Study of a novel repurposing process chain for automotive sheet metals

The increasing environmental and economic challenges associated with the traditional “take-use-dispose” model have made the adoption of sustainable methods in the sheet metal forming sector an urgent necessity. This thesis explores an innovative circular economy framework for the repurposing of sheet metals, with particular focus on end-of-life (EoL) automotive components. The proposed model is based on reshaping already-formed sheet metals through flattening, a melt-less technique that restores the flatness of the parts using presses equipped with flat dies. This process allows for a significant reduction in waste and carbon emissions, now key priorities in the metal forming industry. In contrast, conventional methods rely on primary production or scrap recycling, both of which involve melting, are highly energy-intensive, and generate emissions and waste that must be treated and disposed of. The research addresses the issue through three main dimensions: technical feasibility, economic viability, and environmental impact. From the early stages, several research questions emerged, related to the potential of a business model alternative to conventional recycling and its compliance with the latest EU carbon neutrality regulations. To this end, two Life Cycle Assessment (LCA) studies were conducted to quantify the environmental impacts of reshaping compared to traditional recycling: one on the reuse and reshaping of steel sheets and one on aluminum sheets recovered from scrap and EoL vehicles. From a circular business perspective, the thesis analyses the recovery and reuse of EoL sheet metals from the automotive (primarily), construction, and household appliance sectors. It emphasizes the importance of large, flat sheets for efficient recycling, as well as the challenges associated with processing complex geometries. Metal scrap is classified as post-consumer or post-industrial, each with distinct characteristics. A step-by-step approach to the flattening-based business model is described, including inspection, alloy identification, geometry scanning, and flattening operations. Potential applications for reshaped sheets are explored in design, construction, and urban furniture. The pros and cons of flattening-based reshaping are discussed, highlighting the need for further technical, economic, and environmental investigation. A new circular model is proposed to integrate circular economy principles into the automotive supply chain, fostering a shift from traditional recycling to innovative recovery techniques. The current direct supply chain (from raw material suppliers to OEM) typically ends with shredding and energy-intensive recycling. The proposed model involves adapting dismantling plants with new areas for inspection and classification, cutting and flattening stations, decoating units, and quality control zones, potentially creating competition between dismantlers (who may consider entering the “metal repurposing” business) and recyclers (smelters). Technologies such as flattening with heated dies (warm flattening) and roller leveling are presented for restoring flatness, supported by a structured framework. The economic feasibility of the process is assessed in the Italian context, where around 900,000 vehicles are dismantled annually across 1,505 facilities. The study suggests grouping vehicles based on damage type to estimate recoverable materials in terms of area and weight, since EoL vehicles are generally not intact. Two scenarios for reuse operations are analyzed, based on hood complexity and vehicle segmentation, which affect the availability of panels. Operational steps include cutting, foam removal, manual operations, flattening, and decoating, with cost equations for energy, labor, amortization, and consumables. A sensitivity analysis shows how total cost varies with the number of reshaped sheets. Two main conclusions emerge: (1) the model is competitive when there are many clients requesting small quantities of reshaped sheets; (2) a circular business model connecting designers with reshapers could introduce new “green panels” to the market. Automation and process optimization are essential to ensure economic viability in high-labor-cost regions. From a technical point of view, dimensional analysis of components from Volkswagen and Skoda models shows that roofs are the most suitable parts for recovery due to their size and flatness. Smaller pieces can be joined by welding or riveting, although this increases cost and complexity. Automotive body panels are often multilayered: outer panels (roofs, hoods, doors, fenders) are more suitable for reuse than inner panels, which present complex geometries and structural reinforcements. A classification and parameterization of geometries enables defect prediction during flattening and opens the possibility for an AI-based “reusability assessment tool.” Practical dismantling and reuse activities were conducted on components such as fenders, doors, hoods, and roofs from scrapyards and body shops. Two main dismantling methods were identified: non-destructive disassembly for resale and destructive cutting for faster recovery. Challenges include internal structures, adhesives, and complex geometries. Strategies such as perimeter cuts and excluding flanges can improve flattening outcomes. Experimental and simulated