Plasty v automobilovém průmyslu

V rámci konceptu trvale udržitelného rozvoje jsou v automobilismu nejpodstatnější trendy snižování emisí a energetické zátěže. BASF, jeden z největších světových lídrů v oblasti průmyslových inovací (ročně registruje BASF přibližně 1 000 patentů), směruje podstatnou část své kapacity právě do vývoje nových technologií v automobilovém průmyslu. Mezi inovace, které efektivně plní požadavky trendu na úspory energie, patří právě ty ze světa plastů, což má za následek neustálé zvyšování poptávky, ale i nároků na tyto materiály.

V oblasti úspory energie a emisí lze ve spojitosti s použitím plastů v autech hovořit o dvojím typu důsledků. Prvním je úspora energie související s nahrazováním kovových dílů plastovými, a to tam, kde plast může kov plnohodnotně nahradit (např. některé díly v části motoru nebo v interiéru). Při výrobě a zpracování kovů jsou totiž potřebné výrazně vyšší teploty v porovnání se zpracováním plastů, což má za následek vyšší energetickou zátěž výrobního procesu. Dalším důsledkem je úspora hmotnosti automobilu, která vede ke snížení spotřeby, a stejně tak ke snížení vyprodukovaných emisí. Podle propočtů BASF lze snížením hmotnosti automobilu o 100 kg snížit spotřebu o 0,4 litru na 100 km. Důkazem potenciálu nahrazování kovových dílů plasty je i fakt, že začátkem devadesátých let minulého století byl podíl plastů ve středně velkém osobním autě v západní Evropě asi 6 %, v současnosti je to přibližně 15 %. Vzhledem k současnému směřování bude toto číslo dále vzrůstat.

V oblasti nahrazování kovů plastem je nutné v automobilovém průmyslu splnit náročné technické vlastnosti každého dílu a přesvědčit výrobce, že nahrazený plastový komponent je skutečně použitelný a bezpečný. V oblasti nahrazování dílů v oblasti motoru je nejproblematičtější tepelná odolnost plastového materiálu při dlouhodobém zatížení. Právě pro tuto oblast vyvinula BASF speciální polyamidy.

První člen této nové – tepelnému stárnutí vysoce odolné – rodiny polyamidů Ultramid Endure s obsahem 35 % skleněných vláken, který byl poprvé představen v roce 2010 na plastikářském veletrhu K 2010, už našel své uplatnění a brzy bude možné najít jej v sériové výrobě několika zpracovatelů. Nyní firma nabízí nový produkt, především pro koncové uzávěry chladicího zařízení Ultramid, Endure s obsahem 50 % skleněných vláken. S tahovým modulem pružnosti vyšším než 17 000 MPa po tepelném stárnutí (měřeno v souladu s normou ISO 527-2/1993) je nový materiál téměř o 50 % tužší než verze s 35 % skleněných vláken. Jako první typ z řady těchto speciálních polyamidů je odolný tepelnému stárnutí až do 220 °C a je vhodný pro díly v systému přípravy vzduchu v motoru. Nyní je tedy možné ještě rozsáhlejší nahrazení kovů plasty v motorovém prostoru. Ve srovnání s drahými speciálními polyamidy vede použití Ultramidu Endure ke značným finančním úsporám.

Další technologicky náročnou aplikací v oblasti motoru jsou kryty a uchycení elektronických komponentů, které musí být krom mechanických vlastností odolné vůči hořlavým kapalinám, vlhkosti, navíc pro případ zkratu musí obsahovat i látky bránící hoření. Jako příklad je možné uvést kryt nové generace elektronického stabilizačního systému ESP 9 od firmy Bosch, který je dnes součástí bezpečnostního balíčku v mnoha automobilech. Tento kryt se vyrábí z materiálu Ultradur B4330G6 HR, což je nový člen rodiny materiálů PBT odolných vůči hydrolýze.

