Laminat z węglem

BMW
Maciej Blum
29.4.2022
Reklama
Reklama

Tworzywa sztuczne w budowie nadwozi nie są niczym nowym. Już Henry Ford w 1941 r. wpadł na pomysł budowy samochodów nazwanych „soybean car” (samochód sojowy). Skąd ta nazwa? Otóż karoserię i błotniki stworzono z laminatu, na który składały się włókna z roślin (soi, pszenicy i kukurydzy).

 

  • Laminat jest połaczemniem dwóch materiałów, które osobno mają gorsze wlaściwości mechaniczne, niż ich połączenie.
  • Wykorzystanie laminatów w samochodzie Forda pozwoliło na odchudzenie samochodu o ok. 25%.
  • Niektóre marki wytwarzały masowo samochody z pojedynczymi panelami nadwozia wykonanymi z tworzyw sztucznych.
  • Z początku stosowanie włókien węglowych było zarezerwowane dla jednostkowej produkcji wyczynowej.
  • Najnowszym materiałem stosowanym do produkcji włókien zbrojących jest bor. Monokrystaliczne włókna boru cechują się wyjątkowo wysoką wytrzymałością.
Reklama

Wykorzystanie laminatów w samochodzie Forda pozwoliło na odchudzenie samochodu o ok. 25%. Z 2500 funtów udało się zejść do wagi 1900 funtów. Niezaprzeczalna była też oszczędność na stali, która w czasach wojennych była na wagę złota. Nadwozie, a dokładniej jego poszycie, wykonane było z włókien sojowych w żywicy fenolowej z formaldehydem użytym do impregnacji.

Po tym doświadczeniu przemysł motoryzacyjny na chwilę zapomniał o tworzywach sztucznych jako materiale do budowy nadwozi. Jednak nie na długo – już w 1953 r. poszycia z laminatu wróciły ze zdwojoną siłą. Rewolucyjny okazał się model Chevrolet Corvette C1, którego nadwozie wykonano z laminatu zbrojonego włóknem szklanym.

W Europie tworzywa sztuczne zyskały na popularności troszkę później. W 1955 r. zaczęto produkować samochód AWZ P70 – przodka znanego Trabanta, którego nadwozie także wykonano z duroplastów, a dokładniej z laminatu zbrojonego matami bawełnianymi, stanowiącymi odpady przemysłu włókienniczego. Laminat okazał się dobrym materiałem konstrukcyjnym. Likwidował bowiem powszechny w tamtych czasach problem korozji związany z mała sztywnością nadwozi i niską jakością stali, która z powodu zanieczyszczeń korodowała zbyt szybko. Okazało się jednak, że dotknęło to także Trabanta – co prawda poszycie z laminatu nie korodowało, ale stalowa rama, do której było zamocowane, już tak.

Powrót do szkła jako zbrojenia

W 1957 r. Lotus zaprezentował model Elite, który był kolejnym krokiem naprzód w dziedzinie konstrukcji nadwozi. W tym modelu stworzono nadwozie typu „monocoque” wykonane z laminatu z włóknem szklanym. Do przestrzennej struktury nadwozia zalaminowana była rama pomocnicza, która podtrzymywała silnik z przednim zawieszeniem, oraz rama przedniej szyby, która stanowiła jednocześnie słupek drzwi. Pierwsze modele Elite okazały się dość problematyczne, ponieważ zalaminowane w nadwoziu punkty mocowania wahaczy okazały się zbyt wrażliwe na działające siły i ulegały uszkodzeniu. Struktura laminatu rozwarstwiała się i mocowania wahaczy wyrywały się z nadwozia.

Po tych doświadczeniach przemysł motoryzacyjny znów zapomniał o stosowaniu laminatów na szeroką skalę. Wrócił do starej, dobrej stali i aluminium. Niektóre marki wytwarzały masowo samochody z pojedynczymi panelami nadwozia wykonanymi z tworzyw sztucznych. Warto tu wspomnieć o Citroënie AX czy Renault Espace. Struktura nośna jednak i w tych samochodach pozostawała tradycyjna – stalowa.

