L’autonomia dei prossimi modelli elettrici è fortemente limitata dalla capacità della batteria e dal peso della vettura. Più leggera è la vettura, più ovviamente elevata è l’autonomia. Per compensare il maggiore peso dei componenti elettrici, il modulo Life della BMW i3 è composto in gran parte da materiale sintetico rinforzato con fibra di carbonio, abbreviato CFRP. 

La nuova architettura richiede non solo l’utilizzo di materiali moderni di costruzione leggera, ma anche l’applicazione di processi produttivi altrettanto innovativi. Anche in questo campo la sostenibilità è un tema prioritario. Gli aspetti centrali sono l’approvvigionamento energetico e il consumo d’acqua, le emissioni dei solventi e il riciclaggio dei rifiuti.

Il tutto è un lavoro corale, in team. Si parte con la fabbricazione della fibra di carbonio a Moses Lake nello Stato federale USA del Washington e la sua trasformazione in fibre tessute avviene a Wackersdorf in Germania. Entrambi i siti produttivi vengono gestiti dalla SGL Automotive Carbon Fibers (ACF), una joint-venture del BMW Group e del SGL Group. A questi si aggiungono i centri produttivi più "classici" del BMW Group, cioè gli stabilimenti BMW di Dingolfing, di Landshut e di Lipsia.

Produzione della fibra di carbonio con la forza idrica / Moses Lake, USA

La SGL ACF produce a Moses Lake la fibra di carbonio da un precursore, cioè una fibra tessile termoplastica sulla base di poliacrilonitrile. In un complesso processo composto da più fasi, i singoli elementi della fibra vengono separati allo stato gassoso, così da ottenere una fibra dalla stabile struttura di grafite, composta quasi esclusivamente da carbonio puro. Questa fibra ha uno spessore di solo 7 micrometri (0,007 millimetri): un capello umano misura circa 50 micrometri.

Per l’applicazione nel comparto automobilistico, circa 50.000 filamenti vengono avvolti in cosiddetti “rovings” o “heavy tows” e successivamente trasformati. Già nella fabbricazione di fibre di carbonio a Moses Lake l’energia necessaria per la produzione proviene esclusivamente da forza idrica locale, dunque da una fonte energetica rinnovabile, ed è al 100 percento esente da CO2.

Il moderno stabilimento nello Stato federale del Washington definisce nuovi parametri a livello di efficienza energetica. La produzione delle ultraleggere fibre high-tech a Moses Lake è iniziata già alla fine del 2011. Due linee di produzione dalla capacità totale di 3.000 tonnellate all’anno mettono a disposizione il materiale nei volumi necessari. Finora, le due società madri BMW Group e SGL Group hanno investito circa 72 milioni di euro (100 milioni di dollari USA) nell’impianto produttivo di Moses Lake, creando 80 nuovi posti di lavoro.

Trasformazione in strutture tessili a Wackersdorf / Germania.

Nel secondo stabilimento produttivo della joint-venture, il Parco d’Innovazioni di Wackersdorf, i fasci di fibre prodotti a Moses Lake in volumi industriali vengono trasformati in strutture tessili. Grazie a un investimento di 20 milioni di euro e alla creazione di circa 150 nuovi posti di lavoro, già oggi è possibile fabbricare nello stabilimento di Wackersdorf diverse migliaia di tonnellate di panni di fibra di carbonio all’anno.

I panni di fibra ad orientamenti differenti vengono posati uno sopra l’altro, creando dei cosiddetti stack, degli strati di panni sovrapposti e successivamente tagliati. Questo è il materiale di partenza per la produzione dei componenti in CFRP negli stabilimenti BMW di Landshut e di Lipsia. A Wackersdorf, gli avanzi di taglio in CFRP vengono riciclati e utilizzati nei modelli BMW i. Già oggi circa il 10 percento del quantitativo di fibra di carbonio utilizzato nella BMW i3 è composto da materiale riciclato.

La trasformazione del CFRP in componenti della vettura

A Landshut e Lipsia gli stack forniti da Wackersdorf vengono trasformati in componenti della scocca della BMW i3 e della BMW i8. In ogni sito tre linee di produzione sono dedicate alla costruzione di componenti della scocca in CFRP. Nel corso di più di dieci anni, gli specialisti del BMW Group sono riusciti a perfezionare e ad automatizzare il processo produttivo di componenti in CFRP, così che oggi è possibile realizzare una produzione in grande serie di alta qualità, ad un elevato grado di sicurezza, con processi e costi economicamente ragionevoli.

