TL;DR

La stampatura di schermi termici per l'automotive è un processo di produzione di precisione progettato per gestire i carichi termici del veicolo mediante metalli sottili, tipicamente 0,3 mm a 0,5 mm in leghe di alluminio (1050, 3003) oppure acciaio inossidabile (Grado 321). Il flusso produttivo impiega spesso stampaggio a stampo progressivo operazioni con pressa progressiva o transfer stadio di goffratura prima della formatura.

Questo processo di goffratura—che crea motivi come emisferi o stucco—incrementa significativamente la rigidità strutturale delle lamine sottili e migliora la riflettività termica. Il successo ingegneristico dipende dall'equilibrio tra formabilità del materiale e gestione dei difetti, controllando in particolare riduzione delle rughe in crash forming e mantenendo tolleranze strette (fino a ±0,075 mm) per garantire un assemblaggio perfetto.

Selezione del Materiale: Leghe, Tempers e Spessore

La selezione del materiale di base corretto è il passo fondamentale nell'ingegneria dei paratie termici, determinata principalmente dalla posizione del componente e dall'intensità termica che deve sopportare. I produttori devono bilanciare gli obiettivi di riduzione del peso con la durata termica, creando una dicotomia tra l'uso di alluminio e acciaio inossidabile.

Leghe di Alluminio (Serie 1000 e 3000)

Per la protezione generale del sottoscocca e del vano motore, l'alluminio è la scelta dominante grazie alla sua elevata riflettività e al basso peso. Lo standard industriale si basa tipicamente su leghe 1050 e 3003 . Questi materiali sono spesso forniti in condizione O-temper (ricottura/morbido) per massimizzare la formabilità durante le fasi iniziali di stampaggio.

• Intervallo di Spessore: Gli schermi standard utilizzano lamiere comprese tra 0,3 mm e 0,5 mm . Le applicazioni a doppio strato possono utilizzare fogli metallici sottili fino a 0,2 mm creare interstizi d'aria che ulteriormente isolano dal calore radiante.
• Indurimento per Deformazione: Una sfumatura critica nella lavorazione dell'alluminio 1050-O è la trasformazione fisica durante l'embossinatura. L'azione meccanica di stampare motivi nella bobina indurisce il materiale per deformazione, convertendo efficacemente il trattamento da O a uno stato più duro, spesso classificato come H114 . Questa rigidità aggiuntiva è fondamentale per la manipolazione, ma modifica i parametri per le successive operazioni di formatura.

Acciaio inossidabile (Grado 321)

In zone termiche ad alto stress, come i turbocompressori e i collettori di scarico, il punto di fusione dell'alluminio (ca. 660°C) è insufficiente. In questi casi, gli ingegneri ricorrono a acciaio inossidabile 321 . Questo acciaio inossidabile austenico stabilizzato al titanio offre un'eccellente resistenza alla corrosione intergranulare e al fluage a temperature elevate.

Casi di studio, come quelli che coinvolgono gli schermi del turbocompressore, dimostrano la necessità dell'acciaio inossidabile per componenti che devono resistere a cicli termici estremi. Questi componenti spesso richiedono spessori maggiori rispetto alle controparti in alluminio e attrezzature robuste per gestire l'elevata resistenza a trazione del materiale.

Processo di produzione: strategie con matrice progressiva

Il flusso di lavoro per la produzione di schermi termici differisce dalla normale imbutitura della lamiera a causa della fragilità del materiale grezzo e della necessità di texturizzazione. Il processo segue tipicamente una sequenza rigorosa: Alimentazione da bobina → Imbottitura → Sbavatura → Formatura → Taglio/Punzonatura .

La sequenza Imbottitura poi Formatura

A differenza dei pannelli standard in cui si preserva la finitura superficiale, gli schermi termici sono intenzionalmente texturizzati. Il passaggio di imbottitura avviene solitamente subito dopo lo srotolamento della bobina. Questo non è meramente estetico; la texturizzazione fornisce due vantaggi ingegneristici fondamentali:

1. Rigidità strutturale: Aumenta artificialmente la rigidità delle lamine da 0,3 mm, consentendo loro di mantenere la forma senza collassare.
2. Prestazioni termiche: Aumenta la superficie per la dissipazione del calore e crea angoli di riflessione multifaccettati.

Formatura per crash rispetto a formatura per tranciatura

Gli ingegneri devono scegliere tra formatura per crash e formatura per tranciatura in base al budget e alla geometria.

• Formatura per crash: Questo metodo utilizza solo una punzonatrice e una matrice, senza un premilamiere. È economico per quanto riguarda gli utensili, ma soggetto a flusso di materiale non controllato. Nella produzione di paraurti termici, ciò provoca spesso grinze. Tuttavia, poiché i paraurti termici sono componenti funzionali (non visibili), gli standard del settore spesso considerano accettabili lievi grinze, purché non interferiscano con le interfacce di assemblaggio.
• Formatura per tranciatura: Per geometrie complesse in cui le grinze causano malfunzionamenti, si ricorre alla formatura per tranciatura. Questa tecnica utilizza un premilamiere per controllare il flusso del materiale nella cavità della matrice, garantendo una superficie liscia ma aumentando i costi degli utensili.

La produzione ad alto volume si basa su stampaggio a stampo progressivo o sistemi di trasferimento automatizzati. Ad esempio, produrre oltre 100.000 unità annualmente di uno schermo turbo in acciaio inox richiede una notevole capacità di pressatura. Mentre parti in alluminio più leggere possono essere lavorate su linee più piccole, componenti in acciaio robusti spesso richiedono presse da 200 a 600 tonnellate per garantire una definizione costante e un'accuratezza dimensionale.

I produttori che necessitano di soluzioni scalabili cercano spesso partner dotati di ampie capacità di pressatura. Ad esempio, Shaoyi Metal Technology offre stampaggio di precisione con capacità di pressa fino a 600 tonnellate, colmando il divario tra prototipazione rapida e produzione di massa secondo gli standard IATF 16949. Una tale capacità è essenziale quando si passa da prototipi con attrezzature morbide a produzione di massa con attrezzature rigide per assemblaggi automobilistici complessi.

Sfide ingegneristiche: difetti e tolleranze

Lo stampaggio di materiali sottili e goffrati introduce difetti specifici che gli ingegneri del processo devono mitigare.

Gestione di grinze e rimbalzo elastico

Riduzione delle rughe è il difetto più comune negli schermi termici formati a freddo a causa della bassa rigidità del foglio e delle sollecitazioni di compressione nella flangia. Mentre le pieghe funzionali sono spesso accettate in aree non accoppiate, pieghe non controllate (sovrapposizioni) possono provocare crepe o pericoli per la sicurezza durante la manipolazione.

Ritorno elastico è un'altra variabile, in particolare con l'alluminio H114 temprato per deformazione o con acciaio inox ad alta resistenza. I software di simulazione vengono spesso utilizzati per prevedere il rimbalzo elastico e compensare la geometria dello stampo (sovrapiegatura) al fine di ottenere la forma finale.

Tolleranze di Precisione

Nonostante l'aspetto ruvido degli schermi goffrati, i punti di fissaggio richiedono una grande precisione. Uno schermo per turbocompressore, ad esempio, può richiedere tolleranze fino a ±0,075mm su diametri critici per garantire una tenuta perfetta ed evitare rumori indesiderati dovuti alle vibrazioni. Il raggiungimento di questo livello di precisione richiede attrezzature rigide e spesso prevede operazioni secondarie come la marcatura laser per la tracciabilità (codici a barre, date di produzione) direttamente all'interno della linea produttiva.

Crepe ai bordi

Le crepe ai bordi possono verificarsi durante la flangiatura di lamiere goffrate. Il processo di goffratura riduce la duttilità del materiale, rendendolo più soggetto a strappi quando viene stirato. L'ottimizzazione del rapporto di goffratura (altezza rispetto al diametro della protuberanza) è un parametro chiave nella progettazione per prevenire questo tipo di guasto.

Goffrature e Funzionalità Termica

La texture di uno schermo termico è una specifica funzionale. La scelta del motivo influisce sia sulla formabilità del metallo che sulle sue proprietà termiche.

• Motivo Emisferico: Questo è ampiamente utilizzato per la sua rigidezza bilanciata in più direzioni ed eccellente riflettività. Crea un effetto a fossette che risulta efficiente nel disperdere il calore radiante.
• Motivi Esagonali/Stucco: Questi offrono un aspetto diverso e possono garantire una durabilità superiore in ambienti soggetti a colpi di pietre, come nei tunnel sotto il veicolo.

Studi di simulazione suggeriscono che la geometria del goffro influisce sul formabilità . Un modello ben progettato permette al materiale di fluire in modo più uniforme durante la tranciatura, riducendo il rischio di fratture profonde, mentre un modello aggressivo su una lega fragile porta a un immediato cedimento.

Applicazioni e casi d'uso dell'industria

Gli schermi termici automobilistici vengono utilizzati ogni volta che la gestione termica è fondamentale per la longevità dei componenti e per il comfort dei passeggeri.

• Schermi del turbocompressore: Tipicamente in acciaio inossidabile 321. Devono resistere a rapidi cicli termici e a un'intensa irradiazione termica proveniente dalla carcassa della turbina.
• Schermi del collettore di scarico: Spesso in alluminio o acciaio multistrato. Proteggono i cablaggi del vano motore e i componenti in plastica dal surriscaldamento del collettore.
• Tunnel inferiori: Grandi lamiere formate in alluminio (1050/3003) che si estendono lungo tutta la lunghezza del sistema di scarico. Impediscono il trasferimento di calore al pavimento dell'abitacolo e spesso svolgono anche una funzione secondaria di miglioramento aerodinamico e riduzione del rumore.
• Protezione dell'Unità Elettronica di Controllo (ECU): Schermi più piccoli, stampati con precisione, progettati per deviare il calore lontano dall'elettronica di bordo sensibile.