Per produrre un buon pneumatico ci vogliono decine di ore di lavori concettuali e di realizzazione. Scopri come vengono prodotti e come sono fatti i famosi modelli.
Fabbrica di pneumatici Continental.
La storia della gommatura pneumatica risale a oltre 150 anni. Il primo ad aver brevettato la gommatura pneumatica, assieme alla camera d’aria, fu R. W. Thomson da Aberdeen nel 1845. Tuttavia, la sua invenzione non fu particolarmente apprezzata. La gommatura con la camera d'aria fu inventata di nuovo in modo indipendente da John Boyd Dunlop nel 1888. Questo pneumatico presto ottenne popolarità e divenne un elemento delle macchine. I pionieri nel campo della costruzione della gommatura furono anche i fratelli Édouard e Andre Michelin. Gli pneumatici furono comunemente utilizzati negli autocarri ed autoveicoli già all’inizio del Novecento.
Come verificare l’anno di produzione degli pneumatici?
Prima di iniziare a descrivere il complesso processo della produzione degli pneumatici, vale la pena di ricordare dove possiamo trovare l’informazione riguardante l’anno della loro produzione. La marcatura DOT si trova sul fianco dello pneumatico, mentre le cifre e le lettere impresse accanto ci aiuteranno a decodificare la data di produzione della gommatura. Come possiamo leggerla? Vi invitiamo a consultare questo articolo in cui abbiamo spiegato tutto per bene.
Noi invece possiamo tornare agli inizi, quindi a tutto ciò che succedeva prima di imprimere sullo pneumatico la data della sua produzione....
Come siamo arrivati a produrre gli pneumatici moderni?
Prima dell’epoca dei computer, l’elaborazione di nuove soluzioni era difficile e richiedeva un’enorme quantità di soldi e tempo. La progettazione era basata sulle conoscenze degli ingegneri e costruttori, sul regolo calcolatore e sul tavolo da disegno. Successivamente si costruiva un prototipo che veniva sottoposto alle prove. Nel caso in cui il nuovo progetto non avesse soddisfatto i requisiti prestabiliti, bisognava ripetere l’intero lungo processo di progettazione e ricerca.
Negli ultimi decenni, però, ci fu un enorme sviluppo. Cambiò non solo il prodotto finale, ma anche le metodologie con cui venne prodotto. Come si producono gli pneumatici oggi giorno? Gli esperimenti e le prove tecniche che all'inizio spesso fallivano, adesso possono essere integrate e sostituite con le simulazioni e calcoli computerizzati. Tutto ciò ha reso possibile uno sviluppo più veloce nel campo delle prestazioni chiave della gommatura.
Struttura degli pneumatici per automobili:
Battistrada, ossia quella parte dello pneumatico che ha il contatto con la superficie e rappresenta un importante elemento per quanto riguarda la manovrabilità su strada,
Tallone, ossia la parte dello pneumatico costituita da un nucleo non estendibile, i cosiddetti “cerchietti”, e dagli strati avvolti su di esso, modellato allo stampo del cerchione,
Fianco, ossia la parte tra il battistrada e il tallone,
Cintura - uno stato di materiale sotto il battistrada con filetti disposti lungo la mezzeria del battistrada che limita in modo circonferenziale la carcassa,
Carcassa dello pneumatico, ossia la cordicella in tessuto oppure in acciaio assieme al tallone che costituiscono lo scheletro della costruzione; è proprio la carcassa ad essere sottoposta a quasi tutti i carichi dinamici e statici. Per questo motivo la qualità dello pneumatico è strettamente legata alla costruzione della carcassa.
Fabbrica di pneumatici Sava.