Przykłady wypełnienia szklanego w laminacie.
Przykłady wypełnienia szklanego w laminacie. Elementy zbrojące przyjmują postać szklanych kulek, szklanych ścinków oraz maty z włókien. Stworzone z nich kompozyty różnią się wytrzymałością oraz technologią wytwarzania. Kulki szklane mają średnicę ok. 300 µm. Są mieszane z żywicą i formowane

Węgiel materiałem przyszłości

Przełomem okazało się włókno węglowe, które też było znane od lat, jednak technologia wykonywania zbrojonych nim laminatów była bardzo droga i wymagała skomplikowanego oprzyrządowania. Z początku stosowanie włókien węglowych było zarezerwowane dla jednostkowej produkcji wyczynowej, czyli pojedynczych elementów o nieskomplikowanym kształcie. Z czasem jednak zaczęto wykorzystywać je do poważniejszych konstrukcji. Tu warto zwrócić uwagę na nadwozia samochodów Lamborghini (model Aventador), które są wykonane jako nadwozia „monocoque” – podobnie jak wspomniany Lotus Elite, jednak z laminatu z włókna węglowego. Nadal jest to jednak produkcja małoseryjna i droga.

Nadwozie nowego BMW serii 7.  Zastosowano w nim włókna węglowe  formowane „na mokro” i materiały hybrydowe  składające się z elementów stalowych  i kompozytów węglowych.
Nadwozie nowego BMW serii 7. Zastosowano w nim włókna węglowe formowane „na mokro” i materiały hybrydowe składające się z elementów stalowych i kompozytów węglowych. Źródło: BMW
Reklama

Przełom nastąpił, kiedy BMW zaprezentowało model i3, w którym całe nadwozie wykonano z kompozytów węglowych. Zmiana technologii wytworzenia kompozytów pozwoliła na masową produkcję paneli nadwozi, które są łączone ze sobą i z płytą podłogową przez klejenie.

W modelu i3 włókna węglowe zastosowano tylko tam, gdzie są one najbardziej przydatne. Samochód przy tym podzielono na 3 podstawowe przestrzenie, które różnią się funkcjonalnością:

  1. pasażerską wykonaną z włókien węglowych, tzw. life-modul, czyli obszar przeżycia w razie wypadku,
  2. przestrzeń napędu wykonaną z aluminium, tzw. drive-modul,
  3. poszycie zewnętrzne wykonane z tradycyjnego tworzywa sztucznego.

W przypadku uszkodzenia ściany bocznej producent przewidział kilka procedur naprawczych. Jeśli konieczna jest wymiana progu, może on zostać odcięty od elementów nadwozia za pomocą odpowiedniego frezu. Dla life-module, czyli bezpiecznej przestrzeni pasażerskiej, producent nie przewidział tradycyjnie rozumianych części zamiennych, tylko całe elementy składowe. Jako część zamienną BMW dostarcza m.in. ścianę boczną, z której może być wycięty np. próg.

Jak produkuje się laminat węglowy?

Laminat węglowy o zadanym kształcie jest wytwarzany przez ułożenie mat z włókien węglowych w formie i nasączenie ich żywicą. W trakcie nasączania forma jest zamknięta i odpompowywane jest z niej powietrze, co gwarantuje dokładne wypełnienie wtryskiwaną do niej żywicą. To szczególnie ważne, ponieważ w laminacie nie powstają wówczas pęcherzyki powietrza, które mogą być ogniskami mikropęknięć i późniejszych wad struktury.

Włókno węglowe (ciemne) w porównaniu z włosem ludzkim (jasnym).
Włókno węglowe (ciemne) w porównaniu z włosem ludzkim (jasnym). Źródło: Anton – Creative Commons CC BY-SA 2.5
Wiązka włókien węglowych stosowana do produkcji elementów nadwozia samochodu BMW i3.
Wiązka włókien węglowych stosowana do produkcji elementów nadwozia samochodu BMW i3. Źródło: BMW

Do momentu utwardzenia żywicy element powinien znajdować się w formie, co ma zapewnić mu odpowiedni kształt. Jego wcześniejsze wyjęcie z formy doprowadziłoby do deformacji, co z kolei uniemożliwia zastosowanie tej metody w produkcji seryjnej. Aby temu zapobiec, BMW opracowało nowy proces, który polega na wykorzystaniu dodatkowej folii. Jest ona nakładana na formę, a pod nią wytwarzana jest próżnia. Dzięki temu folia przybiera kształt formowanego elementu.

