Témata
Reklama

Výroba kompozitového airboxu pro formuli

V minulém roce dosáhl tým CTU CarTech v soutěži Formula student výborných výsledků postupně 7., 6. a ve španělském závodě Formula Student Spain - Montmélo dokonce 2. místem.

Celkově je tým CTU CarTech aktuálně 37. na světě v soutěži Formula student. Tyto úspěchy jsou samozřejmě výsledkem velmi tvrdé práce týmu, nicméně zároveň dalším důkazem, že použití uhlíkových kompozitů v automobilech přináší výsledky. Nízká hmotnost a vysoká tuhost jsou kombinací, která je obzvláště v závodních automobilech velmi výhodná. Automobil týmu CTU CarTech pro rok 2011 – FS.03 –využívá kompozitních materiálů téměř všude, kde to pravidla dovolila. Díky tomu se podařilo dosáhnout hmotnosti 225 kg a tedy neuvěřitelného poměru 0,38 hp/kg. Jedním z dílů, kde použití uhlíkových vláknových kompozitů výrazně snížilo jeho hmotnost, byl airbox neboli sání.

Reklama
Reklama

Vysoká tuhost a kvalita povrchu

Tento díl vznikl v rámci diplomové práce studenta Ústavu strojírenské technologie, Fakulty strojní ČVUT v Praze. Specifikum tohoto dílu je v požadavku na vysokou tuhost a především kvalitu povrchu vnitřní plochy. Díky tomu, že je díl detailně navrhován na základě složitých výpočtů a simulací proudění vzduchu, je třeba udržet vnitřní povrch airboxu hladký a celý díl tedy i vyrábět opačně než bývá u kompozitových dílů zvykem.

Obr. 1. Původní model airboxu

S ohledem na maximalizaci využití kompozitů při výrobě jsou z jiného materiálu než z kompozitů pouze nátrubky vedoucí k válcům motoru, uložení pro vstřikovače a nátrubek sloužící k upevnění vstřikovací klapky. Tyto součásti jsou z důvodu dosažitelné přesnosti vysoustruženy z hliníkových slitin. Nejzajímavější na tomto airboxu není fakt, že je vyroben z uhlíkových vláken, ale technologie použitá pro jeho výrobu. Použitá byla technologie výroby s rozpustitelným jádrem kombinovaná s VBM (Vacuum Bag Moulding) a vytvrzením matrice v peci.

Tvar jádra

Konstruktéři týmu CTU CarTech navrhli a vymodelovali vnitřní tvar airboxu, tedy tvar jádra. Výchozí model je na obrázku 1. Jádro muselo být navrženo jako rozpustitelné s co nejkvalitnějším povrchem, protože pro airbox je stěžejní kvalita vnitřního povrchu. S ohledem na tuto skutečnost tedy záleží nejen na vhodném materiálu samotného jádra, který musí byt dobře obrobitelný a rozpustný, ale i na povrchové úpravě, která musí vytvořit hladký a pružný vak, jenž půjde po vytvrzení matrice vyjmout, aniž by zanechal na dílech nějaké znečištění. Na základě předchozích experimentů byla zvolena kombinace extrudovaného polystyrenu XPS obrobeného na CNC frézce FCM 22 a povrchové vrstvy z měkkého silikonu ZA22. Logika rozdělení celého dílu na obrobitelné části je patrná z obrázku 2. Navržená obráběcí strategie byla odsimulována pomocí programu PowerMill a byl vygenerován CNC kód. Výsledná podoba obrobeného a vytmeleného jádra je na obrázku 3. Poté bylo jádro opatřeno vrstvou silikonového nátěru a po nanesení několika vrstev separátoru připraveno k laminaci, viz obrázek 4.

Obr. 2. Rozdělení modelu na obrobitelné součásti

Laminace

Pro výrobu trubkových částí byly použity uhlíkové punčošky o průměru 50 mm (35 g.bm-1), na zbytek uhlíkové plátno s gramáží 200 g.m-2 a uhlíkový roving 24 K 800 TEX. Airbox tvoří celkem šest vrstev, v nejzatěžovanějších místech byly přidány navíc ještě tři mezivrstvy. Technologie VBM byla využita po nakladení první vrstvy k vytvoření většího tlaku na prosycená vlákna a tím pádem lepšímu dotvarování tkaniny, dále po nanesení třetí a páté vrstvy. Po každém vytvrzení následovalo obroušení nerovností a přebytečné pryskyřice z povrchu dílu. Po vytvrzení páté vrstvy bylo třeba rotační bruskou srovnat ústí vývodů pro sací potrubí a trubky vedoucí ke vzduchové klapce, celý díl rozříznout, vypláchnout acetonem a vyndat silikonový vak. Výsledný vnitřní povrch ukazuje obrázek 5. Z důvodu dosažení co nejnižší drsnosti vnitřního povrchu byl díl natřen jednou vrstvou pryskyřice, stejný postup byl poté zopakován i u trubek sacího potrubí.

