture ASF sostituiranno nei modelli Audi le tradizionali carrozzerie con struttura portante in acciaio. Questa nuova tecnica contribuirà a ridurre ancora il peso.

 .La fucina delle idee: il centro per lo studio della struttura leggera.

 Se si vuole rafforzare il proprio primato, si devono trovare continuamente delle nuove soluzioni. Fedele a questo principio, la Audi ha fondato presso lo stabilimento di Neckarsulm (Germania) un proprio centro per lo sviluppo, la pianificazione della produzione e il controllo qualità. Nel 2003 questa unità organizzativa venne battezzata “Centro studi e ricerche per le costruzioni leggere e in alluminio” (ALZ). Dal 2009, pur mantenendo la stessa sigla, viene chiamata “Centro Costruzioni Leggere Audi”.

Il Centro Costruzioni Leggere Audi è una fabbrica di idee al servizio di tutta l’azienda, una sorta di punta di diamante nel campo dello studio della struttura leggera. I circa 180 specialisti attivi a Neckarsulm studiano tutti quegli aspetti che promettono di essere importanti in futuro: i materiali e le loro leghe, le tecniche di lavorazione e forgiatura, i metodi e i processi. Il Centro Costruzioni Leggere Audi pone le basi per la carrozzeria del futuro e, allo stesso tempo, per i procedimenti necessari alla sua fabbricazione.

Le scoperte fatte qui, dove operano oltre 180 esperti, hanno prodotto ad oggi centinaia di brevetti nell’ambito dello sviluppo e della produzione. L’ufficio europeo brevetti ha insignito del premio “European Inventor of the Year 2008” il marchio Audi per i risultati ottenuti con la tecnologia Audi Space Frame (ASF).

La Audi ha finora vinto quattro volte l’“Euro Car Body Award”, il più importante premio a livello mondiale nel settore della costruzione della carrozzeria: la prima volta nel 2003 con la A8, poi nel 2006 con la TT, nel 2008 con la Q5 e di nuovo con la A8 nel 2010. Grazie a questi risultati, la Audi può vantarsi di essere la casa automobilistica che ha ottenuto più successi in questa competizione.

A metà 2010, la Audi ha inaugurato a Neckarsulm, in seno al Centro Costruzioni Leggere, un’altra fucina di idee: il “Centro studi e ricerche sulle materie plastiche rinforzate con fibre” (FRP). In esso lavorano circa 30 addetti fissi e 20 a tempo determinato, questi ultimi provenienti da altri rami dell’industria e dalle università. Il team si occupa di materiali plastici a fibra rinforzata, di materiali in fibra di carbonio, fibre di vetro e altri materiali dalle grandi potenzialità.

L’obiettivo è quello di ottenere da ogni materiale il massimo in funzione del peso, della funzionalità e della producibilità.

Il Centro studi e ricerche sulle materie plastiche rinforzate con fibre (FRP) permette di avere nello stesso luogo l’intera catena del processo di sviluppo. I ricercatori sono in grado di produrre i componenti in fibra di carbonio con diversi procedimenti e di unirli in gruppi in modo da formare sottoscocca e carrozzeria, anche in combinazione con acciaio e alluminio. I componenti finiti sono sottoposti a test di impatto frontale, a test di durata e di altro tipo, alla fine dei quali ottengono eventualmente l’approvazione per la produzione in serie. L’installazione completa della tecnologia impiantistica necessaria si concluderà nel corso dell’anno.

 .Il futuro è cominciato: l’elaborazione dell’Audi Space Frame.

 Alla sua apparizione, 17 anni fa, la carrozzeria Audi Space Frame (ASF) in alluminio fu un’innovazione rivoluzionaria. Oggi alla Audi si lavora per far compiere a questa tecnologia un decisivo passo in avanti, dando vita al Multimaterial Space Frame, con il quale si combinano componenti in alluminio con altri in acciaio e con materiali plastici rinforzati con fibre di carbonio. Il futuro è già iniziato, con le carrozzerie della A7 Sportback e della nuova A6.

Nuove strade per la carrozzeria in acciaio

Nell’odierna industria automobilistica le carrozzerie in acciaio vengono costruite con la tradizionale struttura portante. Diversamente dall’elegante principio dello Space Frame di Audi, la struttura portante non permette di separare le funzioni dei singoli componenti, molte lamiere devono quindi soddisfare diversi requisiti contemporaneamente. Il principio della struttura portante non offre ormai più grandi potenzialità per quanto riguarda il contenimento del peso. La Audi abbandonerà progressivamente tale tecnica, a favore del nuovo Multimaterial Space Frame, e metterà a frutto in maniera innovativa il suo know how nella lavorazione dell’acciaio.

La nuova A6 e la A7 Sportback indicano la via da seguire. Quantunque le loro carrozzerie grezze siano costituite prevalentemente da acciai di differenti classi di resistenza, in alcuni settori la struttura segue già il principio Space Frame. Il longherone posteriore della A6 è costituito da un profilato di acciaio con piastre saldate. Nella A8, con la sua classica struttura ASF, in quella zona si trova un elemento pressofuso in alluminio con nervature interne. I due componenti sono simili sia per proprietà che per aspetto. Il sottoporta di acciaio della A6 viene realizzato tramite laminazione e integrato nella struttura in modo molto analogo a quanto avviene nella A8 con il profilato estruso in alluminio.

Nella A6 viene creato, con diversi pezzi di acciaio ad alta resistenza, una sorta di nodo che funge da elemento di raccordo fra montante A, sottoporta e paratia. Nella A8 si utilizzano invece due pezzi di alluminio pressofuso che svolgono essenzialmente le stesse funzioni. E per quanto riguarda i duomi della sospensione delle ruote anteriori della A6, si tratta di complessi elementi pressofusi in alluminio, costruiti con grande precisione, simili a quelli della berlina di lusso.

Ad essi vengono avvitati direttamente i bracci del telaio. I supporti di alloggiamento, un tempo usuali, sono stati soppressi.

La Audi intende procedere su questa strada anche per i modelli futuri. Molte soluzioni importanti del Multimaterial Space Frame sono in realtà praticamente già mature per la produzione in serie.

Nuove tecniche di giunzione

La struttura MSF rende necessario l’impiego di nuove tecniche di giunzione, per unire saldamente l’acciaio, l’alluminio e i materiali plastici a fibra rinforzata. La Audi sta affinando queste tecniche in collaborazione con i suoi fornitori. Le viti autofilettanti, già utilizzate in modelli come la TT, si prestano ad essere usate anche per collegare parti in alluminio con altre in fibra di carbonio, per esempio nell’ambito dei longheroni. Uno strato di adesivo, oltre a sigillare la zona di collegamento, previene il rischio di corrosione da contatto che può essere causata dai materiali plastici rinforzati con fibra di carbonio.

Un altro procedimento particolarmente sofisticato, la saldatura per attrito, consente la giunzione di acciaio e alluminio. Un elemento di acciaio, una sorta di ribattino, ruotando velocemente ed esercitando una grande pressione, perfora una lamiera di alluminio. In questo modo ha luogo una saldatura per attrito che collega l’alluminio con la lamiera di acciaio sottostante. Degli sviluppi molto promettenti si hanno anche nella tecnica delle giunzioni a ribattino e nella saldatura a resistenza a punti applicata all’alluminio.

Flessibilità della struttura MSF

Nell’uso e nel dosaggio dei materiali nell’ambito del Multimaterial Space Frame i ricercatori Audi godono di una libertà d’azione quasi illimitata. Possono disegnare l’architettura di qualsiasi carrozzeria adeguandola in modo ottimale alle diverse esigenze tecniche: alla distribuzione desiderata del carico sugli assi, al numero di veicoli da costruire o alla flessibilità necessaria all’interno di una grande gamma di modelli. L’obiettivo è sempre quello di ottenere le prestazioni migliori con il minor impiego di materiale.

Tutte le future carrozzerie Audi avranno in comune tre punti di forza: potranno essere riparate facilmente, avranno una cella dell’abitacolo estremamente sicura e saranno all’avanguardia dal punto di vista della leggerezza. La struttura MSF permette già in una prima fase una riduzione di almeno il 10% rispetto allo stato attuale delle cose. Nella nuova A6 la struttura è stata alleggerita di 30 kg nonostante l’aumento della larghezza. Nell’immediato futuro i materiali plastici a fibra rinforzata (cfr. capitolo in merito) e altre nuove tecnologie consentiranno di diminuire ulteriormente il peso.