Tento materiál si zachovává i během dlouhodobého testování při 85 °C a relativní vlhkosti 85 % své vlastnosti jako pevnost, elasticitu a rázovou houževnatost. Vydrží více než 5 000 hodin testování bez znatelných známek stárnutí, což je několikrát déle než dodnes používaný a hydrolýze odolný PBT. Mnoho srovnávaných materiálů vykázalo výraznou degradaci již po jedné třetině zmiňovaného času testování. Jelikož výsledkem neustálého zmenšování dílů v oblasti motoru soustavně roste operační teplota pod kapotou, je potřeba používané materiály neustále zdokonalovat a vyvíjet.

V oblasti zvyšování bezpečnosti vyvinula BASF ultrapevný kompozit polyamidu a skleněných vláken Ultramid Structure. Tento materiál dosahuje v testech odolnosti při nárazu (Charpy test) výrazně lepší výsledky v porovnání s jinými plasty, dokonce o 33 % převyšuje hliník. Tyto vlastnosti ho předurčují na použití v různých držácích, úchytech a výztuhách. Jako příklad lze uvést výztuž předního nárazníku, kde slouží na absorpci energie při možné nehodě s chodcem. Tento materiál byl dokonce použit na výrobu prvního celoplastového disku pro futuristický koncept Smart Forvision. Disky vyrobené z Ultramid Structure dokázaly ušetřit 30 % hmotnosti v porovnání s hliníkem a vážily jen přibližně šest kilogramů.

Při vývoji tohoto dílu sehrál nenahraditelnou úlohu simulační program Ultrasim. Jedná se o program, který na základě simulace procesu zatékání materiálu do formy vypočítá anizotropní orientaci vláken v každém bodě simulované části. Na základě těchto údajů lze potom optimalizovat topologii dílu (geometrii) a navrhnout co nejlepší jeho design i virtuálně. Z výsledků této simulace je možnéurčit slabé místo, kde by mohlo dojít k poškození nebo prasknutí. Využití tohoto simulačního programu je nenahraditelnou pomůckou zejména při nahrazování původních kovových dílů, a to tehdy, když velký důraz je kladen na mechanické vlastnosti a odolnost vůči dlouhodobému namáhání.

Další potenciál na ušetření hmotnosti tkví v používání plastů při výrobě autosedaček. BASF ve spolupráci se společností Opel vyvinula novou skořepinu sedadla, která je vyrobena z termoplastického laminátu s kontinuální vláknitou výztuží. Tento typ sedačky byl použit ve vozidle Opel Astra OPC, který byl představen v březnu 2012 na autosalonu v Ženevě. Skořepina se vyrábí formováním plátů vyrobených z termoplastického laminátu za tepla ve formě. Následně se tvárnice obstříkne polyamidem. Takto vytvořená skořepina sedadla je o 45 % lehčí než její předchůdci. Kostru sedadla též tvoří polyamid se skleněnými vlákny z rodiny Ultramid.

Důkazem technologického know-how BASF v oblasti plastů je i technologie vstřikování plastů za pomoci vody (water assisted injection moulding), která se používá na výrobu dílů s různými dutinami. Tato technologie je vylepšením už etablovaného procesu vstřikování pomocí plynu, a podobně jako tento proces slouží ke snížení hmotnosti dílu, vede k možnosti použití menší síly při zavírání formy a k větší volnosti při designu materiálu. Hlavní výhodou oproti vstřikování s plyny je zkrácení produkčního cyklu, a to díky kratší době chlazení a rovnoměrné tloušťce stěny dílu. V procesu vstřikování se forma nejdříve naplní taveninou a následně jí prochází proud vody, který vytlačí přebytečný materiál z formy předtím, než dojde k zatuhnutí. Tímto způsobem mohou být vyrobeny díly, které se používají na přenos různých kapalin, přičemž v závislosti na používaném materiálu lze dosáhnout odolnosti vůči hydrolýze či hořlavým olejům, což takové díly předurčuje na použití v oblasti chladicích systémů v automobilech. Další možná aplikace je například podélný střešní nosič, případně různé kliky a úchyty.

Martin Dobroň

BASF
martin.dobron@basf.com
//www.basf.cz/