tests demonstrated that less constrained sections reduce wrinkles and self-folding. Guidelines for reshaping complex panels were provided, balancing recoverable area, defect mitigation, and process efficiency. To evaluate the feasibility of flattening double-curved parts, DC04 steel samples (0.8 mm thick) were shaped using an Erichsen machine with varying punch stroke. Flattening tests involved die temperature, dwell force, and dwell time, following a Design of Experiments (DoE). ANOVA analysis showed that even curved sheets can be successfully flattened. Process parameters influenced both quality (surface oxidation, thinning, punch marks) and mechanical properties (elongation at failure as an indicator of residual formability). Bending and flattening experiments were performed on AISI304, DC04, and Al 5751 aluminum. Parameters varied included thickness (0.8 mm and 1.2 mm), initial angle, pressure (62 MPa to 950 MPa), tool temperature (ambient to 293°C), and use of a steel mesh between sheet and die. A laser profilometer measured springback/springforward and provided high-resolution surface maps. Empirical models were developed to predict residual flatness based on parameters, aiding in process condition selection. Results showed that the initial bending angle was the most influential factor: smaller angles caused greater curvature and more severe post-process deformation. Increasing tool temperature significantly reduced springforward in stainless steel; aluminum showed improved flatness at high temperatures. The use of macro-structured dies improved flattening performance and reduced both springback and springforward, even at lower pressures. The residual formability of reshaped DC04 sheets was evaluated experimentally and through explicit FEM simulations to verify the potential for additional forming cycles. Results quantified formability reduction (especially for severely bent parts) but confirmed sufficient residual formability for non-structural applications. Implicit FEM simulations were conducted on large-scale automotive parts, such as a bonnet and a “stepped” geometry extracted from a Chevrolet Camaro roof. Results showed that with heated flat dies and adequate parameters (force and dwell time), effective flattening with minimal springback was achieved. However, the stepped geometry exhibited wrinkles that could not be removed by flattening alone. In contrast, the double-curved bonnet part was successfully reshaped even with lower tonnage, without wrinkle formation. Various decoating techniques for EoL automotive body panels were evaluated: mechanical (brushing, grinding, sandblasting, waterjet), laser, and chemical (commercial solvents). Brushing had the highest removal rate but produced rougher surfaces; grinding offered smoother finishes; laser was slower but allowed selective removal. Chemical decoating was most effective when preceded by warm flattening but was less sustainable overall. Grinding is recommended for surface quality, brushing for productivity, and laser for waste reduction, as it vaporizes paint without generating dust. The effects of plastic deformation on coatings were studied via tensile tests on two types of samples: Type 1 (blue-painted aluminum substrate) and Type 2 (red-painted steel substrate). Tests were conducted to both failure and near-failure to assess aesthetic alterations caused by deformation. Color (CIELAB) and gloss (GU) measurements showed that the coating often fails before the substrate. Plastic deformation caused visible color changes in Type 1 samples and gloss changes in both types. However, pre-existing defects (scratches, stains) impacted aesthetics more than deformation. It was concluded that removing the coating is not always necessary if the initial condition is acceptable. Environmental impact was assessed through two LCAs on automotive steel and aluminum sheets reshaped by flattening. A preliminary study measured power consumption of a SACMI press using LEM sensors. Major energy consumption came from die heating and piston movement. Energy-saving strategies included avoiding oversized presses, shutting down unused auxiliary units, and reducing cycle time. The steel LCA used a reshaped FIAT Panda roof; the aluminum LCA considered three scenarios: (1) primary aluminum from bauxite, (2) aluminum from scrap, (3) reshaped Citroen hood. Primary data from experimental press trials were used. Assumptions included continuous press operation, compatible sheet dimensions, and recognition that reshaped panels do not have the same properties as virgin or recycled ones. Though not fully comparable, the LCAs aimed to identify environmental hotspots and introduce innovation into the state of the art. In conclusion, results showed that reshaped steel panels have significantly lower Global Warming Potential (GWP, kg CO₂) and Cumulative Energy Demand (CED, MJ) than primary production and EAF-based recycling. For aluminum, the environmental impact of reshaped panels is similar to that of conventional secondary production. In contrast, virgin sheet production (steel and aluminum) has the highest environmental burden. Within the repurposing process chain, the most impactful stages are decoating and flattening. Among decoating techniques, mechanical methods have significantly lower environmental impact than chemical ones and should be preferred whenever possible to enhance overall process sustainability.