La prima fase della produzione - metodo di elementi finiti e sistemi CAD
Nel campo della progettazione un punto di svolta fu l’elaborazione del metodo di elementi finiti e l’utilizzo dei computer per il processo di progettazione. Questo metodo fu utilizzato per la prima volta nell’industria degli pneumatici negli anni 80 del Novecento. I suoi inizi erano difficili. La progettazione degli pneumatici richiede centinata di migliaia di equazioni. Con la capacità di calcolo dei computer di allora effettuare un calcolo, anche poco complesso, e richiedeva una decina di ore.
Ebbe una grande importanza per il settore degli pneumatici anche lo sviluppo dei sistemi CAD (progettazione assistita dal computer) degli anni 90 del Novecento. Il tavolo da disegno e il rapidograph (penna da disegno) furono sostituiti dal computer, tastiera e mouse che hanno reso possibile una più accurata e rapida analisi dei dati. Questo permette anche di valutare gli effetti delle scelte relative a:
disegno e forma del battistrada,
costruzione interna dello pneumatico,
materiali prima di eseguire il prototipo del modello di pneumatico.
Metodo di elementi finiti - un metodo avanzato di risolvere sistemi di equazioni. È basato sulla divisione della struttura analizzata su elementi finiti. La soluzione per questi elementi viene approssimata dalle funzioni concrete. Gli elementi vengono successivamente sottoposti alle leggi della meccanica. Di conseguenza, è possibile determinare la resistenza, la deformazione, la tensione e la distribuzione del calore in varie condizioni (anche in quelle più estreme). Grazie a tutto ciò, è sempre più probabile produrre un prototipo efficace già al primo tentativo.
Fabbrica di pneumatici Vredestein.
La seconda fase della produzione – il prototipo dello pneumatico e i test sulle auto
L’esecuzione dei prototipi è una delle fasi più importanti del processo di concezione. Di solito vengono prodotti più prototipi. Successivamente ne viene scelto uno, quello che al meglio risponde ai requisiti stabiliti. Se nessuno di loro soddisfa i requisiti, il modello viene progettato un’altra volta. Oggi giorno l’utilizzo della progettazione computerizzata aumenta la possibilità che il prototipo soddisfi i requisiti e velocizza in modo significativo il processo della creazione degli pneumatici. Il prototipo viene sottoposto alle prove di laboratorio, nonché ai test estremi durante i quali è possibile verificare se il prototipo presenta le stesse caratteristiche che derivavano dai precedenti calcoli computerizzati. Vengono eseguiti vari test. Tutto dipende dalle ipotesi assunte in fase di progettazione. Vengono eseguite prove distruttive oppure su auto munite della quinta ruota, ma comunque la prova più importante sono i test su auto.
Terminate le prove di laboratorio, gli pneumatici vengono sottoposti ai test nel traffico urbano e sui percorsi di prova. Questa fase è importante per due motivi:
A quel punto avviene l’interazione ai seguenti livelli uomo/auto/pneumatico/strada. Gli pneumatici vengono testati da ogni punto di vista, in condizioni diverse. Si tiene conto della loro destinazione e così gli pneumatici invernali vengono testati nelle condizioni estreme al nord. I test vengono eseguiti da conducenti esperti che osservano ed annotano i loro risultati sugli appositi dispositivi di prova.
C’è ancora un’altra condizione indispensabile per poter iniziare la produzione di serie di un dato modello. Le soluzioni scelte devono essere possibili da eseguire in ambiente industriale. L’esecuzione dei prototipi non deve necessariamente tradursi in possibilità della produzione efficiente degli stessi pneumatici su larga scala. Nella storia dell’industria degli pneumatici si sono verificati casi nei quali le soluzioni che erano buone dal punto di vista delle prestazioni alla fine non sono stati prodotti né distribuiti. Numerose volte venivano rinchiusi nel cassetto e aspettavano che, ad esempio, i processi di produzione fossero perfezionati.
Una delle piu importanti caratteristiche degli pneumatici è la loro resistenza.
