Témata
Reklama

Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

Automobilový průmysl je specifické odvětví, které je významně poháněno společenskými tlaky na ekologický provoz vozidel, tedy na snižování emisní zátěže i obecné spotřeby pohonných hmot a kontinuální vývoj elektromobility. Tyto trendy se dotýkají jak konstrukce vozu, tak i technologické zpracovatelnosti jednotlivých komponentů. Jenom v horizontu 10 let se předpokládá redukce dílů z oceli o 20 % a jejich nahrazení speciálními materiály na bázi kompozitu.

V popředí zájmu jsou nejenom uhlíková vlákna, ale obecně vláknové kompozity FKV (Faser Kunstoff Verbunden), které se stávají dostupnější díky odpovídajícím technologiím i ceně určené pro velkosériovou výrobu. Právě cena a užitné hodnoty pak v tomto směru určují tržní výhody a potenciál pro širší aplikaci.

Reklama
Reklama

Nezkadeřené tkaniny

Novou oblastí v použití hybridních materiálů jsou kompozity s nekonečnými vlákny s víceosým uspořádáním, vhodné pro zesílené konstrukční díly. Kompozitní díly z nezkadeřených syntetických vláken (Non-Crimp Fabrics) otevírají možnost pro vhodné a cílené orientace ke směru zatěžujících sil na dílu v provozu. V porovnání se současnými armovacími textiliemi tím lze docílit menší hmotnosti při zachování nebo zlepšení mechanických vlastností. Ty závisejí u kompozitu na druhu vlákna (sklo, Aramid, Carbon), dále na víceosém systému výztuže, charakteru zatěžování a v neposlední řadě na počtu vláken na díle. Vývojem těchto materiálů se zabývá firma Saertrex. Veliký význam mají přitom volba a nasměrování armovacího textilu. Víceosé polotovary – přístřihy s variabilním uspořádáním pro jednotlivé pozice – vždy vykazují nejlepší mechanické vlastnosti. Nezkadeřené tkaniny (obr. 1) vykazují celou řadu výhod.

">


Obr. 1. Tkáň z nezkadeřených vláken
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Oproti kadeřeným vláknům vykazují větší odolnost vůči vnějším silám. Vhodně zvolený směr jednotlivých pozic umožní optimalizované zatěžování dílu. To poskytuje možnost konstruktérům v porovnání s původním armováním redukovat hmotnost dílu při zachování jeho mechanických vlastností. Nejlepších mechanických vlastností se dociluje po impregnaci vláken výztuhy matricí. Matrice stabilizuje vlákna v jejich poloze a rozděluje mechanické namáhání dílu při jeho zatěžování. Většinou se používá polymerová matrice buď na bázi duroplastu, nebo na bázi termoplastu. Impregnace se provádí buď v nástroji, nebo mimo něj. Obrázek 2 ukazuje impregnaci v nástroji. Při impregnaci mimo nástroj dochází k celkové impregnaci před samotným tvářením, nicméně může být provedena i impregnace částečná. Ve všech případech je ohřátý polotovar následně tvářen v lisovacím nástroji. Ke konsolidaci dochází podchlazením nebo zasíťováním. Firma Saertrex používá tuto technologii v řadě aplikací v automobilovém, leteckém, lodním i energetickém průmyslu. Konkrétní příklad je na obr. 3. Mezi možné aplikace této technologie patří například střecha sportovního vozu Lamborghini Aventador Roadser.


Obr. 2 Impregnace v nástroji při RTM procesu
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Kompozitní materiály mají díky těmto vlastnostem velký potenciál pro redukce hmotnosti vozidla. V podmínkách hromadné výroby však hraje podstatnou úlohu cena i takt možného výrobního zpracování. Kratší výrobní časy mohou být docíleny například kompozity na bázi termoplastů. Finanční nákladnost je ovšem věc jiná. V současné době jsou kompozity využívány v podmínkách kusové nebo malosériové výroby. Praktické rozšíření této technologie je tak otázkou budoucnosti.

