Lehké konstrukce automobilů - hybridní materiály

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.

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.

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.

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