Le crescenti sfide ambientali ed economiche legate al modello tradizionale “take-use-dispose” hanno reso urgente l’adozione di metodi sostenibili nel settore della formatura delle lamiere. Questa tesi esplora un innovativo framework di economia circolare per il riutilizzo delle lamiere metalliche, con particolare attenzione ai componenti automobilistici a fine vita (End-of-Life, EoL). Il modello proposto si basa sulla riformatura di lamiere già formate attraverso l'appiattimento (flattening), una tecnica che non richiede fusione e che permette di ripristinare la planarità delle parti mediante presse con stampi piani. Questo processo consente di ridurre significativamente gli scarti e le emissioni di carbonio, priorità ormai centrali nell’industria della formatura del metallo. Al contrario, i metodi convenzionali si basano sulla produzione primaria o sul riciclo degli scarti, entrambi con passaggio allo stato liquido, ad alto consumo energetico e con produzione di emissioni e rifiuti da trattare e smaltire. La ricerca affronta il problema su tre dimensioni fondamentali: fattibilità tecnica, sostenibilità economica e impatto ambientale. Fin dalle prime fasi sono emerse diverse domande di ricerca, riguardanti la possibilità di un modello di business alternativo al riciclo convenzionale e la sua coerenza con le più recenti normative UE in materia di neutralità carbonica. A tal fine, sono stati condotti due studi di Life Cycle Assessment (LCA) per quantificare gli impatti ambientali del processo di riformatura rispetto al riciclo tradizionale: uno sul riutilizzo e riformatura di lamiere di acciaio e uno su lamiere di alluminio recuperate da scarti e auto a fine vita. Da un punto di vista economico-circolare, la tesi analizza il recupero e il riutilizzo delle lamiere EoL provenienti dai settori automobilistico (principalmente), edilizio ed elettrodomestico. Viene sottolineata l’importanza di lamiere ampie e piane per un riciclo efficiente, nonché le difficoltà legate al trattamento di geometrie complesse. Gli scarti metallici sono classificati in post-consumo e post-industriali, con caratteristiche distinte. Viene descritto un approccio step-by-step per il modello di business basato sull’appiattimento, che include ispezione, identificazione della lega, scansione geometrica e operazioni di flattening. Le potenziali applicazioni delle lamiere riformate sono esplorate in ambiti come il design, l’edilizia e l’arredo urbano. Sono discussi i vantaggi e gli svantaggi della riformatura tramite flattening, evidenziando la necessità di ulteriori approfondimenti di tipo tecnico, economico e ambientale. Un nuovo modello circolare è proposto per integrare i principi dell’economia circolare nella catena di fornitura del settore automobilistico, promuovendo il passaggio dal riciclo tradizionale a tecniche innovative di recupero delle lamiere. Attualmente, la supply chain diretta (dai fornitori di materie prime ai produttori OEM) porta allo smaltimento tramite frantumazione e riciclo energetico. Il modello proposto prevede un adattamento degli impianti di demolizione con nuove aree per ispezione e classificazione, stazioni di taglio e flattening, unità di sverniciatura e controlli qualità, creando una potenziale competizione tra demolitori (i quali possono pensare al nuovo business di "metal repurposing") e riciclatori (smelters). Tecnologie come il flattening con stampi riscaldati (warm flattening) e il livellamento a rulli (roller leveling) vengono presentate per il ripristino della planarità, supportate da un framework strutturato. La fattibilità economica del processo è valutata nel contesto italiano, dove circa 900.000 veicoli vengono demoliti ogni anno in 1.505 impianti. Lo studio suggerisce di raggruppare i veicoli in base al tipo di danno per stimare i materiali recuperabili in termini di area e peso, dato che i veicoli EoL non sono generalmente integri. Sono analizzati due scenari per le operazioni di riutilizzo, in base alla complessità geometrica dei cofani e alla segmentazione dei veicoli, che influenzano la disponibilità delle lamiere. Le fasi operative includono il taglio, la rimozione di schiume, operazioni manuali, flattening e sverniciatura, con