Smíšené konstrukce

Dalšími příklady z použití hybridních materiálů jsou smíšené konstrukce na bázi vláknových kompozitů z termoplastů a plechů kovů z hliníku, oceli nebo titanu. V Německu jsou tyto materiály označovány jako FK/M-Verbunde (Faser-Kunststoff/Metall Verbunden). Kompozity s nekonečnými vlákny s termoplastickou matricí jsou označovány jako organoplechy. Zesílení matrice je provedeno textilií ve formě rohoží, tkání nebo mulů vyrobených háčkováním či pletením. Jako matrice se vedle termoplastů používají polypropylen, polyetylen, technické polymery a další. Jejich tepelným tvářením či válcováním vznikají polotovary pro tváření. Principiálně jde tedy o podobnou technologii jako při zpracování oceli. Z těchto polotovarů se vyrábějí tzv. prepregy. Duroplastová matrice se vyznačuje krátkými časy zpracování, zvýšenými přetvárnými možnostmi a možností recyklace. Ve směru vláken jsou mechanické vlastnosti výrazně lepší. Nabízí se tedy možnost kombinovat tyto vlastnosti s kovovými plechy za vzniku několikavrstvého kompozitu FK/M-Verbunde. Spojením výhod vláknových kompozitů s kovovými plechy tak vzniká tzv. inteligentní smíšená lehká konstrukce. Vedle již zmiňovaných dynamických a pevnostních vlastností mohou mít přínos pro spojovatelnost, redukci vibrací, tlumení zvuků, lakovatelnost a odolnost proti odletujícím kamenům. Tato oblast si vyžádá další práce v oblastech konstrukce dílů s řešením technologičnosti tvaru, navržením velkosériových technologií, zjišťováním jejich vlastností zejména po zpracování tvářením, strategii pro optimalizaci při integraci do celkové struktury. Dneska se již průmyslově používá tváření (tepelné nebo válcování) vláknových kompozitů s termoplastickou matricí. Příkladem je kombinace vstřikování termoplastů a tepelného tváření vláknových kompozitů při výrobě crashových elementů automobilů. Tyto kompozity nemají žádné kovové díly, takže napojování na strukturální díly karoserií musí probíhat pomocí speciálních kontaktních míst. Materiály mají nízkou odolnost proti vlhkosti.


Obr. 3 Schematické znázornění střešního nosiče po prvním tahu
Pro zvětšení klikněte na obrázek.

Další kombinace a možnosti

Sendvičovými polotovary, tedy kombinacemi ocelových nebo jiných plechů s jádrem z termoplastu, se budeme zabývat v dalším článku. Existují také možnosti výroby smíšených konstrukcí vyráběním každé vrstvy zvlášť a následným lepením, nýtováním s šroubováním, tzv. Post Mouding Assembly. Také lokální výztuhy skýtají vysoký potenciál lehkých konstrukcí. Pro aplikace v letectví se vyvíjejí FK/M kompozity na bázi Al a Ti. Zde se výzkum zaměřuje na charakteristiku stárnutí těchto smíšených konstrukcí a na korozi. Tento výzkum je současně prováděn s počítačovou podporou. V současné době se také provádějí analýzy a hledají se možnosti výroby dílů principálně spadající do vstřikování nebo lepení. Kovové elementy se zastřikují. Nabízí se možnost použití vstřikování více plastů. Tyto technologie lze porovnávat s technologiemi zpracování plechů a využívat zkušeností z této oblasti. Tyto tendence mohou být úspěšně aplikovány použitím specifické kinematiky zpracování na servolisech. Klastr AiF/DFG velkosériově uvádí otestovanou technologii výroby nosníku střechy pro osobní automobil. Schematický postup výroby střešního nosiče je na obr. 3.

Tento článek byl vytvořen za použití podkladů ze sborníku EFB–Tagungsband Nr. 40 Intermezzo der Werkstofflösungen: Hat Blech eine Zukunft?, ISBN: 978-3-86776-452-0, a článků publikovaných v posledních pěti letech v časopise Blech Rohre Profile.

ČVUT FS v Praze, Škoda Auto

doc. Ing. Jan Šanovec, CSc., Ing. Tomáš Pilvousek, IWE

jan.sanovec@fs.cvut.cz

www.fs.cvut.cz

Reklama
Vydání #5
Kód článku: 160512
Datum: 11. 05. 2016
Rubrika: Výroba / Tváření
Autor:
Firmy
Související články
Jsou smíšené konstrukce dočasně za svým zenitem?

Nikdo nenamítá proti oprávněné potřebě lehkých konstrukcí v dopravě, aeronautice, obalové technice a u pohyblivých částí strojů, systémů a zařízení. Avšak jsou smíšené konstrukce s plasty vyztuženými vlákny v současnosti opravdu za svým zenitem?

Aditivní výroba ve tváření plechů

Trojrozměrný (3D) tisk, označovaný také jako aditivní výroba (additive manufacturing - AM), zaznamenal v poslední době značný rozvoj. Touto technologií je umožněna výroba i velmi tvarově komplikovaných trojrozměrných produktů. Objekty nebo výrobky jsou vytvářeny z podkladu digitálních 3D modelů nebo jiných elektronických datových zdrojů. Aplikační možnosti 3D tisku se s ohledem na progresivní vývoj této technologie jeví jako neomezené.

Lehké konstrukce automobilů - sendvičové materiály

O prodejnosti a úspěšnosti vozidla v silném konkurenčním prostředí dnes rozhoduje z velké míry tvar a funkčnost karoserie. Mezi technickým vybavením jednotlivých výrobců dnes není propastný rozdíl a proto první, čím automobil promlouvá k zákazníkovi, jsou právě silueta vozu, linie hran, elegance i vizuální dynamika. Na karoserii jsou proto kladeny náročné požadavky v řadě případů z hlediska technologie výroby protichůdné.

Související články
Lehké konstrukce karoserií osobních automobilů

Rostoucí požadavky na snižování spotřeby pohonných hmot a emisní limity vytvářejí soustavný tlak na snižování hmotnosti karoserií. Druhou alternativou, která se nadále rozvíjí, je rozšířené nasazení alternativních hybridních pohonů automobilů, zejména kombinace spalovacích motorů s elektropohony. Nedodržení emisních limitů osobních automobilů 95 g/100 km by mělo být od roku 2020 navíc finančně postihováno. Jak ukazují aktuální problémy koncernů Volkswagen Group a Citroen, je tato problematika rozšířena ještě o NOx. Je však zřejmé, že se to týká prakticky všech výrobců osobních i nákladních vozů. Tato problematika je zásadní s ohledem na vyráběné množství. V konstrukci letadel, raket a vesmírné techniky je řada nových výrobních technologií již delší dobu používána. Je to nejenom otázka vhodných materiálů, jejich dostupnosti a možností použitých výrobních technologií. V souvislosti s lehkými konstrukcemi všechny tyto oblasti stojí před dlouhodobým a zásadním rozvojem.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Made in Česko - Romantické tóny z Hradce Králové

V roce 1948 byla doslova ze dne na den znárodněna česká firma Petrof vyrábějící dokonalé, světově proslulé klavíry. Její majitel, dědeček dvou dam a pradědeček třetí, tedy těch, které v současné době firmu úspěšně vedou, musel tehdy okamžitě svoji továrnu opustit. O dlouhou řadu let později se, nejen díky revoluci, ale i díky nezměrnému úsilí jeho samého i jeho potomků, podařilo firmu, která figuruje na předním místě mezi českým „rodinným stříbrem“, vrátit do rukou rodiny Petrofů.

Oscilující paprsek laseru pracuje přesněji

Univerzálním nástrojem naší doby je laser, kterým je možné bezdotykově opracovávat téměř všechny materiály. Ještě lépe a přesněji se podaří materiály řezat nebo gravírovat, když paprsek laseru kmitá.

Špičkové technologie dnes i zítra

Společnost Trumpf je renomovaný výrobce technologií na zpracování plechů a profilů a laserů pro průmysl. Výrobní historie se pomalu blíží celé stovce let a česká pobočka s obratem zhruba sto milionů eur za rok patří k důležitým průmyslovým hráčům nejen na českém trhu. Bylo proto jasnou volbou požádat ředitele společnosti Trumpf Praha Romana Haltufa, aby čtenářům MM Průmyslového spektra prozradil, kam se vývoj v tomto nepostradatelném oboru za minulá léta posunul.

Trendy ve výrobě plochých polotovarů tvářených za tepla

Využití plechových dílů tvářených za tepla patří dnes již běžně k produkci karoserií osobních automobilů a od jejich prvního nasazení nás dělí bezmála dvacet let. Tento trvalý trend souvisí s požadavkem na maximální zužitkování pohonných hmot a s tím spojené i redukce samotné hmotnosti karoserie. Dalším aspektem jsou limity snižující objemy škodlivých exhalací při spalování paliva, které nutí dlouhodobě producenty osobních i užitkových vozidel hledat alternativní konstrukční řešení. Emisní limity nastavené Evropskou unií, platné od roku 2020, stanovují průměrnou emisi všech modelů v nabídce na 95 g CO2.km-1. To odpovídá spotřebě 3,54 litru nafty či 4,06 litru benzinu na sto kilometrů.

Lehké konstrukce automobilů – využití hořčíku

Využití hořčíku a jeho slitin v automobilovém průmyslu má poměrně dlouhou tradici, sahající až do roku 1920, kdy byl tento materiál prvně použit v konstrukci sportovních vozů. O několik desetiletí později se objevil i v komerčních vozech, například u typu Volkswagen Beetle, kde jeho obsah činil téměř 20 kilogramů. Nicméně do popředí zájmu se tento specifický materiál dostává v posledních letech v souvislosti s nárůstem ekologických a legislativních požadavků na provoz vozidel.

Lehké konstrukce automobilů - použití lisů ve výrobě hybridních dílů

V předchozích článcích ze seriálu Lehké konstrukce automobilů o možném použití nových materiálů pro stavbu lehkých konstrukcí a jejich aplikacích na karoseriích osobních automobilů nebyly zpravidla detailně rozebrány možnosti výroby těchto specifických materiálů. Uvedeme je v tomto článku.

Lehké konstrukce osobních automobilu - použití hliníku

Kontinuální trend v oblasti snižování hmotností karoserií osobních vozů je důsledkem tlaku na eliminaci CO2 do roku 2020 až na 95 g.km-1. Konstrukční úpravy v oblasti hnacích agregátů nebo náprav vozů jsou do určité míry také možné, nicméně stále častěji obtížně realizovatelné. Již od 80. a 90. let se v konstrukci vozu využíval hliník a plastové hmoty, nicméně dominantním materiálem je i nadále ocel.

Moderní způsoby ochrany vysokopevných ocelí

V posledních letech je v automobilovém průmyslu kladen stále větší důraz na snižování hmotnosti vozu, potažmo spotřeby a z ní plynoucích emisí, za současného zvýšení bezpečnosti posádky. Jednou z možností, jak splnit tyto požadavky, je nahrazení starých materiálů používaných pro výrobu určitých komponentů za nové, pevnější. Díl z pevnějšího materiálu může být tenčí a potažmo i lehčí oproti dílu původnímu, ale současně je schopen vydržet stejné, nebo i větší namáhání.

Laserové řešení pro plastikářský průmysl

Konvenční technologie opracování plastů již v mnoha případech nevyhovuje požadavkům koncových uživatelů. Moderní lasery posouvají kvalitu výroby plastů na zcela novou úroveň. Lastic představuje implementaci nejmodernějších laserových technologií a ergonomického ovládání do jediného produktu, jenž je navržen tak, aby jeho aplikace do stávajících výrobních linek byla zcela bezproblémová.

EMO Hannover 2011, Část 8 - Materiály ve stavbě strojů

Dnešním předposledním dílem již pomalu uzavíráme náš profesně tříděný pohled na loňskou výstavu EMO Hannover. Dnes se zabýváme materiály ve stavbě obráběcích strojů, v příštím vydání se můžete těšit na zpracovanou oblast brousicích strojů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit