L’Istituto Fraunhofer ILT e il fornitore coreano di componenti per l’industria automobilistica ILJIN hanno sviluppato un rivestimento funzionale basato sulla tecnologia Extreme High-Speed Laser Application (EHLA) per eliminare un rumore metallico che si verificava all’interfaccia tra il cuscinetto della ruota e l’albero di trasmissione.
I ricercatori dell‘Istituto Fraunhofer ILT di Aachen, in Germania, e ILJIN, fornitore sudcoreano di componenti per l’industria automobilistica, hanno sviluppato un rivestimento funzionale basato sulla tecnologia Deposizione laser di materiale ad altissima velocità (EHLA) per eliminare un rumore metallico che si verificava all’interfaccia tra il cuscinetto della ruota e l’albero di trasmissione.
I rumori sono molto più percettibili all’interno dei veicoli elettrici, in particolare nelle interfacce di trasmissione della potenza, come il collegamento tra il cuscinetto della ruota e l’albero di trasmissione. Il rivestimento EHLA modifica specificamente le condizioni di contatto all’interno del gruppo cuscinetto ruota. L’EHLA è una tecnologia di rivestimento eccezionalmente efficiente e a basso consumo di materiale.
“Il rumore non è causato dalla rottura o dall’allentamento di un componente, come alcuni suppongono quando lo sentono. È causato dalle forze estremamente elevate che agiscono sulla superficie di contatto tra il mozzo della ruota e il giunto omocinetico” spiega Adam Dmytryszyn, Wheel Bearing R&D Director Europe di ILJIN. Quando un veicolo elettrico accelera o recupera energia, l’elevata coppia provoca una leggera deformazione dell’albero di trasmissione. Di conseguenza, le due superfici in acciaio all’interfaccia inizialmente aderiscono, poi scivolano improvvisamente l’una all’altra prima di aderire nuovamente. Questo effetto stick-slip rilascia energia in frazioni di secondo, producendo vibrazioni e rumore chiaramente udibili all’interno del veicolo
Il progetto di sviluppo di Fraunhofer ILT e ILJIN
Adam Dmytryszyn non ha tratto l’ispirazione decisiva da un progetto automobilistico tradizionale, ma da un pensiero fuori dagli schemi. Alla fiera di Hannover del 2023, Dmytryszyn ha visto un’applicazione EHLA presentata da Fraunhofer ILT in cui un sottile rivestimento metallico veniva applicato con elevata precisione e rifinito mediante lavorazione simultanea. La dimostrazione riguardava un cuscinetto a strisciamento per turbine eoliche, ma ciò che ha immediatamente catturato la sua attenzione è stata la tecnologia sottostante: un rivestimento sottile e resistente con bassa rugosità superficiale, un legame metallurgico con il substrato, un apporto termico minimo e un’elevata velocità di lavorazione. Questa combinazione era esattamente ciò che serviva per risolvere il problema all’interfaccia del cuscinetto della ruota.
Fraunhofer ILT e ILJIN hanno avviato un progetto di sviluppo congiunto. ILJIN ha contribuito con i componenti, le competenze di sistema e i requisiti derivanti dalla produzione automobilistica, mentre ILJIN e Fraunhofer ILT hanno tradotto congiuntamente i requisiti funzionali in specifiche per il rivestimento, inclusi il materiale di rivestimento, lo spessore, la zona termicamente alterata e la qualità della superficie.
Il Fraunhofer ILT ha adattato il processo all’applicazione specifica: al componente, alla superficie, al materiale in polvere, ai parametri di processo, allo spessore del rivestimento e al bilancio energetico. Studiando sistematicamente diverse varianti di rivestimento, il team ha testato l’adesione all’acciaio del cuscinetto, ha determinato la durezza e la zona termicamente alterata e ha trasferito il processo passo dopo passo da un semplice campione al cuscinetto ruota vero e proprio.
ILJIN ha testato e confrontato i campioni di prova prodotti da Fraunhofer ILT. A tal fine, ILJIN gestisce un impianto di prova in Germania dove conduce test in condizioni simili a quelle riscontrate nei veicoli. I risultati dei test funzionali iniziali sono stati integrati nella progettazione finale del processo.
Proprio perché l’area interessata è critica per la sicurezza, ILJIN ha imposto requisiti particolarmente elevati per il processo di rivestimento. Il rivestimento doveva garantire un’adesione impeccabile, di tipo legante, ma il processo termico non doveva danneggiare l’acciaio sottostante. Allo stesso tempo, doveva comportarsi sotto un’elevata pressione superficiale in modo tale che la superficie di contatto svolgesse la sua funzione per l’intera durata di vita del veicolo.
Nella deposizione laser di materiale ad altissima velocità, la polvere metallica non raggiunge la superficie allo stato freddo. Il raggio laser, invece, fonde la polvere prima che colpisca il componente. Ciò consente elevate velocità di deposizione, riducendo al minimo l’apporto di calore al materiale di base. Questa combinazione si è rivelata decisiva per l’applicazione nei cuscinetti ruota.
La superficie doveva essere funzionalizzata in modo specifico, ma l’acciaio sottostante doveva mantenere le sue proprietà meccaniche. Il risultato è stato un sottile strato funzionale che non agisce come un componente aggiuntivo all’interfaccia, ma diventa parte integrante della superficie del cuscinetto ruota. “Questo rende l’approccio/processo particolarmente interessante per applicazioni in cui è necessario bilanciare elevate esigenze di prestazioni e sicurezza del componente con rigorosi criteri di costo e qualità” spiega Viktor Glushych, capo del gruppo LMD Coating and Heat Treatment.
Fin dall’inizio, il team del Fraunhofer ILT si è quindi concentrato sull’applicazione del rivestimento al cuscinetto ruota completamente assemblato in pochi secondi. Un’attenta progettazione del processo ha eliminato la necessità di successive finiture meccaniche. Anche la texture superficiale del rivestimento è diventata parte della soluzione. Invece di rivelarsi uno svantaggio, la sua rugosità ha contribuito a trattenere i lubrificanti e i materiali protettivi, stabilizzando ulteriormente l’interfaccia di contatto tra il mozzo della ruota e l’albero di trasmissione.
Per Fraunhofer ILT, questo progetto rappresenta un’altra importante pietra miliare nel trasferimento tecnologico. Dopo consolidate applicazioni EHLA come i rivestimenti per dischi freno, questo progetto costituisce un ulteriore successo nel trasferimento di una tecnologia alla produzione di serie nel settore automobilistico. Test e qualifiche approfonditi hanno portato al primo ordine di produzione. ILJIN ha avviato la produzione in serie di milioni di cuscinetti ruota rivestiti. Il team di Fraunhofer ILT continua a supportare l’azienda nel trasferimento del processo in produzione, contribuendo a garantire una produzione stabile, ripetibile e di qualità certificata.
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany
