Costruzione leggera in alluminio per treni superveloci

Breve cronistoria dell’impiego dei semilavorati di lega leggera nei veicoli su rotaia e situazione in Europa.

di Alberto Pomari

La storia delle applicazioni dell’alluminio con funzioni strutturali nel campo ferroviario è relativamente recente, come recente è la storia della tecnologia produttiva di questo materiale. Se escludiamo impieghi che potremmo definire minori, come per esempio finestrini, modanature e simili, l’utilizzo delle leghe leggere nella costruzione delle carrozze è effettivamente rintracciabile solamente negli ultimi 30-40 anni. Filippo Tommaso Marinetti nel Manifesto della cucina Futurista pubblicato nel 1931 citava: “…..prepariamo una agilità di corpi italiani adatti ai leggerissimi treni di alluminio che sostituiranno gli attuali pesanti di ferro, legno e acciaio”, anticipazione illuminata stile Verne del futuro prossimo. In effetti, poco più di tre anni dopo, nel 1934, viene prodotto il primo prototipo al mondo di treno realizzato in lega leggera, un sorprendente esempio all’epoca di impiego delle leghe d’alluminio nell’industria ferroviaria: un treno realizzato in gran parte con leghe di alluminio che percorreva la distanza fra Los Angeles e New York alla notevole velocità di 223 km orari, come attesta un filmato dell’Istituto Luce facilmente reperibile su Youtube. Questo prototipo venne presumibilmente realizzato utilizzando in larga misura lamiere, assemblate e inchiodate tra loro. Purtroppo non abbiamo informazioni al riguardo, ma indubbiamente risulta che il primo treno in metallo leggero sia stato prodotto in esemplare unico e quindi mai entrato in produzione. Bisogna arrivare al 1963 per trovare il primo esempio di treno per metropolitana realizzata in alluminio, la “Subway” di Toronto, in Canada, inaugurata nel 1954, e il primo caso al mondo a dotarsi nel 1963 di treni interamente in metallo leggero. Anche in questo caso le informazioni reperibili sono scarse e si presume che i veicoli fossero realizzati sempre in lamiera di leghe di alluminio – magnesio, chiodate e rivettate. Verso la fine degli anni ‘70, inizio anni ottanta, si cominciano a introdurre in questo impiego gli estrusi in leghe tipo 6000 Al-Mg-Si ed Al-Zn-Mg, utilizzati per la realizzazione di parti strutturali delle carrozze, preferite alle altre famiglie di leghe di alluminio da lavorazione plastica per la miglior combinazione tra estrudibilità, resistenza meccanica, resistenza agli agenti atmosferici e saldabilità. In Italia uno dei primi treni ad alta velocità a utilizzare estrusi in leghe 7000 per la costruzione delle carrozze, è stato il primo della numerosa famiglia dei “Pendolino“, il modello FS ETR 401 costruito dalla Fiat ferroviaria di Savigliano. Questo modello, pur realizzato in esemplare unico nel 1976, cominciò a dimostrare che l’uso delle leghe di alluminio poteva contribuire decisamente all’alleggerimento delle carrozze, consentendo di ridurre consumi ed aumentare il numero di passeggeri trasportabili. Gli esempi successivi sono assai numerosi e tutte le principali case costruttrici adottano da tempo le leghe di alluminio per ogni tipo di veicolo su rotaia, dai treni ad alta velocità, agli Intercity fino alle metropolitane leggere. Nel frattempo lo sviluppo di nuove leghe, in particolare della famiglia 6000, ha consentito di realizzare soluzioni progettuali sempre più convincenti e competitive. La lega 6005, proposta in numerose varianti, è oggi quella principalmente utilizzata per la produzione dei grandi estrusi delle strutture ferroviarie. Oggi l’enorme avanzamento delle lavorazioni dell’alluminio sta sempre più procedendo verso casse realizzate in assemblaggio di pochi elementi chiamati grandi estrusi, che da soli realizzano le fiancate e il soffitto della cassa, e che non richiedono alcun tipo di struttura oltre alla semplice fiancata monoblocco. Questa tecnologia ha il vantaggio di ridurre sensibilmente i costi delle lavorazioni successive e di produrre mezzi molto leggeri, tanto che la sola cassa in estrusi può essere anche di qualche tonnellata più leggera di un’equivalente in acciaio. Inoltre, è possibile ottenere una precisione sulle tolleranze ben più elevata (anche di un ordine di grandezza), e una finitura superficiale migliore, con l’eliminazione degli antiestetici “bozzi” tipici dell’assestamento delle lamiere.

Il mercato europeo dell’alluminio per il trasporto ferroviario
Pur rappresentando una nicchia non superiore al 2-3% del totale degli usi finali degli estrusi, il mercato del ferroviario rimane uno dei settori più importanti e interessanti per lo sviluppo delle tecnologie di estrusione, per la scelta di nuove leghe e soprattutto per le tecniche di assemblaggio dei materiali. In particolare per quest’ultima la saldatura rappresenta un banco tecnologico di prova per tutti i costruttori e tutti gli estrusori. La tradizionale saldatura MIG è oggi superata dalla Friction Stir Welding o addirittura dalla nuovissima saldatura Laser. Ma tornando al mercato Europeo, riportiamo nel grafico che segue la produzione di carrozze nel 2016, suddivise nelle tre categorie di treni ad alta velocità, intercity e metropolitane. Nel caso dei treni ad alta velocità (High-Speed), l’utilizzo del metallo leggero per carrozza è significativamente maggiore, in termini percentuali, rispetto agli altri tipi di treni. Il grafico riporta la produzione stimata delle sole carrozze in alluminio nei paesi EU. I treni High-Speed si distinguono per la presenza degli estrusi più grandi (è necessario ridurre il numero dei componenti saldati per ottenere maggior robustezza delle strutture) e per la lunghezza elevata delle carrozze, fino a 25 metri e oltre, salvo il caso dei treni HS del costruttore spagnolo Talgo che utilizzano carrelli strutturali tra una carrozza e l’altra, riducendo a 13 metri circa la lunghezza della singola carrozza. I treni Intercity a media velocità possono raggiungere la velocità di 200 km orari e trasportano mediamente un numero di passeggeri maggiore rispetto alle altre categorie. Le Metropolitane utilizzano mediamente dalle tre alle quattro tonnellate di estrusi, salvo i casi di costruttori che utilizzano l’alluminio solo per i tetti o per altre parti della struttura. La Germania è attualmente il paese Europeo con la maggiore capacità produttiva. Siemens, Bombardier e Alstom hanno in questo paese diversi siti produttivi. Il caso Italia è indicativo degli avvenimenti industriali degli ultimi anni nel nostro paese. Tutti gli impianti sono stai infatti ceduti ad aziende straniere: Ansaldo Breda alla Hitachi ed in precedenza Fiat Ferroviaria ai francesi della Alstom. Non abbiamo incluso la produzione della Russia che sta decisamente aumentando negli ultimi anni, in questo paese gli investimenti nel settore ferroviario potrebbero dare un impulso eccezionale all’industria Europea. In un mercato caratterizzato da un ridotto numero di players non è facile reperire dati statistici ufficiali, comunque possiamo stimare un consumo di estrusi complessivo di circa 30.000 tonnellate l’anno, per circa il 90% costituito da impieghi strutturali, mentre il 10% circa va attribuito ad applicazioni interiors, come bagagliere, finestrini, tavolini, arredamento eccetera. Come risulta dal grafico, la quota di mercato attribuibile ai produttori extra EU è minore ma comunque significativa. In effetti, pur con tutte le ovvie difficoltà logistiche, i produttori dell’estremo oriente si sono conquistati una buona quota di mercato, ed è facile prevedere che sia destinata a crescere per la competitività e la consistenza dell’offerta orientale. E’ quasi incredibile che profilati in barre da 20 o più metri di circa 600-700 kg cadauna, o che pannelli estrusi, lavorati meccanicamente e addirittura saldati, possano giungere da così lontano a condizioni competitive, sia dal punto di vista commerciale sia da quello tecnologico, comunque così è la situazione. La grande competizione esistente tra i produttori di treni sta sempre più orientando alla esternalizzazione o outsourcing dei componenti, e l’assenza di local content nelle gare di appalto certamente non aiuta i produttori di alluminio europeo.