Témata
Reklama

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.

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.

Reklama
Reklama
Obr. 1. Struktura sendvičového plechu

Jako nosná část vozu musí karoserie zajistit bezpečnost posádky i život chodců v případě kolize, propojit jednotlivé funkční části a zároveň splnit komplexní požadavky na úsporu hmotnosti. Z tohoto důvodu se v konstrukci velmi rychle uplatňuje celá řada materiálů se specifickými užitnými vlastnostmi a inovativní technologie pro výrobu, kontrolu a technickou podporu procesu. Jedním z těchto specifických materiálů je i kompozit na bázi ocel-polymer-ocel, tzv. sendvičová ocel (viz obr. 1).

Ještě více snížit hmotnost

Auta příští generace by měla být lehčí, bezpečnější a úspornější, což je bezesporu nelehký úkol konstruktérů. Normativní předpisy požadují od evropských producentů automobilů do roku 2020 výrazně redukovat emise CO2 na 95 g.km-1. Jenom v případě úspory spotřeby paliva o jeden litr dochází ke zmírnění emisí CO2 o 12 g. S tím souvisí i tlak na efektivnější konstrukci karoserie s cílem snížení její hmotnosti.

Pro automobilové společnosti zaujímající tržní pozici v segmentu středních a nižších tříd, což je 70 % celkového automobilového trhu, je stále dominujícím materiálem ocel, respektive ocelové lehké konstrukce karoserií. V segmentu vyšších tříd se uplatňuje dlouhodobě koncept karoserie z lehkých slitin na bázi hliníku, případně kombinovaná materiálová konstrukce oceli a hliníku. Bezesporu výrazná váhová úspora je však za cenu komplikované a nákladné výrobní technologie i drahé výchozí suroviny.

Řešením by mohly být sendvičové kompozity

Alternativou pro vnější díly karoserie ze slitin z lehkých kovů může být v budoucnosti sendvičový kompozit ocel-polymer-ocel. Kombinace plastu a oceli není však nová. Tento typ materiálu se již v automobilovém průmyslu využívá, nicméně za zcela jiným účelem. Sendviče s velmi tenkým plastovým jádrem (0,025–0,05 mm) jsou vhodně využívány pro své tlumicí a antivibrační schopnosti. Své aplikační použití tak našly jako materiály pro komponenty převodovek a agregátů. Mezi tyto typy materiálu patří například Bondal společnosti ThyssenKrupp (viz obr. 2).

Obr. 2. Porovnání ocelových sendvičů. Bondal se díky tenkému plastovému jádru využívá zejména pro své tlumicí schopnosti. Litecor je pak perspektivní materiál pro celou řadu konstrukčních částí karoserie, včetně pohledových dílů.

Na většinu vnějších i vnitřních dílů karoserie ovšem použitelný není pro svoji nízkou střižnou tuhost. Tu lze zvýšit vyšší tloušťkou polymerní mezivrstvy. Vývojovým materiálem je v tomto směru Litecor taktéž od ocelářské společnosti ThyssenKrupp. Jedná se o materiál tvořený polymerním jádrem, zabezpečujícím vhodné deformační charakteristiky, a dvěma krycími tenkými ocelovými pásy. Tloušťka oceli se pohybuje zpravidla od 0,2 do 0,3 mm a vnitřní termoplastická mezivrstva okolo 0,3 mm. Díky tomu se spojují výhody obou materiálů – pevnost oceli, deformační schopnost plastového jádra a poměrně velký hmotnostní úbytek dílu (viz obr. 4). Přidanou hodnotou je pak tlumicí schopnost rázů a vibrací. Mezi ocelovými plechy a plastovým jádrem je docílena značná adheze obou materiálů speciální technologií zaválcování.

Obr. 3. Sendvičové materiály se pomalu začínají uplatňovat pro drobné konstrukční prvky karoserie. V budoucnosti se uvažuje o plošném nasazení i na panelové díly.

Velký potenciál do budoucna

Díly lisované ze sendvičového materiálu jsou pouze o 10 % těžší, v porovnání s obdobným dílem vyrobeným z hliníku, ovšem téměř o 30 % levnější. Kromě hmotnostní a tuhostní výhody je možné na tento typ materiálu aplikovat podobné postupy a metody v přípravě výroby, jako pro standardní ocel. Deformační chování materiálu je velmi podobné jako u běžně užívaných hlubokotažných IF (Intersticial free) ocelí, a to i přes jejich vyšší pevnost.

Obr. 4. Přednostní výhodou sendvičových materiálů oproti dílům z hliníku je nižší cenová náročnost. Deformační chování sendviče v porovnání s konvenčním typem ocelí není identické (viz obr. 5), nicméně přesto materiál umožňuje vylisovat jakostní díl. Tvářecí nástroj se navíc svojí konstrukcí nikterak neliší od běžně využívaného nástroje, pouze se zohledněním větší tloušťky sendvičového plechu.


Obr. 5. Deformační charakteristiky sendvičových ocelí jsou v porovnání s konvenčními materiály velmi obdobné.

Korozní odolnost je možné zabezpečit galvanickým pokovením, aktuálně bez možnosti konverzního fosfátování povrchu. Galvanické pokovení probíhá ještě před procesem vzájemného válcování a lepení. Limitem je aktuálně nemožnost materiál žárově pokovit.

Omezením ve zpracovatelnosti tohoto typu materiálu je také jeho svařitelnost. Díky plastové mezivrstvě vyžaduje specifický režim při odporovém svařování. Tavné MIG a MAG svařování a laserové svařování jsou s ohledem na materiálovou stavbu nemožné. S vývojem sendvičových ocelí je tak spojen i rozvoj lepení a mechanického spojování jednotlivých dílů. V případě technologií lepení jsou zde aplikovány stejné podmínky a vlastnosti jako při lepení běžných typů elektrolyticky pozinkovaných ocelí.

Obr. 6. Odporové svařování ocelí vyžaduje specifický režim, který v prvé fázi zabezpečí změknutí a odstranění plastového jádra s následným provařením všech plechů.I přes celou řadu omezení patří sendvičové materiály, díky svým specifickým vlastnostem, k materiálům s velkým potenciálem. Prototypové testy a vývoj zpracovatelských technologií dávají automobilům budoucnosti naději na jejich rozsáhlejší využití. A tak se možná s díly ze sendvičové oceli nebudeme setkávat pouze u kapoty sportovních speciálů WRC, tak jak tomu je nyní.


Škoda Auto, ČVUT FS v Praze

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

Zdroje:

VUT 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 #6
Kód článku: 160614
Datum: 08. 06. 2016
Rubrika: Výroba / Tváření
Autor:
Firmy
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.

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?

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
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.

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.

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 – 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.

Lehčí a čistější řezání vysoce pevných dílů

Automobilový průmysl řeší u karoserií především nízkou hmotnost a bezpečnost při nárazu. Proto se na vybrané části karoserie používají vysoce pevné ocele schopné tváření za tepla. Typickým příkladem je nový VW Golf VII. Při řezání vysoce pevných ocelí se s výhodou používá laser.

Nové tvářecí technologie pro výrobu karoserií

V současné době jsme svědky stálého, ale pochopitelného zvyšování požadavků na konstrukci karoserií osobních automobilů. Jsou to požadavky na konstrukční, ekonomická a ekologická zlepšování.

Prostorově optimalizované skladování

Pro zásobování všech strojů bez prostojů využívá společnost Thomann v Hergatzu bei Lindau buňkový skladovací systém společnosti Remmert. Speciální stanice pro vychystávání zvyšuje rychlost procesu vyskladňování materiálu o více než šedesát procent.

Větší efektivita - nižší náklady

Průmysl 4.0 – čtvrtá průmyslová revoluce je v plném proudu a hraje stále větší roli i u skladování plechů. Aby firma mohla flexibilně reagovat na aktuální požadavky trhu, je rozhodující především plně automatizované spojení mezi skladovacími systémy a výrobou. Na následujících řádcích přinášíme krátký rozhovor s Matthiasem Remmertem, jednatelem společnosti Friedrich Remmert, o trendech automatizace a o tom, proč by měly firmy využívat Průmysl 4.0.

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