Per esempio, è stato possibile ridurre del 50 percento circa i costi di fabbricazione dei componenti della scocca in CFRP. In una prima fase, un utensile di riscaldamento conferisce alla fibra di carbonio tagliata un forma stabile, tridimensionale. Singoli pezzi preformati vengono uniti, così da ottenere un componente di dimensioni più grandi e potere fabbricare anche delle parti della scocca con superfici molto grandi che in alluminio o in lamiera di acciaio sarebbero realizzabili solo con notevoli difficoltà oppure a costi nettamente superiori.

Dopo il confezionamento e il preforming segue il passo successivo: l’aggiunta di resina ad alta pressione attraverso il processo RTM (Resin Transfer Moulding). Della resina liquida viene iniettata ad alta pressione nei pezzi grezzi preformati. Solo dopo l’unione delle fibre con la resina e il successivo indurimento il materiale dispone della tipica rigidità, dunque delle sue eccellenti proprietà.

Le presse funzionano secondo dei parametri di tempo, di pressione e di temperatura sviluppati internamente dal BMW Group e definiti con la massima precisione, fino al legame totale della resina con l’indurente e all’indurimento finale. Grazie a questo processo di produzione automatizzato, è stato possibile rinunciare al lungo indurimento in forno, tipico della produzione manuale del CFRP. Il processo con il CFRP non è comparabile alla produzione tradizionale di autovetture in lamiera di acciaio.

L’impianto ad elevato livello di automazione è in grado di realizzare anche i gruppi costruttivi più complessi, con numerosi elementi strutturali integrati, per esempio il completo telaio laterale del modulo Life della BMW i3. Ulteriori fasi del processo sono i lavori di finitura, come il taglio di precisione della sagoma del componente e l’aggiunta delle aperture mancanti. I componenti vengono lavorati in un apposito impianto di taglio a getto d’acqua; le superfici d’incollaggio vengono sottoposta a sabbiatura, così da prepararle alla loro successiva trasformazione. Se il telaio non fosse in CFRP ma in tradizionale lamiera di acciaio sarebbe necessario unire diversi componenti interni ed esterni.

Il supporto strutturale del modulo Drive della BMW i3 prodotto nello stabilimento di Dingolfing è composto da elementi di supporto in alluminio con una verniciatura a bagno cataforetico e componenti in getto di alluminio. La costruzione del telaio offre una sede perfetta alla batteria, consentendo inoltre di realizzare una ripartizione ottimale delle masse tra gli assi e un baricentro della vettura molto basso, con conseguenti vantaggi per la dinamica di guida. Il materiale utilizzato, l’alluminio, abbina il lightweight design con delle buone caratteristiche di protezione anticrash, contribuendo così al concetto di sicurezza dei modelli BMW i.

La struttura Drive della BMW i3 è costituita da una complessa costruzione saldata, composta da oltre 160 pezzi che vengono uniti da un cordone di saldatura lungo oltre 19 metri. I componenti pressofusi della struttura Drive della BMW i3 vengono forniti dalla fonderia di leghe leggere dello stabilimento BMW di Landshut e si distinguono per offrire un’elevata integrazione di funzioni: dopo la pressofusione sono quasi pronti per essere montati nella vettura. Nello stabilimento di Dingolfing circa 120 addetti si occupano dell’assemblaggio della struttura Drive dei modelli BMW i3.

Accumulatore ad alta tensione

La batteria, definita anche accumulatore ad alta tensione, è un altro elemento centrale dei nuovi modelli BMW i fornito da Dingolfing. L’inizio del processo produttivo è contraddistinto dal “Begin-of-line-test” durante il quale viene collaudata l’efficienza delle celle agli ioni di litio. Segue poi la cosiddetta pulizia al plasma delle celle della batteria. Successivamente le singole celle vengono ottenute per stampaggio, incollate e saldate automaticamente, così da formare singoli moduli. Questo lavoro viene eseguito da più di 20 robot. Sono necessari 400 singoli passi per montare la batteria. L’involucro dell’accumulatore protegge le celle agli ioni di litio e contribuisce alla rigidità della vettura. Dopo la composizione delle celle in moduli inizia la fase di assemblaggio: i singoli moduli vengono sollevati uno dopo l’altro in una vasca di accumulo in alluminio e collegati manualmente in linea attraverso la connessione con un cablaggio di comunicazione.

Alla fine, vengono montati il coperchio e la base della batteria; le batterie finite vengono sottoposte al test di efficienza “End-of-line”. La batteria è costruita in modo tale da consentire la semplice sostituzione di singoli moduli in caso di difetto. Per costruire la batteria ad alta tensione dei modelli BMW i, a Dingolfing è stata realizzata su una superficie di oltre 2.000 metri quadri una linea di produzione high-tech altamente automatizzata.

Qui vengono costruiti anche gli accumulatori HV per i modelli ibridi della BMW Serie 3, 5 e 7.

 Motore elettrico

Per tradizione, il propulsore è un elemento centrale di distinzione della Bayerische Motoren Werke. Per questo motivo, il BMW Group ha sviluppato internamente il motore elettrico da 125 kW e l’elettronica di controllo. Il motore elettrico della BMW i3 viene prodotto nello stabilimento BMW di Landshut. Nel motore elettrico sono integrati l’involucro interno, lo statore e il rotore. Lo statore è il nucleo interno del motore ed è composto da un avvolgimento di filo di rame lungo circa 2 chilometri.

La particolarità del motore della BMW i3: grazie a un tipo di avvolgimento speciale dei fili di rame, esso risulta molto piccolo e compatto rispetto ad altri motori elettrici di potenza simile, così da potere risparmiare dell’ulteriore ingombro e peso. Prima d’introdurre il rotore nell’involucro interno, esso viene rivestito di un sottile strato di resina. Nella fase successiva vengono uniti statore, rotore e l’involucro interno, previamente riscaldato a circa 150 gradi per facilitare il montaggio. 

A differenza delle vetture con scocca autoportante, l’architettura LifeDrive è composta fondamentalmente da due unità funzionali orizzontali separate, indipendenti una dall’altra. Per la prima volta nella storia di BMW nel capannone di assemblaggio di Lipsia è stato introdotto una sistema a doppia linea: su una linea viene assemblato il modulo Life e sull’altra il modulo Drive.

Questo ha consentito di compiere anche dei notevoli progressi nella configurazione ergonomica dei posti di lavoro, offrendo all’operatore un accesso ottimale a tutte le operazioni di montaggio. A Lipsia, nella fase di assemblaggio del modulo Drive nello chassis in alluminio vengono sistemati la batteria e l’unità motore/cambio. In un primo passo, l’accumulatore ad alta tensione dal peso di 230 chilogrammi viene integrato nel sottoscocca e avvitato alla struttura Drive.

Il montaggio della batteria HV nel pianale dello chassis in alluminio assicura una ripartizione ottimale delle masse tra gli assi e garantisce un’elevata dinamica di guida. L’unità motore/cambio proveniente dallo stabilimento di Landshut viene avvitata anche essa alla struttura modulare. Come optional è disponibile inoltre un range-extender (motore bicilindrico a benzina) che estende l’autonomia della vettura a 300 km. Dopo il montaggio del supporto dell’asse anteriore, pre-assemblato a Dingolfing, e di ulteriori componenti strutturali, il modulo Drive della BMW i3 è pronto per l’assemblaggio finale. Assemblaggio della vettura.

Dal reparto di costruzione della scocca l’abitacolo in CFRP viene trasportato nel capannone di assemblaggio. Sul cosiddetto “nastro Life” vengono montati gli equipaggiamenti ordinati dal cliente. Nella fase successiva si celebra il “matrimonio” con il modulo Drive in alluminio. L’abitacolo in CFRP e lo chassis in alluminio vengono incollati uno all’altro. In più, in quattro punti vengono realizzati dei collegamenti a vite. Questo garantisce una rigidità e stabilità ottimali. Due robot applicano la colla al modulo Drive. Successivamente, il modulo Drive viene trasportato alla stazione di unione, viene sollevato e centrato. Un robot di presa depone il modulo Life sul modulo Drive. Il processo di unione viene avviato dal peso proprio della scocca. 

Solo adesso la BMW i3 ottiene il suo abito  definitivo in materiale sintetico. La pelle esterna verniciata è composta essenzialmente da termoplasti estrusi. Dato che le singole operazioni vengono eseguite contemporaneamente e che nella struttura in CFRP il numero di componenti è inferiore a quello di una vettura tradizionale, il tempo necessario per la costruzione della scocca e il suo assemblaggio è di 20 ore, dunque la metà della durata di produzione di un’automobile tradizionale. Successivamente, la BMW i3 passa alla finitura insieme alle altre vetture BMW prodotte a Lipsia, dove vengono eseguiti degli accurati controlli di qualità.

Gli investimenti totali effettuati a Lipsia ammontano a 400 milioni di euro; la produzione dei modelli BMW i ha creato nello stabilimento 800 nuovi posti di lavoro.