Il principio della struttura leggera non significa per la Audi limitarsi all’impiego di un unico materiale, ma piuttosto fare un uso intelligente e vario dei materiali più diversi. Il marchio dei quattro anelli continuerà anche in futuro ad occupare una posizione di supremazia in questo settore.

 .Innovazione permanente: i materiali.

 Alluminio, acciai ad altissima resistenza, materie plastiche rinforzate con fibre: grazie al suo continuo lavoro di ricerca e sviluppo, la Audi ha acquisito profonde conoscenze su tutti i materiali utilizzati per la carrozzeria, sul loro potenziale e sui loro eventuali svantaggi. Gli ingegneri della Audi continuano a favorire la “competizione” tra i materiali, nella continua ricerca di soluzioni sempre migliori. La carrozzeria Audi del futuro utilizzerà tutti questi materiali high-end in misura diversa a seconda dei modelli.

Plastiche rinforzate con fibre di carbonio

Di particolare interesse sono i materiali plastici rinforzati con fibre (FRP), con in testa le plastiche rinforzate con fibre di carbonio (CFRP). Già oggi i modelli Audi, specie quelli della famiglia R8, presentano numerosi componenti di varia dimensione in CFRP, tanto nell’abitacolo quanto nella carrozzeria, compresi elementi strutturali quali le fiancate e alla copertura del vano capote della R8 Spyder.

Nella struttura dei veicoli, la Audi intende utilizzare in futuro componenti in CFRP realizzati con il processo RTM (Resin Transfer Moulding), molto più efficiente del prepreg. In base a questo procedimento, le fibre asciutte vengo dapprima “drappeggiate” (cambiate di forma) e poi inserite in attrezzature chiuse, asciutte e riscaldate in cui viene loro iniettata, ad alta pressione, una resina sintetica. Così le fibre si imbevono completamente di resina, indurendosi poi per l’effetto della pressione e della temperatura. Gli esperti addetti allo sviluppo delle tecnologie di produzione hanno acquisito, sia per il drappeggiamento che per l’iniezione, uno speciale know-how, che permette loro di riprodurre in maniera virtuale anche questi procedimenti complessi, in modo da poter ottimizzare in anticipo il processo produttivo. I nuovi componenti in CFRP si prestano sia a rinforzare parti in acciaio o in alluminio che a fungere da componenti a sé stanti della struttura.

La plastica rinforzata con fibre di carbonio non è solamente più leggera del 60% circa rispetto all’acciaio, ma è anche un materiale ingegneristico con il quale il progettista può definire liberamente molte proprietà per i componenti. Dai componenti in CFRP si ottengono le migliori prestazioni quando sono concepiti per assorbire forze provenienti da un’unica direzione.

In questo caso è possibile orientare nella stessa direzione le singole fibre, sovrapposte nella matrice di resina sintetica, per raggiungere la massima resistenza.

A scopo di test, la Audi ha dotato la R8 di un tetto con relativi montanti completamente in CFRP, le cui fibre sono orientate in un’unica direzione. La struttura ha sinora superato tutte le prove di ribaltamento senza riportare alcuna deformazione.

Un ulteriore possibile ambito di utilizzo dei materiali plastici rinforzati con fibre di carbonio è quello dei longheroni anteriori o posteriori dell’abitacolo. Le traverse sviluppate dalla Audi hanno proprietà di impatto eccellenti. In caso di collisione frontale con una determinata energia, le traverse posteriori restano prive di rotture o deformazioni. Nella zona anteriore, invece, le numerosissime fibre si spaccano e si “aprono” sotto l’azione delle forze d’urto come i petali di un fiore (“crushing”): questa deformazione e il distacco dalla matrice neutralizzano una grandissima quantità di energia. La presenza di piccoli bordi (detti “trigger”) all’estremità anteriore del componente fa sì che l’impatto possa essere trasmesso al meglio all’interno della struttura.

Gli esperti del Centro Costruzioni Leggere di Audi (ALZ) hanno dapprima simulato il crushing al computer, per poi sperimentarlo in una prova fisica. Con il suo know-how speciale in questo campo, la Audi svolge un ruolo di guida per l’industria automobilistica.