Terza fase della produzione – preparazione e scelta dei materiali
Finita la fase della progettazione degli pneumatici, della elaborazione, della loro documentazione e delle prove dei prototipi, arriva il momento della preparazione dei materiali da cui verranno prodotti. Ogni modello è composto da varie miscele, elementi, cordicelle in tessuto e in acciaio. In che modo vengono prodotti questi materiali?
Per la produzione della gommatura vengono usufruite diverse materie prime, ad esempio:
nerofumo,
nappe a trama,
vari tipi di caucciù,
sostanze oleose,
fili di acciaio.
Per ottenere lo pneumatico di alta qualità bisogna scegliere questi componenti tenendo conto di:
caratteristiche chimiche e fisiche,
spessore,
grandezza,
angolazione del taglio, ecc.
La produzione inizia con la miscelazione del caucciù con il nerofumo, con gli oli speciali, acceleratori, antiossidanti ed altri ingredienti. La scelta dei vari componenti è il segreto di ogni produttore. L’effetto finale della fase è l’ottenimento della miscela di gomma ottimale.
La miscela è solitamente composta da:
caucciù naturali,
caucciù sintetici (gomma butadiene, gomma butadiene-stirene, butile),
riempitivi (nerofumo, silice)
oli,
resine,
zolfo,
acceleranti di vulcanizzazione,
antiossidanti (prodotti anti-invecchiamento)
altri, a seconda delle caratteristiche della miscela.
Ad esempio, per la produzione di 100 kg di miscela per il battistrada dello pneumatico per autovetture, ci vogliono:
La composizione della miscela di gomma viene adattata alle funzioni degli elementi specifici dello pneumatico e della sua destinazione. Una composizione verrà utilizzata negli pneumatici estivi, un’altra in quelli invernali. Varie parti degli pneumatici (fianchi, riempitivi della zona del tallone, strato interno - rivestimento) vengono prodotti da varie miscele di gomma.
Il caucciù influenza l’elasticità dello pneumatico, e dunque anche l’aderenza. Tuttavia supporta male le temperature troppo basse e si usura velocemente. In passato (fino agli anni Venti) per la produzione della gommatura veniva usato quasi esclusivamente il caucciù, ma quel metodo presentava svantaggi - tali pneumatici si usuravano dopo aver fatto 2-3mila km. Si iniziò, dunque, ad analizzare ed a migliorare le composizioni degli pneumatici, cercando una soluzione per prolungare il periodo di utilizzo della gommatura. Proprio per questo motivo si cominciò ad aggiungere il nerofumo che conferiva allo pneumatico il colore nero e lo rendeva più duro.
Qualche decennio dopo, negli anni Settanta, fu migliorata la durata degli pneumatici, così come anche l’aderenza grazie alla scoperta di Metzeler: l’aggiunta della silice alla miscela di gomma. La silice se la cava benissimo alle basse temperature e mantiene la sua elasticità ottimale. Proprio per questo motivo viene usata più spesso negli pneumatici invernali.
Le caratteristiche costruttive devono essere rispettate in ogni fabbrica di un produttore, indipendentemente da dove essa si trova. Grazie a questo un dato modello ha le stesse prestazioni indipendentemente dal luogo di produzione.
Le miscele per il battistrada sono le più complesse ed esigenti..
Quarta fase della produzione - creazione della miscela
Tutti i componenti che sono stati elencati in precedenza vengono aggiunti nell’ordine giusto in un macchinario chiamato miscelatore. Non solamente la quantità di un componente è importante, ma anche il momento in cui viene aggiunto. I componenti vengono miscelati fino al momento in cui la consistenza diventa omogenea. Quando la miscela è pronta ha la forma di un nastro o una lastra delle dimensioni che permettono di utilizzarla nelle fasi successive della produzione. Successivamente la superficie delle miscele viene coperta con agenti di distacco.
Agente di distacco - aiuta a separare gli strati di gomma durante le fasi successive dell’utilizzo della miscela. Il fenomeno di aderenza consiste nell’unirsi di varie superfici e deriva dalle interazioni intermolecolari delle sostanze che si toccano. Tale fenomeno avviene ad esempio come l’effetto di incollatura. L’agente di distacco previene che gli strati di gomma preparati per la produzione degli pneumatici si incollino tra di loro.
Le miscele di gomma vengono sempre esaminate dal punto di vista del soddisfacimento dei requisiti assunti nella fase di produzione. Se tutto va bene, le miscele vengono trasmesse alle successive fasi di produzione. A quel punto la gomma viene utilizzata per creare elementi di gomma profilati e piatti, oppure per la calandratura delle cordicelle in acciaio o in tessuto.
Gli estrusori sono capaci di produrre gli elementi di gomma profilati con l'approssimazione di 0,1 mm. Quando la miscela viene spostata nel macchinario viene plastificata dai rulli o dalla chiocciola e fatta passare da uno stampo. In tal modo si ottiene la forma desiderata che viene utilizzata per la produzione dello pneumatico crudo. Gli elementi ottenuti vengono avvolti su grandi cassette o bobine. Spesso vengono anche tagliati a una certa lunghezza. Proprio in questo modo vengono prodotti:
Se il prodotto è piatto (non deve avere una forma determinata, ma solo uno spessore determinato) viene sottoposto al processo di calandratura. Gli elementi ottenuti vengono avvolti sulla bobina. In questo modo si ottiene il rivestimento di butile ed altri elementi aggiuntivi dello pneumatico.
Calandratura - è un processo di estrusione dei prodotti da materie plastiche. La materia viene plastificata e, successivamente, formata sotto la pressione esercitata dai gruppi di cilindri, denominati calandre.
La funzione del rivestimento prodotto dalla miscela di butile è quella di garantire la tenuta stagna dello pneumatico.
Quinta fase della produzione degli pneumatici – cordicelle e cerchietti
Lo pneumatico non è costituito solamente dagli elementi di gomma. È fatto anche da cordicelle in tessuto e in acciaio. Questi elementi costituiscono lo scheletro dello pneumatico che le dà la forma e la rigidezza, e dunque le prestazioni adeguate durante l’utilizzo.
Ogni filo di cordicella in acciaio è fatto di fili ritorti di molte fibre sottili di:
nylon,
viscosa,
poliestere,
aramide.
Per produrre uno pneumatico in misura 195/65 R15 ci vogliono 1500-1800 fili di cordicelle. Sono disposti parallelamente ed impregnati in modo adeguato (le cordicelle in tessuto sono protette dal cosiddetto sistema di adesione di lattice e resina). Grazie a ciò i fili e la gomma legano meglio. La fase successiva consiste nella stiratura della gomma tra gli strati nel corso del processo di calandratura. In quel modo viene creato un tessuto gommato che successivamente è tagliato in modo appropriato a seconda dalla funzione che dovrà svolgere all’interno dello pneumatico (può avere la funzione dello strato in tessuto oppure di rinforzamento). Dopo esser adeguatamente tagliato, il tessuto viene avvolto sulla bobina o sulla cassetta e inserito nello pneumatico.
La produzione delle cordicelle in acciaio è assai più complessa. All’inizio, i fili di acciaio di diametro fino a qualche mm vengono estesi sui macchinari al fine di raggiungere il diametro desiderato, ossia di 0,2-0,5 mm circa. Tali fili vengono successivamente intrecciati. In quel modo si ottiene una cordicella elastica e molto resistente di diametro non superiore a 1 mm. Nella fase successiva viene coperto con uno strato di ottone o bronzo, grazie a ciò le cordicelle si legano bene con la gomma durante il processo di vulcanizzazione. Successivamente i fili di cordicelle vengono spostati sulla calandra tra i due strati della miscela di gomma e vengono tagliati a seconda della destinazione.
I cerchietti, invece, sono quegli elementi che permettono di incorporare lo pneumatico sul cerchio. Ogni produttore utilizza una diversa metodologia di formare i cerchietti. Possono avere forma di anelli che vengono creati intrecciando più fili, che hanno una sezione circolare o sono creati avvolgendo più strati di nastro. È costituito da singoli fili rivestiti con una miscela di gomma (di sezione poligonale o rettangolare).
Gli pneumatici radiali presentano uno strato di cintura in tessuto e due strati di cintura in acciaio.
Sesta fase della produzione degli pneumatici - pneumatico crudo
Dopo aver preparato i componenti necessari dello pneumatico, ha luogo il processo di confezionamento, ossia della disposizione accurata di tutti gli elementi in un modo determinato. In che cosa consiste questa fase della produzione degli pneumatici?
La seconda fase della produzione degli pneumatici è la preparazione degli elementi di pneumatico crudo:
parte superiore dello pneumatico,
cintura,
carcassa,
fianchi,
riempitivo,
strato di cordicelle di poliammide,
rivestimento interno.
Il riempitivo, i fianchi e il battistrada sono fatti di varie miscele di gomma. A pressione e temperatura ottimali, uno stampo adatto attribuisce all’elemento crudo la sua forma.
Il modo in cui viene prodotto uno pneumatico dipende dai macchinari e dalle soluzioni di costruzione utilizzati da un dato produttore. Alcuni produttori producono gli pneumatici in un’unica fase (l’intero pneumatico viene prodotto in un macchinario), altri, invece, in due fasi:
nella prima fase viene prodotta la carcassa,
la seconda fase consiste nell’aggiungere il pacchetto, ossia la cintura, il battistrada e tutti gli altri elementi.
La maggior parte dei produttori utilizzano la stessa sequenza di applicazione di singoli elementi:
1. applicazione del rivestimento di butile impermeabile che svolge la funzione di camera d’aria nei moderni pneumatici senza camera d’aria,
2. applicazione dei fianchi su entrambi i lati che proteggono da danni la costruzione intera dello pneumatico,
3. applicazione trasversale di uno stato di cordicella in tessuto che sarà lo scheletro dello pneumatico,
4. applicazione dei cerchietti assieme al rivestimento sullo strato in tessuto su entrambi i lati,
5. se necessario, aggiunta di altri elementi (se lo richiede la costruzione della carcassa).
Tutti gli elementi vengono posizionati in piano. Successivamente il tamburo (oppure le membrane di confezione) viene riempito d’aria. Grazie a ciò tutti gli elementi aderiscono bene e lo pneumatico pian piano inizia ad assomigliare al prodotto finale. Poi il tutto viene sottoposto al processo di arrolamento. Questo processo svolge varie funzioni:
conferisce allo pneumatico la forma adeguata,
assicura che tutti i componenti dello pneumatico siano collegati correttamente,
assicura che l’aria, che si poteva accumulare tra i vari componenti, sia scaricata in modo corretto.
Lo pneumatico crudo viene sottoposto ai test per rilevare vari errori. Una parte di loro può esser riparata, invece gli altri fanno ritirare lo pneumatico dalla produzione.
In base al codice a barre il produttore è in grado di ricostruire il processo produttivo.
Settima fase della produzione– vulcanizzazione degli pneumatici
Dopo la fase della confezione, gli pneumatici crudi vengono spostati nei magazzini e, successivamente, sotto le adeguate presse di vulcanizzazione. Le presse sono dotate di stampi di vulcanizzazione la cui struttura solitamente è:
a forma di contenitore: i suoi elementi sono due lati dello stampo, gli anelli conferiscono la forma ai fianchi dello pneumatico, imprimono le scritte, mente i segmenti del disegno che si trovano tra i blocchi conferiscono la forma al battistrada,
a due metà: costituita da due metà in cui ogni metà è responsabile di formare un fianco e la metà del battistrada.
Processo di vulcanizzazione
Lo pneumatico crudo viene coperto con liquidi antiaderenti che ne impediscono l’adesione alla membrana o alla forma. Le miscele di gomma, sotto l’influenza delle alte temperature (oltre i 150 gradi C), si trasformano in materia plastica con proprietà omogenee. Di conseguenza, in seguito alle reazioni chimiche, si crea la gomma caratterizzata dall’elasticità in un’ampia gamma di temperature. Vengono introdotti i mezzi di vulcanizzazione. Lo pneumatico crudo viene messo sulla membrana e la pressa viene chiusa. Successivamente, con la temperatura e la pressione, all’interno della membrana lo pneumatico crudo riempie lo stampo. La vulcanizzazione si svolge con una pressione e temperature prestabilite, mentre la forma esterna dello pneumatico, nonché il disegno del battistrada, viene riprodotta sullo stampo di vulcanizzazione. Lo pneumatico per autovetture deve stare nella forma 10 minuti circa, successivamente viene rimosso e lasciato raffreddare.
I difetti degli pneumatici che non vengono rilevati nel corso del controllo solitamente vengono scoperti durante l’utilizzo.
Controllo finale
Il controllo finale consiste in:
valutazione visiva, ad esempio se non c’è un corpo estraneo tra gli elementi dello pneumatico,
verificare il loro interno con i raggi X, al fine di eliminare gli pneumatici difettati e con danni interiori,
esame dei criteri di eterogeneità legati alla massa, alla rigidità e alla forma,
valutazione dei valori dell'effetto conico, della forza radiale e di altri parametri che influenzano il comfort e la sicurezza di viaggio,
verificare la struttura degli pneumatici tagliati per determinare la conformità del prodotto alle ipotesi strutturali, al fine di garantire un livello adeguato di prestazioni e sicurezza.
Gli pneumatici che hanno passato la fase del controllo finale con esito positivo possono essere destinati alla vendita. Circa l’80% degli pneumatici disponibili sul mercato viene prodotto con il metodo descritto sopra- L'unica differenza tra le diverse fabbriche di pneumatici è l'automazione e lo snellimento dei singoli processi produttivi.
Ogni pneumatico rappresenta un compromesso delle prestazioni
La progettazione degli pneumatici è un compromesso tra la durata e l’aderenza. Fin d’ora non è stata ancora prodotta una tale miscela che mantenesse in modo ottimale le sue proprietà con le temperature sia sotto che sopra lo zero, che drenasse la neve, l’acqua e la fanghiglia, nonché che assicurasse una buona aderenza sul ghiaccio e sull’asfalto.
Gli pneumatici estivi vengono utilizzati sia sull’asciutto che sul bagnato. Nel primo caso, per mantenere una giusta aderenza, è importante l’utilizzo di un’adeguata miscela di gomma, mentre il disegno del battistrada passa in secondo piano. Nel secondo caso, quando si viaggia sulla superficie bagnata, importante è il contrario, ossia un battistrada ben profilato. Nel caso di pneumatici invernali, mentre si viaggia sulla neve, è importane il disegno del battistrada, mentre sul ghiaccio di maggiore importanza è la composizione della miscela.
Lo stesso vale per il comfort di guida, il rumore e l'aderenza. In questo caso l’utilizzo di una miscela di due componenti rappresenta il fattore decisivo. Se gli elementi che sono a contatto con la superficie sono morbidi, mentre la parte di base del battistrada (BASE) che non ha il contatto diretto con la superficie è rigida, allora è possibile raggiungere la rigidità ottimale, ma con un comfort di guida relativamente basso. Allo stesso tempo, nella situazione opposta, si ottiene una migliore riduzione del rumore ma una presa peggiore. Rinforzare lo pneumatico si traduce in una maggiore durata e resistenza al peso e ai danni, ma aumentando allo stesso tempo il rumore emesso. Possiamo dunque osservare che la progettazione degli pneumatici è sempre legata al miglioramento di alcuni parametri, a scapito di altri.