Témata
Reklama

Lehké konstrukce automobilů - vlákny zesílené sendvičové plechy

16. 11. 2016

Předchozí články z našeho seriálu zpravidla vždy představovaly nové možnosti, postupy a trendy v oblasti redukce hmotnosti karoserií. Jednou z těchto cest je využití hybridních materiálů a tzv. inteligentních smíšených konstrukcí. Motivace je kromě legislativy silně umocněna i nástupem elektromobility. V následujícím příspěvku se věnujeme vývoji a použití vlákny zesílených sendvičových plechů.

Cílem je snížit celkovou hmotnost vozidla při zachování standardních požadavků na mechanické vlastnosti, které splňují tradiční materiály, jako jsou oceli, slitiny hliníku, případně hořčíku. Vedle mechanických vlastností je neméně důležitý také aspekt povrchových úprav, crashová odolnost, únava, recyklovatelnost a v neposlední řadě také finanční hledisko.

V návrhu smíšených konstrukcí karoserie hraje podstatnou roli i technologické hledisko, především efektivnost výroby, její takt, kvalita, stabilita. Nové materiály znamenají nové technologické postupy, případně optimalizace stávajících. Výroba a konstrukce musejí úzce spolupracovat, hledat optimální technologičnost konstrukce a posuzovat komplexní vyrobitelnost, což s ohledem na soubor požadavků není jednoduché. Nedílnou součástí je otázka spojovacích technologií.

Sendvičové konstrukce byly již v rámci tohoto seriálu diskutovány (MM6/160614). Cílem tohoto příspěvku je přiblížit sendvičové materiály vyztužené nekonečnými uhlíkovými vlákny. Matricí je v tomto případě termoplast, jehož výroba je poměrně efektivní, a krycím materiálem jsou tenké ocelové plechy.

Základní otázkou v sendvičových konstrukcích je tvařitelnost materiálu, stabilita kvality, tj. odolnost proti vzniku mezních stavů tváření – zvlnění a iniciaci trhlin. Sendvičové materiály jsou značně náchylné na vlastní delaminaci jednotlivých vrstev. Ověření této specifické vlastnosti se provádí zpravidla pomocí hloubení osově symetrického výtažku. Tažení kalíšku s různou orientací vlastních vláken se provádí i za změny teploty nástroje. Temperování nástroje posouvá významně možnosti samotné tvařitelnosti materiálu.

Výsledný kalíšek byl posuzován mikrovýbrusy a vizuální zkouškou. Kontury výtažku byly ověřovány pomocí optického skenování. Variabilita zkoušek spočívala ve změně přidržovacích tlaků, ohřevu i samotné hloubce prvního tahu. Cílem bylo definovat podmínky pro maximální tvařitelnost materiálu. Samotný postup zkoušky je znázorněn na obr. 1.

Reklama
Reklama
Reklama
Průběh tváření při výrobě výlisků z vlákny zesílených sendvičových polotovarů

Plastová mezivrstva je tvořena zpravidla termoplastem. Dříve se zkoušelo využívat duroplast, který ovšem vykazuje v rámci srovnání pouze malé deformace a významně delší výrobní čas, včetně celkové nižší tvařitelnosti. Další možností je impregnace prepregu, případně kombinace se vstřikováním. Zkoušky probíhaly s tenkými krycími ocelovými plechy o tloušťce 0,25 mm a sledováno bylo zejména uspořádání vláken.

Konstrukce sendvičových polotovarů je znázorněna na obr. 2. Vlákna byla uspořádána jako tkanina. Spojení krycího plechu s matricí bylo provedeno pomocí pojiva. Krycí plechy byly oboustranně pozinkovány. Zkoušené materiály jsou uvedeny na obr. 3. Jako matrice byl použit termoplast PA6 polyamid. Ohřev termoplastu zajistily topné patrony a parametry nástroje byly následující: průměr tažníku 100 mm, rádius 15 mm, rádius tažnice 20 mm. Kruhové přístřihy měly průměr 190 mm. Stupeň tažení byl pro všechny experimenty stejný, a to β = 1,9. Jako mazivo byl použit pevný molykote nanášený v kapalném stavu a následně vytvrzený. Polotovar byl ohříván 7 minut v oleji při 230 °C. Hloubka tažení byla 20 a 40 mm. Síly přidržovače byly nastaveny na 5, 10 a 15 MPa. Proměřování kontur a tvaru bylo realizováno pomocí optického skeneru Atos firmy GOM, a to jak uvnitř, tak z vnější strany. Závěry experimentů jsou výrazně závislé na hloubce tažení. Proměřování diagramů FLD se ukázalo s ohledem na vícevrstvost hybridního polotovaru jako nevýznamné. Příčinou je vícevrstvá skladba. Na výtažku vznikaly vlny prvního a druhého druhu. Přeložky na plechu vznikaly převážně na straně tažníku. Při hloubce tažení 35,1 mm vznikaly vlny na vnitřní straně výtažku a trhliny ve dně na vnějším plechu, který byl v kontaktu s tažnicí.