Obr. 3. Sestavené a vytmelené jádro

Obr. 4. Jádro po nanesení silikonové vrstvy

Sestavení airboxu přímo na formuli

V této fázi bylo třeba sestavit airbox přímo na formuli, aby co nejlépe pasoval na úchyty na karoserii. Nejprve byly do motoru namontovaného v karoserii formule nasazeny jednotlivé trubky sacího potrubí a na karoserii formule byla připevněna vzduchová klapka. Poté následovalo usazení airboxu na trubky, přilepení příruby pro vzduchovou klapku, dorovnání sestavy a postupné přilepení všech trubek k airboxu. Tím byla ustavena základní poloha všech částí a bylo možné na prototypu dále pracovat bez usazení na motoru. Následovalo přilepení spodní části airboxu, zatmelení a přelepení spár vrstvou uhlíkové tkaniny. K dotmelení posloužil kovový tmel, který byl využit již při lepení hliníkových částí prototypu. Přes nejvytíženější spoje byla pro jistotu nanesena jedna vrstva uhlíkové tkaniny, dále bylo ještě zapotřebí vlepit do trubek sacího potrubí sedla pro vstřikovače a nalepit úchyty pro vstřikovací lištu. Tyto úchyty byly vyrobeny též z uhlíkové tkaniny. Před nanesením poslední vrstvy tkaniny bylo třeba celý povrch řádně přebrousit, aby se vyhladily mírné nerovnosti vzniklé při výrobě. Následovalo nanesení poslední vrstvy tkaniny a vytvrzení v peci. Po tomto vytvrzení byl díl ještě esteticky upraven, spoje jednotlivých dílů plátna překryty rovingem a celý díl natřen poslední, pohledovou vrstvou pryskyřice. Výsledný díl je na obrázku 6.

Obr. 5. Vnitřní povrch airboxu

Úspora hmotnosti při zachování vlastností

Technologie výroby na vypláchnutelné jádro s následným rozříznutím airboxu byla zvolena s ohledem na jednoduchost výroby. Kombinace CNC obrobených dílů s tenkou silikonovou vrstvou zajistila přesný tvar a hladký povrch užitných ploch airboxu. Celkově lze vidět pokrok oproti airboxu z minulého vozu především v úspoře hmotnosti při zachování požadovaných vlastností. Tato úspora tvoří téměř 70 %, ovšem srovnání není zcela relevantní, protože byl změněn též tvar dílu. Největší podíl na úspoře hmotnosti má sací potrubí, které bylo v předešlém airboxu nerezové. Airbox pro FS.03 má minimum kovových částí, které jsou vyrobeny ze slitin lehkých kovů.

Obr. 6. Výsledný komplet airboxu s klapkou

Nejlepším důkazem toho, že airbox splnil požadavky, ovšem byly výborné výsledky týmu CarTech.

Ing. Marek Česal
Bc. Jan Malášek
Ústav strojírenské technologie

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

marek.cesal@gmail.com

Reklama
Vydání #1,2
Kód článku: 120132
Datum: 15. 02. 2012
Rubrika: Trendy / Plasty
Autor:
Firmy
Související články
NPE 2012 a plastové materiály

V Orlandu na Floridě se na sklonku jara konala největší událost roku v průmyslu plastů - trienale NPE 2012, která současně oslavila 75. výročí založení SPI (Society of the Plastic Industry). Poprvé po 40 letech se National Plastics Exhibition, tento vrcholný veletrh amerického plastového průmyslu, nekonal v červnu v Chicagu, ale o něco dříve na Floridě, mimo centra automobilového průmyslu, plastů a strojírenství amerického Středozápadu.

Plasty v automobilovém průmyslu

Na světě je v současnosti přibližně 800 miliónů automobilů a prognózy růstu mluví o zvýšení jejich počtu na dvě miliardy do roku 2030. Tento výhled činí z automobilového průmyslu jedno z nejperspektivnějších průmyslových odvětví pro nejbližších patnáct let.

Použité pneumatiky - kam s nimi?

Na začátku byl skvělý vynález: pneumatika. Byla vynalezena v devatenáctém století, úžasně zlepšovala vlastnosti jízdních kol a její vynález byl patentován. Později našla uplatnění především v automobilovém a leteckém průmyslu a dnes tvoří každodenní součást našeho života.

