Tvářecí a výrobní procesy ve stavbě lehkých karoserií

Příčinou jsou mezní hodnoty CO₂ ve spalinách. Od roku 2012 platí nové EU normy pro osobní automobily udávající mezní hodnotu CO₂ ve spalinách. Tou je maximální hodnota 139 g CO₂/km. Pro lehká užitková vozidla to bude od roku 2014 max. 175 g CO₂ na km. Při jejich nedodržení jsou plánovány pokuty. Dlouhodobě od r. 2020 je stanoveno jako mezní hodnota 95 g CO₂/km. To bude možné splnit jedině na základě nových konceptů karoserií a alternativních pohonných systémů.

Výrobci automobilů řeší tuto problematiku různými způsoby. Pro automobilový průmysl zůstává i nadále zajímavé tváření a s ním spojené nové materiály a komplexní materiálové mixy, jaké se v dnešní době používají pro karoserie osobních automobilů (obr. 1). Situace je o to složitější, že z důvodů větší bezpečnosti a stále rostoucích požadavků na vybavení, hmotnosti karoserií dosud narůstaly. Trendy posledních let ukázaly, že růst hmotnosti karoserií byl zastaven. Do budoucna bude nutné v tomto trendu pokračovat z důvodů elektromobility. Požadavky na snižování hmotnosti stále porostou. Z hlediska jakostí materiálů to budou i nadále vysokopevnostní oceli, tvářené za studena či za tepla (a s tím spojené vytvrzování na lisech), rozšířené použití lze očekávat pro tváření vnitřním přetlakem. Hliník a jeho slitiny budou tvářené za studena či polotepla, nebo vnitřním přetlakem. Polotovary budou plechy – svitky, nověji trubky či profily. K tomu se stále více připojuje skupina umělých hmot (CFK Kohlenfaser Kunststoff) a uhlíkovými vlákny vyztužené výlisky, lisované na speciálních lisech. Těmto materiálům a polotovarům musí odpovídat konstrukce karoserií, mluví se tedy o změnách v technologičnosti konstrukce. Ta nebývá všeobecně často konstruktéry respektována. Problémem jsou dále ceny karoserií za kg. Pro ocel to je při současných cenách 3 až 5 eur, pro hliník 15 až 20 eur a pro karbon 90 eur za kg. Oproti ocelové karoserii lze snížit hmotnost až na 70 % pro Al a 50 % pro karbon.

Problémem je narůstající pevnost materiálu. To vedlo k používání silně dimenzovaných tvářecích lisů, v sériové výrobě k transferovým lisům, hydraulickým linkám, mechanickým linkám a v dnešní době k servolinkám. Tvářené jakosti jsou DP 600, DP 800, až k MSW 1 200. Specifickým problémem je odpružování po tváření rostoucí s pevností. To nelze spolehlivě řešit, protože mechanické vlastnosti svitků se mění v povolených tolerancích svitek od svitku. Kompenzace odpružení zvětšuje časy zapracování nástrojů. Použití těchto vysokopevnostních materiálů je velmi časté. Tvářením kapalinou z nich lze vyrábět i duté díly.

Použití hliníku je ve stavbě karoserií již zavedeno. Řada výrobců používá tento materiál zejména ke konstrukci pohyblivých dílů, jako například dveří a kapot. Další použití je v oblasti manipulace s materiálem a odpadem. Dále se hliník hodí pro technologii tváření kapalinou – hydroforming.

Tato technologie je rovněž běžně používána. Její použití je vázáno na nízkou tvářitelnost vysokopevnostních ocelí za studena. Je to nejjistější a cenově nejpřijatelnější tváření vysokopevnostních ocelí s pevností nad 1 200 MPa. Metoda je vhodná pouze pro hromadnou výrobu a bylo o ní v MM Průmyslovém spektru již v minulosti psáno. Řízeným ochlazováním lze v jednotlivých místech výlisků docílit různé struktury materiálu a tím i různých mechanických vlastností. Tato technologie byla propracována současně s automatizací a lze takto vyrobit výlisky v taktu až 24 výlisků za minutu. S tím souvisí rychlý ekonomický ohřev buď v průchozí, komorové, indukční či karuselové peci nebo kontaktní ohřev. Na toto téma dostala firma Schuler v roce 2012 grant pro řešení efektivity této technologie a s tím související řešení i jiných dílčích problémů.