Parallelamente, gli specialisti Audi lavorano anche a elementi strutturali in CFRP di nuova concezione, i cosiddetti “ondulati OLAS” (Oscillating Laminated Absorbing Structure), che per la loro forma ondulata ricordano a prima vista le tegole dei tetti. Grazie alla loro particolare conformazione, questi elementi sono in grado di assorbire enormi quantità di energia in spazi esigui. Nella struttura dei veicoli, gli elementi ondulati OLAS potranno sostituire a medio termine le traverse utilizzate ancor oggi.
Il CFRP non è la sola materia plastica rinforzata con fibre oggetto delle attenzioni della Audi. Nel modello A8 attuale, una “lamiera ad organo” forma la traversa inferiore del frontale: si tratta di una matrice in plastica rinforzata con fibre di vetro (PRFV), irrobustita da un inserto in lamiera di alluminio. Con il suo peso di 5,4 chilogrammi batte di circa 100 grammi l’equivalente versione in alluminio. Per la R8 GT, Audi fornisce su richiesta dei sedili a guscio con telaio in PRFV, più leggeri di 31,5 chilogrammi rispetto ai sedili di serie.

Il PRFV è un materiale economico che diventa particolarmente interessante quando sostituisce uno o più strati di fibre di carbonio in una matrice CFRP. In alternativa, si possono utilizzare anche strati di aramide, materiale che la Audi utilizza già per i suoi veicoli blindati. In virtù della loro densità, gli strati in aramide impediscono ai componenti CFRP di scheggiarsi in caso di impatto. Anche fibre naturali quali la canapa si prestano ad essere utilizzate nella matrice e presentano proprietà insonorizzanti particolarmente buone.

Alluminio

Anche il classico alluminio è ancora in grado di stupire, grazie al suo grande potenziale nascosto. Insieme ai suoi fornitori, la Audi sta cercando di migliorare ulteriormente la resistenza e le proprietà di deformazione di tutti i semilavorati. Le nuove leghe ottenute per fusione, che grazie alla loro maggiore resistenza consentono uno spessore di parete minore, saranno a breve pronte per la produzione in serie. Queste leghe raggiungono una resistenza di oltre 500 megapascal, dato corrispondente a un aumento del 60%.

Anche la geometria dei componenti è stata migliorata: come sottoporta si può utilizzare un semplice profilato scatolato estruso oppure un componente a topologia ottimizzata con le medesime dimensioni esterne. Al suo interno è incorporato un tubo, collegato alle pareti da nervature. Grazie al ridotto spessore della parete il peso resta invariato, mentre la capacità di assorbimento dell’energia sprigionata in caso di collisione risulta migliorata del 50%.

La terza via è quella delle nuove tecnologie di collegamento. I profilati di alluminio vengono collegati con un processo di saldatura chiamato “friction stir welding”: il cordone di saldatura è estremamente resistente e preciso. Come per i componenti ottimizzati topologicamente, anche i profilati “costruiti” si contraddistinguono per le loro geometrie complesse: nel caso del montante B della R8 Spyder, il loro utilizzo consente di ridurre complessivamente il peso di 0,6 kg. Il prossimo passo che la Audi intende compiere consiste nel collegare tra loro lamiere e profilati realizzati in leghe di alluminio differenti mediante saldatura friction stir welding.

Acciaio e magnesio

Nel campo della carrozzeria sono molti i materiali a contendersi il primato, tra cui anche l’acciaio. Nel caso degli acciai forgiati a caldo, nuove leghe consentiranno presto di ottenere resistenze maggiori e quindi pesi minori. Anche nel magnesio la Audi vede un potenziale interessante. Già oggi questo materiale leggero, la cui densità è di soli 1,8 grammi per centimetro cubo, viene utilizzato in molti punti del veicolo.

Esempi di ciò sono la console centrale e il supporto traversale del cambio della A8, il telaio del motore della R8 e determinati componenti annessi del motore quali i collettori di aspirazione. Il magnesio viene attualmente preso in considerazione anche per la barra interna al vano motore o per elementi situati nelle immediate vicinanze del motore, come per esempio il coperchio della scatola di alloggiamento degli alberi a camme.