Honda ottimizza l’albero a gomiti per un futuro più efficiente
L’UE rivela che il 30% delle sue emissioni di CO2 è imputabile ai trasporti, di cui il 72% dipende dal trasporto su strada. Per ridurre l’impatto delle sue macchine sull’ambiente, la casa automobilistica giapponese Honda sta ottimizzando il peso dell’albero a gomiti nei suoi veicoli con il design generativo. Ecco come si va verso un futuro più efficiente.
In Giappone, Honda ha avviato numerosi progetti puntati verso l’alleggerimento di diversi componenti meccanici: telai delle carrozzerie, motori, perfino bulloni. La struttura e i materiali di ogni componente vengono esaminati, con lo scopo di riprogettarli per un design riduttivo. L’obiettivo più recente di Honda R&D— la divisione Ricerca e Sviluppo della casa automobilistica — è l’albero a gomiti.
L’albero a gomiti è uno dei componenti funzionali più importanti di un motore, poiché serve a trasformare l’oscillazione dei pistoni in forza di rotazione. Per adempiere alla sua funzione, la parte deve essere estremamente forte e durevole.
“Gli alberi a gomito devono soddisfare molteplici criteri funzionali”, ha spiegato Hirosumi Todaka, progettista meccanico della Honda R&D. “Ad esempio, la loro forma deve essere in grado di resistere alla pressione di combustione senza compromettere l’equilibrio di rotazione. Questi fattori ne hanno determinato la forma fino ad oggi. Nella lunga storia dell’evoluzione dei motori, il design dell’albero a gomiti era sempre scontato. Ciononostante, ci siamo posti l’ambizioso obiettivo di progettare un albero a gomiti più leggero del 30% rispetto ai modelli attuali”.
La divisione Honda R&D ha studiato con attenzione la produzione additiva fin dall’inizio. Nel corso delle sue ricerche sulla tecnologia di progettazione, tra cui l’ottimizzazione topologica, ha scoperto il (un processo di progettazione iterativo che genera molteplici disegni) e si è immediatamente resa conto che questo approccio avrebbe potuto cambiare notevolmente le tecniche progettuali convenzionali.
L’apporto del generative design in campo industriale aveva già contribuito a riprogettare una serie di componenti: le staffe per la cintura di sicurezza, le unità di controllo del motore e il telaio delle motociclette; in ciascuno di questi casi aveva portato a una significativa riduzione del peso. “Era necessario un nuovo approccio che utilizzasse i metodi della progettazione generativa e della produzione additiva”, ha spiegato Todaka. “Dovevamo abbandonare le nozioni preconcette e guardare le cose sotto una nuova luce”.
La divisione Honda R&D ha avviato un progetto — il primo nel suo genere, in collaborazione con Autodesk — mirato a coltivare un approccio flessibile. “Ai fini della nostra progettazione era fondamentale scartare le convinzioni scontate per concentrarsi sulle funzioni puramente essenziali dell’organo meccanico”, ha aggiunto Hisao Uozumi, che si occupa delle ricerche sui processi di produzione del design e sui nuovi materiali presso la divisione Honda R&D. “Per gettare le basi di questo approccio, abbiamo organizzato un workshop di pensiero critico”.
Migliorando l’albero a gomiti
Autodesk ha ideato un primo prototipo che soddisfacesse i requisiti specificati da Honda, realizzandolo con l’ausilio di Netfabb e Fusion 360. “Abbiamo condiviso le competenze di Honda fornendo i dati sul peso e sui vari vincoli di funzionamento, quindi abbiamo esaminato ogni punto confrontandoci con il team di Autodesk man mano che il modello prendeva forma” ha raccontato Todaka.
Durante la lavorazione dei componenti del motore di veicoli a due e quattro ruote, Todaka aveva fatto affidamento sulla propria esperienza per elaborare i progetti che dovevano poi essere analizzati e perfezionati. Quando ha visto per la prima volta il risultato, ne è rimasto colpito. “Quel componente aveva una forma organica, come un osso umano”, dice. “Era qualcosa che andava oltre la mia più sfrenata immaginazione”.
In occasione di un corso di formazione sul generative design a Londra, il team di Honda R&D si era recato in visita al Technology Center di Autodesk a Birmingham, in Inghilterra, dove aveva potuto approfondire altri argomenti, oltre la progettazione, tra cui la produzione additiva. Di quella visita Todaka ha raccontato: “I prototipi possono essere realizzati direttamente dai progetti. Ho avuto la sensazione che fosse l’ambiente ideale nel quale ogni feedback può essere applicato rapidamente al progetto sul quale si sta lavorando”.
I dati dei prototipi hanno convinto Honda a rielaborare la configurazione e i criteri di resistenza, creando una nuova serie di condizioni limite per i componenti. Il team ha continuato il suo lavoro e ha progettato un secondo prototipo. “Il gruppo di Autodesk poteva contare sulla presenza di professionisti provenienti da diversi ambiti, perfino dal settore aerospaziale”, ha osservato Uozumi. “Con le loro doti visionarie sono stati in grado di prevedere la direzione evolutiva dei nostri progetti. Così abbiamo dato forma alle nostre idee in un periodo di tempo relativamente breve”.
L’ottimizzazione topologica convenzionale produce una sola soluzione e richiede estenuanti correzioni manuali. Il generative design di Fusion 360 offriva quella che, secondo Todaka, era “una configurazione che non avevo nemmeno lontanamente concepito”. Il componente risultante aveva superato gli obiettivi, ha dimostrato una riduzione del peso del 50%, anche se rimanevano i dubbi sul fatto che la rigidità e la resistenza del pezzo potessero risultare meno performanti rispetto ai modelli tradizionali.
Il team Honda ha montato il prototipo su un motore per testarne le prestazioni e ha ottenuto una grande quantità di dati. I risultati sono stati condivisi con il team di Autodesk, che li sta utilizzando per perfezionare i processi della progettazione generativa. “Applicare il generative design a un organo rotante come un albero a gomiti è stata un’esperienza immensamente preziosa sia per Honda che per Autodesk”, ha aggiunto Todaka.
L’integrazione della produzione nel processo di progettazione si è rivelata importantissima. “Ci fornisce modelli che possono tenere conto dei limiti della progettazione, come quelli introdotti dalla produzione additiva, dalla produzione basata su stampi o dalla lavorazione a 5 assi”, ha spiegato Todaka.
Per Honda, questo progetto ha rivelato le possibilità della produzione additiva. “Mentre alcuni hanno ancora delle riserve su questa nuova forma, l’attenzione che ha portato alla tecnologia è valsa la pena”, ha detto Todaka. “Mentre c’è ancora molto da fare per alleggerire i componenti, adesso siamo in grado di vedere come raggiungere i nostri obiettivi. In futuro, mi aspetto che i prodotti innovativi creati con il generative design diventino la norma. Credo che spetti a noi ricercare ulteriori applicazioni per questa tecnologia come parte del nostro lavoro”.