I cambiamenti climatici stanno cambiando i modi di concepire e sviluppare i sistemi industriali. Al riguardo, i produttori OEM stanno fissando obiettivi ambiziosi per un futuro a zero emissioni di carbonio.
di Oliver Maiss
Nelle aziende industriali ci sono diversi modi per raggiungere un futuro a zero emissioni. Una possibilità è quella di considerare l’impronta di CO2 direttamente in fase di progettazione per ridurre l’impatto di una macchina o del singolo componente. Misure come la riduzione delle perdite di potenza, la costruzione leggera con nuovi materiali o l’uso di materiali ad alta resistenza sono solo alcuni esempi. A tal fine, tuttavia, è necessario comprendere le principali variabili che influenzano la progettazione. In diversi progetti di ricerca, nazionali o europei, quali il progetto “Antriebsstrang 2025”, finanziato dal governo tedesco (BMWK), è stato dimostrato che uno dei maggiori fattori che influenzano l’impronta di CO2 di un componente è la percentuale di materiale richiesto [1], ovvero la quantità di materia prima necessaria per la sua costruzione. Le fasi di produzione successive, come la lavorazione, la formatura o il trattamento termico, hanno un impatto significativamente minore. È anche qui che si colloca la sfida delle misure per lo sviluppo delle costruzioni leggere menzionate in precedenza. L’uso di materiali nuovi o addirittura più resistenti richiede solitamente dei compromessi e un maggiore consumo di energia per la produzione o lo smaltimento.
Un modo più semplice per migliorare il bilancio climatico è quello di sfruttare le cosiddette proprietà della superficie e degli strati sottopelle del materiale. Queste proprietà possono influenzare in modo significativo le prestazioni di un componente. Ad esempio, producendo una superficie appositamente rettificata o levigata, è possibile ridurre significativamente l’attrito durante l’utilizzo del componente. Inoltre, la durata dei componenti sottoposti a carichi dinamici può essere ridotta sfruttando in modo mirato le tensioni di compressione residue nella zona subsuperficiale. Questo effetto è ben noto per la pallinatura delle pale delle turbine o degli ingranaggi, ad esempio. L’uso mirato delle tensioni residue di compressione può aumentare la durata di oltre 1, 2 – 5 volte, il che significa che i componenti possono essere progettati più piccoli e si possono sfruttare gli effetti dell’alleggerimento.
Se il progetto prevede l’uso di tensioni residue di compressione, si pone naturalmente la questione di come introdurre queste tensioni residue di compressione in modo mirato e affidabile per il processo manifatturiero. La pallinatura potrebbe essere un’opzione, ma richiede sempre un impianto ad hoc. I processi di rullatura profonda (deep rolling) o di martellatura (hammer peening), invece, possono essere utilizzati direttamente sulla macchina utensile e non richiedono alcuna tecnologia aggiuntiva.
Durante la rullatura profonda, o rullatura profonda a freddo, un elemento rotante (rullo) viene premuto sulla superficie di un componente con una forza definita. Il contatto tra il componente e il rullo crea elevate sollecitazioni e il materiale si deforma plasticamente localmente sulla superficie. Questa deformazione leviga la superficie e provoca cambiamenti nella microstruttura nello strato di materiale sotto superficiale [2], con conseguente aumento significativo della durata.
Lo scopo di questa ricerca è valutare l’effetto della laminazione profonda sulla riduzione delle emissioni di CO2 dei componenti così trattati. Allo scopo, sono state prese in considerazione diverse analisi, esperimenti e risultati di letteratura.
Valutazione dell’impronta di CO2 dei pezzi rullati a freddo in profondità
L’estensione della durata dei componenti delle macchine può essere vantaggiosa secondo diversi punti di vista. Secondo un rapporto McKinsey, i servizi di aftermarket, come la fornitura di ricambi, riparazioni, manutenzione e servizi digitali per le apparecchiature vendute dai produttori di apparecchiature originali (OEM), forniscono entrate stabili e spesso margini più elevati rispetto alle vendite di apparecchiature nuove. Il rapporto suggerisce inoltre che gli OEM dovrebbero adottare un approccio più dettagliato alla progettazione dei loro prodotti per garantirne la resistenza e la durata. Ciò può essere ottenuto utilizzando materiali di alta qualità, ottimizzando il design e conducendo test rigorosi.
L’articolo discute un quadro semplice e modulare per valutare le emissioni di CO2 di un pezzo laminato in profondità. L’autore suggerisce che l’analisi dovrebbe iniziare con la definizione della vita utile del pezzo e del tipo di carico. La sfida principale consiste poi nell’identificare i parametri di rullatura ottimali, che non possono essere previsti semplicemente per ottenere una vita utile specifica per un materiale specifico. Per identificare i parametri ottimali si possono utilizzare esperimenti, letteratura o consultare esperti in materia.
Il passo successivo consiste nell’identificare un fattore di incremento della durata che si vuole ottenere, il che può essere ottenuto mediante stime, analisi della letteratura o prove sperimentali sul componente. Questa fase è seguita da una riprogettazione finalizzata ad alleggerire il componente, con l’obiettivo di ridurre la quantità di materiale utilizzato per il pezzo. Infine, si valuta l’effettiva impronta di CO2 utilizzando una valutazione del ciclo di vita (LCA).
Procedura sperimentale
Per verificare questo approccio metodologico, si utilizzano due tipi di esperimenti. Da un lato, viene condotta una prova di fatica con prove di flessione rotante a vita finita. I provini hanno un diametro di (d) pari a 13 mm e sono realizzati in AISI 4140. Vengono lavorati due diversi campioni. Un provino è prodotto mediante tornitura e il secondo tipo è prodotto mediante tornitura con rullatura profonda, utilizzando un utensile ECOROLL del tipo EG5-1-40M. Entrambi i tipi di provini sono testati in una macchina di flessione rotante SincoTec.
D’altra parte, per valutare l’impronta di CO2 dei cuscinetti a rulli soggetti a rullatura profonda si utilizzano i dati della letteratura. In questo caso, i dati sono riportati in [4] e [5]. Nelle ricerche citate, i cuscinetti a rulli sono torniti e rullati in profondità rispetto a una catena di produzione convenzionale di rettifica e levigatura.
Misurazione dell’impronta di CO2 per la rullatura profonda a freddo
La prova di flessione rotante mostra un aumento del 10% della vita utile utilizzando la rullatura profonda. Assumendo un alleggerimento del provino con un diametro di prova (d) pari a 12,59 mm, si ottiene la stessa durata del provino appena tornito. Ciò significa che per il provino viene utilizzato circa l’8,6% di materia prima in meno.
La LCA è stata condotta nell’ambito di un progetto del Mittelstand-Digitalzentrum Hannover. Sono stati considerati gli input energetici e i materiali legati alla catena di processo “materia prima”-“tornitura”- “rullatura profonda”. Per la rullatura profonda è stata effettuata una misurazione del fabbisogno energetico. Tutte le informazioni sono state considerate all’interno della piattaforma “Umberto” per l’utilizzo di noti database di CO2. “Umberto” è un software e un database commerciale dedicato alla valutazione dell’impronta di CO2.
Il modello mostra chiaramente che il fattore più importante da considerare è la quantità di materia prima. I dati mostrano che solo riducendo la quantità di materiale dell’8,6%, le emissioni di carbonio equivalenti si riducono di 96g CO2-eq. per pezzo. Per condurre il processo di rullatura aggiuntivo, vengono emessi circa 15g di CO2-eq.
In totale, la riduzione è quindi del 7,3%.
Potenziale di riduzione di CO2 per diverse applicazioni
Per i cuscinetti a rulli, l’effetto è ancora maggiore. Utilizzando un cuscinetto del tipo NU205 anziché NU206, il materiale può essere ridotto del 33%. La base per questa conclusione è 2,5 x L10(piccolo/rullato) = L10(grande/non rullato). Assumendo gli stessi carichi, è possibile calcolare il coefficiente di carico dinamico C. Per NU206, questo calcolo porta al valore di NU205. Con il processo di rullatura profonda aggiuntivo, vengono emessi solo 18 g di CO2-eq. Questo porta a una riduzione di CO2 di circa il 31,6% (Fig. 3).
Conclusioni e prospettive
I risultati presentati mostrano un effetto molto chiaro del processo di rullatura profonda a freddo sulle emissioni di carbonio di un pezzo caricato a fatica. Se si considerano tutti i parametri del ciclo di vita di un pezzo, la fase di utilizzo è il fattore più importante per ridurre le emissioni di carbonio. Tuttavia, la definizione della quantità di emissioni di CO2 è data in fase di progettazione. Per questo motivo è necessario un uso conseguente delle proprietà degli strati superficiali di materiale. Pertanto, i progettisti devono conoscere i trattamenti meccanici superficiali come la rullatura profonda a freddo, la martellatura, la pallinatura.
References
1. Denkena, B., Wichmann, M., Kettelmann, S., Matthies, J., Reuter, L.: Ecological Planning of Manufacturing Process Chains. Sustainability, 2022, Vol. 14(5)
2. https://www.surfacematters.tech
3. Maiß, O., Röttger, K., Meyer, K.: Increase the Resource Efficiency by Evaluation of the Effects of Deep Rolling within the Design and Manufacturing Phase. Future Automotive Prodction Conference 2022, Springer Vieweg, S. 86-96
4. Neubauer, T.: Betriebs- und Lebensdauerverhalten hartgedrehter und festgewalzter Zylinderrollenlager. Dr.-Ing. Diss., Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2016
5. Maiß, O.: Lebensdauererhöhung von Wälzlagern durch mechanische Bearbeitung. Dr.-Ing. Dissertation, Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, 2019