Na folii układa się włókna węglowe nasączone żywicą. Warstwę mokrych włókien węglowych przykrywa się drugą warstwą folii termoplastycznej, która jest dociskana prasą. Z folii odpompowywane jest powietrze, a jej brzegi są zgrzewane. Następnie formy są podgrzewane do temperatury 60–65°C, co powoduje utwardzenie żywicy. Próżnia między formami pozwala zachować wstępną sztywność elementu, która umożliwia wyjęcie go z formy już po czasie krótszym niż 3 min. Dzięki tej technologii możliwe stało się wykonywanie elementów z laminatów w masowym cyklu produkcyjnym.

Ze względu na właściwości kompozytów utrudnione jest ich łączenie z innymi elementami. Najczęściej w procesie laminowania w warstwie włókna węglowego lub szklanego umieszcza się tuleje lub elementy metalowe, do których w późniejszych etapach procesu przykręcane są inne komponenty. Niekiedy stosuje się otwory technologiczne, przez które przeprowadza się śruby montażowe, jednak w tym przypadku konieczne jest usztywnienie laminatu, ponieważ istnieje wysokie prawdopodobieństwo jego wyłamania. Coraz częstszą techniką łączenia innych elementów z laminatami jest klejenie. Umożliwia ono uzyskanie wysokiej wytrzymałości łączenia przy relatywnie prostym procesie produkcyjnym.

Wadą laminatów węglowych jest niezbyt duża wytrzymałość na obciążenia dynamiczne, a więc niska udarność. Niekiedy do wzmocnienia konstrukcji stosuje się laminaty zawierające 2 rodzaje włókien zbrojących – włókna węglowe i aramidowe. Takie laminaty węglowo-kevlarowe są jednak nadal bardzo drogie, co ogranicza zakres ich zastosowań.

Najnowszym materiałem stosowanym do produkcji włókien zbrojących jest bor. Monokrystaliczne włókna boru cechują się wyjątkowo wysoką wytrzymałością. Wielkie nadzieje na poprawę wytrzymałości laminatów budzi także grafen i jego włókna, które mogą pełnić funkcję zbrojenia, podobnie jak włókna szklane i węglowe.

WARTO WIEDZIEĆ
BMW radzi sobie samo
Z procesu produkcyjnego laminatu węglowego prowadzonego w fabryce BMW byłby dumny Henry Ford, który na potrzeby własnej produkcji kupował rudę żelaza i węgiel, a we własnych hutach produkował stal do produkcji pierwszych fordów. BMW także wkroczyło w świat produkcji własnych elementów z włókien węglowych.
Wygląda ona następująco:
  • z poliakrylonitrylowych włókien tekstylnych pod wysokim ciśnieniem oddzielane są cieńsze włókna,
  • przy udziale wysokiej temperatury włókna te przetwarzane są we włókna węglowe o średnicy 7 μm (0,007 mm),
  • do wykonania elementu nadwozia potrzebne jest połączenie ze sobą około 50 tys. takich pojedynczych mikrowłókien,
  • włókna te nie są ze sobą skręcane na wzór nitek, tylko poukładane obok siebie,
  • pocięte wiązki włókien są wstępnie formowane na prasach, a kilka pojedynczych wyprasek jest składanych w jeden element,
  • następnie do włókien wstrzykiwana jest żywica i materiał po sprasowaniu pod wysokim ciśnieniem i utwardzeniu żywic otrzymuje żądaną sztywność.
BMW opracowało proces w takim stopniu, aby produkcja elementów z włókien węglowych była powtarzalna i pewna. Po utwardzeniu żywicy element nie potrzebuje zabezpieczeń antykorozyjnych ani lakierowania – jest odporny na działanie czynników atmosferycznych.

 

Reklama

O Autorze

Maciej Blum

Redaktor naczelny miesięcznika „autoEXPERT”

Tagi artykułu

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę
Reklama