Související články
Kompozitová kapota sériového vozu Ford Focus

Na říjnovém veletrhu Composite Europe 2012 v Düsseldorfu vystavil Ford první přední kapotu sériového vozu Ford Focus z  CFRP kompozitu z uhlíkových vláken, vyrobenou vysokorychlostním procesem vhodným pro velkosériovou výrobu.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Biokompatibilní materiály

Na začátku každé technické aplikace směřující k vylepšení kvality života pacientů je dlouhý a náročný vývoj. Celý multidisciplinární proces spočívá v hledání vhodných hmot, konstrukčního uspořádání i lékařských postupů.

Kde nalezneme plasty v medicíně?

Plasty obklopují člověka na každém kroku a plastové výrobky používané v medicíně nejsou výjimkou, ale nutností. Jejich podíl na spotřebě materiálů v tomto oboru dosahuje necelých padesáti procent, což je více než v jiných aplikačních sektorech.

Výroba v čistém prostředí

Nejdůležitějším materiálem při výrobě zdravotnické techniky jsou dnes plasty, které zaujímají 45 % podíl, přičemž nejdražší materiály (např. pro implantáty) se používají jen minimálně.

Problematika vstřikování plastových dílů pro automobily

Příspěvek popisuje podmínky pro výrobu vstřikovaných plastových dílů pro automobily včetně vznikajících problémů a navazuje na článek Snížení rizika vzniku vad při vstřikování plastových dílů, který byl uveřejněn v příloze Plasty časopisu MM Průmyslové spektrum č. 3/2014 (viz též www.mmspektrum.com/140312). Autor vychází z dlouholeté zkušenosti ve firmě Plast Form Service I. M., která se výrobou těchto dílů zabývá již od roku 1998.

Kompozity s přírodními vlákennými plnivy kokosu

Polymerní materiály a jejich kompozity patří k nejprogresivněji se rozvíjejícím materiálům. Mezi polymerní materiály s prudkým rozvojem patří aplikace přírodních vláken (NF) do syntetických matric.

Selektivní laserové slinování polymerů

Další pokrok lidstva nelze realizovat bez zásadních inovací výroby. Hnací silou je neustále sílící konkurence globálního rozsahu. Ta vyvolává rostoucí tlak na inovace materiálů a výrobních technologií a na efektivnější využívání znalostního potenciálu vědeckých a výzkumných pracovišť. V posledních letech se do popředí zájmu dostávají inovativní výrobní procesy, jejichž podstatou jsou tzv. aditivní technologie, původně vyvinuté pro účely rychlé výroby prototypů (rapid prototyping, 3D printing).

Lisy na lamely elektromotorů

V červnu, nejprve v závodě v Göppingenu a posléze v Berlíně na výstavě Coil Winding Expo, představila skupina Schuler svůj první vysokorychlostní lis řady Smartline SA-S pro vysekávání lamel vysoce energeticky účinných elektromotorů.

Siemens pro Red Bull Racing

Název článku dává tušit, oč půjde v dnešním průvodci světem úspěšných aplikací, spojených se jménem Sinumerik. Opustíme prostředí leteckého průmyslu, kde Sinumerik odpovídal na volání "vysoko" (viz MM Průmyslové spektrum 6/2012, www.mmspektrum.com/120616), protože dnes se jedná o jinou výzvu - "rychle".

Dřevěné kůlny a rámy Featherbeds

Enzo Ferrari v 50. letech minulého století hovořil o mladých britských týmech formule 1 jako o garážistech a povýšeně navrhoval, že by tyto týmy, jako skromní obyvatelé garáží, neměly být brány tak seriózně jako stáj z Maranella, která se ráda pasovala do role aristokracie v automobilových soutěžích, modré krve ve sportu zbohatlíků s utěrkami od oleje. Bylo by však přesnější, kdyby tento "starý muž" nazval své závodní soupeře jako kůlnaře.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 9. a 10. díl: Jak se staví odborníci k e-mobilitě

V minulém díle našeho seriálu jsme dali prostor pověřenci ministra dopravy pro čistou mobilitu Mgr. Janu Bezděkovskému pro vyjádření se k jednotlivým problematickým aspektům, které s sebou přináší deklarovaný úplný přechod na elektromobilitu. V tomto díle jsme s podobnými otázkami oslovili odborné garanty našeho seriálu – prof. Macka a Ing. Morkuse –, již na ně velmi obšírně odpověděli. Zároveň tímto rozhovorem s odborníky, kteří náš seriál dozorovali, připomínkovali jednotlivé díly a motivovali nás k tvorbě dalších, seriál Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu končí. Snad svůj účel – jímž bylo představit některé problematické stránky úplného přechodu na elektromobilitu a předložit je k další diskuzi – splnil.

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