Jedná se o technologii nazývanou Low-Pressure-Verfahrens, která v technologii tváření kapalinou – hydroformingu – představuje nové možnosti a potenciály. Může být použita pro materiály s vyšší pevností, např. pro osobní automobily, prostory pro cestující, pro užitkové vozy – kabiny. Jedná se o veliké strukturní díly, které jsou vhodné pro rámové hospodárné modulární konstrukce. V USA má tato technologie až 30% podíl z celkového tváření kapalinou (IHU). Jedná se zejména o vozidla Pick-up a Light-Truck. Také v oblasti osobních vozů tato technologie způsobila oživení trhu s novými stroji. Na obr. 2 je vysvětlen princip nízkotlakého hydroformingu (pravá část obr.) a porovnání se zavíráním bez tlaku. Tvářecí síla se vyvozuje lisem a nikoliv vysokým tlakem kapaliny. Vysoký tlak na konci tváření slouží k vyhlazení povrchu výlisku a k podpoře otvorů. Maximální tlak je 600 až 700 (1 000) barů. Při klasickém tváření vnitřním přetlakem je tlak větší, až 3 000 barů. Tak se sníží síla potřebná pro přidržovač a tím i celková lisovací síla. Lze takto zpracovat materiály o vysoké pevnosti s nízkými hodnotami tažnosti, což umožňuje konstantní tloušťku stěny. Malé rádiusy jsou taktéž vyrobitelné, nástroje jsou méně zatěžované a mohou být jednodušší. Počet a průměry otvorů mohou být zvýšeny oproti technologii tváření tlakem. Je také možné předtvarování a vylisování v jednom nástroji. Pro tento jednoduchý tvářecí proces se dají používat jednoduché lisy s krátkým taktem a provozním cyklem. Tváření hydroforming vysokopevnostních ocelí se tak vyvíjí jako konkurence k vytvrzování na lisech. Zejména pro díly ve tvaru dutých těles.

U elektricky poháněných automobilů jsou potřebné další úspory na hmotnosti. Těžké baterie musejí najít své místo při zachování rozsahu použití a velikosti nákladu. Pro snižování hmotnosti potom zbývá převážně karoserie. Každodenní požadavky splňované při stavbě letadel, sportovních zařízení a lodí se nyní přenášejí na stavbu automobilů. Tím získala veliký význam uhlíkovými vlákny vyztužená umělá hmota CFK – Kohlenstofffaserverstärker Kunststoff. Ta má o 50 % nižší hmotnost než ocel a při srovnatelné stabilitě, s hliníkem je ještě o 30 % lehčí. V současné době jsou vkládány veliké investice do hospodárnější výroby uhlíkových vláken. Jedná se např. u jednoho výrobce o investice až 400 milionů eur. Tento nový materiál bude používán i v konstrukci strukturních dílů při e-mobilitě. Současné použití je v sériové výrobě ojedinělé. Příklady jsou v kusové nebo malosériové výrobě vnějších dílů karoserií nebo u sportovních či závodních vozů F1.

Podle tvaru, funkce a namáhání karoseriového dílu je stanoveno vhodné uhlíkové vlákno a jeho tkaní. Od role se odvine a odstřihne a podle potřeby dílu je více vrstev nakladeno jako rohož. Fixace probíhá v peci natavením polyetylenové tkaniny, vkládané jako mezivrstva. Takto ohřátá rohož se následně předtvaruje v chlazeném nástroji. Tyto ohebné předtvarky jsou přistřiženy a vloženy do vlastního RTM nástroje. Na vysokotlakém lisu se nástroj vyhřívá, uzavře, vakuuje a konečně se tam vstříkne přesné množství předehřáté směsi pryskyřice a tvrdidla. Během vstřikování lis sám udržuje vzdálenost mezi horní a dolní částí nástroje v tolerancích ±0,05 mm. Tím se udržuje patřičné množství pryskyřice i tloušťka stěn výlisku. Po 3 až 6 minutách vytvrzování se nachází lis ve fázi regulace síly a rovnoběžnosti. Lisovací síla se zvýší a to podporuje chemické reakce v nástroji. Jedině tak lze udržet úzké tolerance tlouštěk a požadovanou jakost povrchu. Statika lisu musí dovolit absolutní odchylky 0,1 mm a rovnoběžnost stolu a smykadla i při vysokých tlacích. Poloha smykadla při vstřikování a při narůstajícím tlaku v nástroji musí být zachována. Pro snížení celkových výrobních časů jsou požadovány minimální časy pro manipulaci a čistění nástroje. Na obr. 3 je znázorněno vyjímání výlisku z lisu. Pro sériovou výrobu stojí před tvářecí technikou řada nových úkolů. Je nutné řešit v první řadě dlouhé časy v dolní úvrati a regulaci os a tlaků v nástroji. To umožní jedině použití inteligentních hydraulických lisovacích systémů. Ty se ukazují jako nejvhodnější z důvodů vysoké možné flexibility a regulačních možností. Stejné požadavky jsou kladeny na procesy pro tváření hořčíku a superplastické tváření hliníku. Pro hospodárnou výrobu výlisků z ocelí s vyšší pevností a z hliníku se jeví jako nejvhodnější výhody při vysokých rychlostech tváření na servolisech. Budoucnost je možná pro výkon lisování až 68 výlisků/min. Dnešní servolinky mají až 17 zdvihů/min s možností lisování až čtyř výlisků na jeden zdvih. Taková linka je na obr. 4.

Doc. Ing. Jan Šanovec, CSc.

Zdroj: Sborník EFB T33, Produktionssysteme und - metoden für den Leichtbau, 14.–15. 2. 2012 Bad Boll. ISBN 978-3-86776-380-6-

FS ČVUT v Praze, Ústav strojírenské technologie

Jan.Sanovec@fs.cvut.cz