Skladba hybridního sendvičového polotovaru

Tento článek krátce informuje o vývoji nových hybridních materiálů – sendvičů – pro lehké konstrukce automobilů. Není zde uvedena žádná praktická aplikace. Vývoj technologie z daného materiálu pro konkrétní díl vyžaduje další nákladný a časově dlouhý vývoj. Zejména pak pro velkoplošné díly. V souvislosti s tím se jedná i o vývoj temperovaného nástroje, volbu orientace vláknové výztuhy a celou technologii včetně ohřevu a ostřihu. Samostatným problémem je přesnost takto vyrobených dílů a jejich spojování.

Tento článek byl vytvořen za použití podkladu 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 #11
Firmy
Související články
Požadavky na lisy a nástroje při výrobě převodovek

Stoupající požadavky na redukci CO2 ve výfukových plynech automobilů vedly k jejich narůstající hybridizaci a elektrifikaci. Z těchto důvodů se výrazně zvyšují nároky na plechové díly nejenom v konstrukci karoserií osobních automobilů, ale také v jejich pohonech. Jsou to především požadavky na kvalitu a rozměrovou přesnost. Zvyšuje se komplexnost těchto dílů, a proto také nabývají na významu nároky na tvářecí stroje a nástroje.

První krok od ohraňovacího lisu k servo-elektrické ohýbačce

Požadavky na trhu se mění a zpracovatelé stále více čelí situacím, kdy jsou velké série a objemy nahrazeny potřebouči poptávkou vyrábět malé série, navíc postavené na bázi just-in-time dodávek.

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.

Související články
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.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Trendy v tváření: Víceosá řídicí technika pro válcování profilů

Na příkladu novodobého stroje k výrobě nosníků nákladních automobilů profilováním lze vysvětlit výrobní řetězec konstrukce výrobku, konstrukce nástrojů, simulace výroby, vývoj regulace i praktické ověření v průmyslové výrobě.

Efektivní procesy ve skladu i ve výrobě

Lisování, řezání laserem, ohraňování – seznam výrobních prací v průmyslu zpracování plechu je dlouhý. Stále více výrobců proto zadává tyto úkoly tzv. job shopům (výrobním dílnám), aby se mohli koncentrovat na svůj hlavní předmět činnosti. Požadavky na výrobní podniky jsou odpovídajícím způsobem vysoké. Kromě flexibility a rychlosti je základním předpokladem dobrý poměr ceny a výkonu. Aby mohly pracovat efektivně a se ziskem, jsou job shopy stále více odkázány na optimálně koordinované a automatizované procesy ve skladování a ve výrobě. Moderní metody zásobování a centralizace celé skladové logistiky přitom nabízejí mnoho výhod.

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 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.

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.

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.

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.

Zvýšení produktivity, efektivity a kvality kovových výlisků

Výrobní společnost ANC Components a výzkumná společnost Comtes FHT spolupracují na výzkumném projektu Eureka s cílem zefektivnit výrobní proces a zvýšit produktivitu a kvalitu přesně lisovaných dílců a plně eliminovat dodatečné sekundární operace. Výsledky ze čtyř etap zmíněného projektu přinášejí rentabilitu technologie přesného střihu a konkurenční výhodu společnosti ANC Components v této oblasti. Řešení projektu bylo již dříve prezentováno ve vydání MM 10/2012, MM 1, 2/2015 a dále v Hutnických listech 4/2013.

Vodní paprsek s CNC řízením

Řezání vodním paprskem poskytuje uživatelům oproti jiným způsobům řezání, jako je řezání pilou nebo plazmatem, kdy je obrobek namáhán tepelně nebo mechanicky, mnoho výhod. Při použití vhodného CNC řízení lze řezat tvrdé ne-bo měkké materiály přesněji a operativněji.

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