relative equazioni per calcolare i costi di energia, manodopera, ammortamento e materiali di consumo. Un’analisi di sensitività mostra come il costo totale vari in funzione del numero di lamiere riformate. Due conclusioni principali emergono: (1) il modello è competitivo quando i clienti sono numerosi ma richiedono piccole quantità di lamiere riformate; (2) un modello di business circolare che connetta designer e coloro che riformano lamiera potrebbe introdurre sul mercato nuovi “pannelli verdi”. Automazione e ottimizzazione dei processi risultano fondamentali per la sostenibilità economica in contesti a elevato costo del lavoro. Dal punto di vista tecnico, l’analisi dimensionale di componenti Volkswagen e Skoda mostra che i tetti sono le parti più adatte al recupero grazie alla loro ampiezza e planarità. I pezzi più piccoli possono essere uniti tramite saldatura o rivettatura, con però un aumento di costi e complessità. I pannelli di carrozzeria sono spesso multistrato: le lamiere esterne (tetti, cofani, portiere, parafanghi) sono più idonee al riutilizzo rispetto alle parti interne, che presentano geometrie complesse e rinforzi strutturali. Una classificazione e parametrizzazione delle geometrie consente di prevedere i difetti durante il flattening e apre alla possibilità di sviluppare un “tool di valutazione della riutilizzabilità” basato su AI. Attività pratiche di smontaggio e riutilizzo sono state condotte su componenti come parafanghi, portiere, cofani e tetti provenienti da autodemolitori e carrozzerie. Sono stati identificati due principali metodi di smontaggio: disassemblaggio non distruttivo per rivendita e taglio distruttivo per un recupero più rapido. Le difficoltà includono strutture interne, adesivi e geometrie complesse. Strategie come i tagli perimetrali e l’esclusione delle flange possono migliorare i risultati del flattening. Test sperimentali e simulazioni hanno dimostrato che le sezioni meno vincolate riducono difetti come grinze e auto-piegature. Sono state fornite linee guida per la riformatura di pannelli complessi, bilanciando area recuperabile, riduzione dei difetti ed efficienza del processo. Per valutare la fattibilità del flattening su curvature doppie, sono stati utilizzati campioni in acciaio DC04 (spessore 0.8 mm) formati con macchina Erichsen, variando la corsa del punzone. I test di flattening hanno coinvolto temperature degli stampi, forza di mantenimento e tempo di permanenza in flattening, seguendo un Design of Experiments (DoE). L’analisi ANOVA ha mostrato che anche le lamiere curve possono essere riformate con successo. I parametri di processo hanno influenzato sia la qualità (ossidazione superficiale, assottigliamento, segni da punzone) sia le proprietà meccaniche (allungamento a rottura come indicatore di “formabilità residua”). Esperimenti di piegatura e appiattimento sono stati condotti su AISI304, DC04 e alluminio Al 5751. Sono stati variati spessori (0.8 mm e 1.2 mm), angoli iniziali, pressione (da 62 MPa a 950 MPa), temperatura degli utensili (da ambiente a 293°C) e l’uso di una rete d’acciaio tra lamiera e matrice. Un profilometro laser ha misurato springback/springforward con mappe di superficie a risoluzione micrometrica. Sono stati sviluppati modelli empirici per prevedere la planarità residua in funzione dei parametri, utili per selezionare le condizioni ottimali. I risultati hanno mostrato che l’angolo di piega iniziale è il fattore più influente: angoli minori comportano maggiore curvatura e deformazioni post-processo più marcate. L’aumento della temperatura degli utensili riduce significativamente lo springforward nell’acciaio inox; l’alluminio migliora la planarità alle alte temperature. L’impiego di stampi "macro-structured" migliora l’effetto del flattening e riduce sia lo springback che lo springforward anche a pressioni inferiori. La formabilità residua delle lamiere DC04 riformate è stata valutata con metodi sperimentali e simulazioni numeriche esplicite, per verificare la possibilità di ulteriori cicli di formatura. I risultati hanno quantificato la riduzione di formabilità, soprattutto in pezzi con piegature severe, ma hanno confermato una formabilità residua sufficiente per applicazioni non strutturali. Simulazioni implicite FEM hanno analizzato il flattening di componenti auto su larga scala, come un cofano e una geometria "a gradini" estrapolata da un tetto di una Chevrolet Camaro. I risultati mostrano che con stampi piani riscaldati e parametri adeguati (forza e tempo di mantenimento) si può ottenere un appiattimento efficace con minimo springback. Tuttavia, la geometria a gradini ha mostrato la formazione di grinze praticamente impossibili da eliminare solamente via flattening. Invece, il pezzo a doppia curvatura estratto da un cofano è stato riformato con successo anche a tonnellaggi più bassi senza generare grinze. Sono state valutate diverse tecniche di rimozione della vernice presente sulle carrozzerie a fine vita: meccaniche (spazzolatura, levigatura, sabbiatura, waterjet), laser e chimiche (solventi commerciali). La spazzolatura ha il tasso di rimozione più alto ma produce superfici più ruvide; la levigatura offre finiture più uniformi; il laser è più lento ma consente rimozione selettiva. Il decoating chimico è più efficace se preceduto da flattening termico, ma è meno sostenibile. Si raccomanda l’uso della levigatura per qualità, spazzolatura per produttività e laser per ridurre gli scarti essendo una tecnologia che non genera polvere ma vaporizza direttamente la vernice. Gli effetti della deformazione plastica sul coating sono stati studiati con prove di trazione su due tipologie di campioni: Tipo 1 (lamiere verniciate in blu su substrato di alluminio) e Tipo 2 (lamiera verniciata in rosso su substrato di acciaio). I test sono stati condotti sia fino alla rottura completa del campione (substrato metallico + coating), sia poco prima della rottura del campione stesso per valutare se la deformazione imposta sui provini avesse alterato l'estetica e il colore della vernice che era stata deposta in fase di produzione dell'auto. Le misurazioni colore (CIELAB) e gloss (GU) mostrano che il coating si rompe spesso prima del substrato. La deformazione plastica ha provocato variazioni di colore nei campioni Tipo 1 (substrato alluminio, vernice blu) e variazioni di gloss in entrambi i tipi. Tuttavia, difetti preesistenti influenzano l’aspetto più della deformazione. Si conclude che la rimozione del coating non è sempre necessaria, se lo stato iniziale è buono. L’impatto ambientale è stato valutato tramite due LCA su lamiere automotive di acciaio e alluminio riformati via flattening. Uno studio preliminare ha misurato i consumi energetici di una pressa SACMI con sensori LEM. I principali consumi derivano dal riscaldamento degli stampi e dal movimento del pistone. Strategie di risparmio includono evitare presse sovradimensionate, spegnere unità ausiliarie non in uso e ridurre la durata del ciclo. L’LCA della lamiera di acciaio ha utilizzato il tetto di una FIAT Panda; quella dell’alluminio ha considerato tre scenari: (1) alluminio primario da bauxite, (2) da rottame, (3) da cofano Citroen riformato. I dati primari della pressa utilizzata per le prove sperimentali sono stati impiegati. Le assunzioni includono uso continuo della pressa, dimensioni compatibili e la consapevolezza che i pannelli riformati non hanno le stesse proprietà di quelli vergini o riciclati. Sebbene non completamente comparabili, le LCA mirano a identificare gli hotspot ambientali e introdurre innovazioni nello stato dell’arte. In conclusione, i risultati mostrano che i pannelli in acciaio riformati hanno un Global Warming Potential (GWP, kg CO2) e una Cumulative Energy Demand (CED, MJ) significativamente inferiori rispetto alla produzione primaria e al riciclo via forno elettrico. Per l’alluminio, l’impatto ambientale dei pannelli riformati è simile a quello della produzione secondaria convenzionale. Al contrario, la produzione di lamiere vergini (sia in acciaio che in alluminio) presenta il carico ambientale più elevato. Nell’intera catena di riutilizzo, le fasi più impattanti sono la sverniciatura e l’appiattimento. Tra le tecniche di sverniciatura, quelle meccaniche mostrano un impatto ambientale significativamente inferiore rispetto ai metodi chimici e dovrebbero essere preferite, ove possibile, per migliorare la sostenibilità complessiva del processo.