Lekkie i wytrzymałe materiały kompozytowe

© Raven Media – Maciej Blum

Udostępnij:

Dodatkowych kilogramów nie lubią nie tylko kobiety. Również w motoryzacji są one niemile widziane, gdyż przyczyniają się do wzrostu spalania, zwiększonej emisji CO2 i gorszych osiągów. Dlatego też producenci samochodów cały czas poszukują rozwiązań, które pozwoliłyby im zmniejszyć masę aut bez uszczerbku dla pozostałych właściwości.

Trzeba przyznać, że zadanie to nie należy do łatwych. W dobie coraz bardziej restrykcyjnych norm dotyczących emisji spalin oraz nacisków na zapewnienie maksymalnego poziomu bezpieczeństwa i komfortu podróżnych utrzymanie takiej samej wagi pojazdu – nie mówiąc już o jej zmniejszeniu – nie jest proste. A jednak koncernom motoryzacyjnym ta sztuka się udaje. Przykłady? Chociażby najnowsza generacja Opla Astry – w niektórych wersjach lżejsza od poprzednika nawet o 200 kg – czy BMW i3, które przy wadze niecałych 1200 kg jest lżejsze od porównywalnego Renault Zoe o ponad 230 kg. Skrajnym przykładem mogą być sportowe Lamborghini, których skorupa nadwozia waży zaledwie 170 kg, a wraz z ramą do mocowania silnika, zawieszenia i innych elementów – nieco ponad 250 kg. W stosunku do tradycyjnych konstrukcji oznacza to oszczędność na masie rzędu ok. 20%.

 

Tailored blank, czyli stal walcowana o zmiennej grubości. Z niej tłoczone są profile słupków i podłużnic. W razie konieczności naprawy zaleca się ich wymianę na fabryczne elementy zamienne. Naprawa polegająca na wycinaniu i spawaniu elementu jest ryzykowna ze względu na to, że może zmniejszyć jego wytrzymałość. © Archiwum „autoEXPERTA”

Stal, aluminium i ponownie stal

Jeszcze kilka dekad temu do produkcji samochodów używano głównie stali oraz tworzyw sztucznych. Pozostałe materiały (np. skóra, tekstylia, drewno, chrom) stanowiły niewielką część całkowitej masy pojazdu. Zwiększające się z kolejnymi generacjami wymiary zewnętrzne powodowały jednak, że auta szybko przybierały na wadze. O ile – dzięki rosnącej mocy silników – udało się utrzymać osiągi na takim samym poziomie, a niekiedy nawet je polepszyć, o tyle problemem stało się spalanie i związana z tym emisja zanieczyszczeń – tym bardziej, że Komisja Europejska zaczęła naciskać na redukcję zużycia paliwa.

 

Struktura nadwozia samochodu sportowego. Kolorami zaznaczono stopy o różnej wytrzymałości. © Porsche

Dlatego też w konstrukcjach nowych aut zaczęto stosować lżejsze aluminium, a dokładniej: stopy glinu z innymi pierwiastkami (krzemem, magnezem, miedzią bądź żelazem). Ze stopów lekkich wytwarzane są m.in. części karoserii, płyty podłogowej czy silnika. Całe nadwozie wykonane z aluminium jest o ok. 40% lżejsze od stalowego. I choć podnosi to cenę końcową auta, to nie wyższe koszty sprawiły, że do łaski powróciła stal. Decydujący okazał się tzw. moduł Younga (E), czyli współczynnik sprężystości wzdłużnej. Moduł Younga dla stali wynosi 210 GPa, natomiast dla aluminium – 69 GPa. To oznacza, że aluminium jest sztywniejsze, czyli znacznie mniej się odkształca, zanim ulegnie pęknięciu. Stal natomiast może się znacznie bardziej odkształcić, zachowując przy tym początkową wytrzymałość. To zdecydowało, że w niektórych przypadkach, mimo przewagi wagowej aluminium i jego stopów, zdecydowano się na powrót do stali jako bazowego materiału konstrukcyjnego. Oczywiście mowa tutaj o stali niskowęglowej z odpowiednimi dodatkami, dzięki którym jest ona znacznie wytrzymalsza od standardowo stosowanych stopów.


TOP w kategorii




Stal jako materiał konstrukcyjny

Stale stosowane do produkcji nadwozi są sukcesywnie wzmacniane. Zwiększanie wytrzymałości odbywa się przez odpowiednią obróbkę cieplną oraz nawęglanie i azotowanie. Kolejnym sposobem wzmocnienia elementu blaszanego jest jego tłoczenie. Stosowanie tego zabiegu powoduje wzmocnienie stali, czego wynikiem jest większa wytrzymałość na rozciąganie. Materiał po tłoczeniu ma wytrzymałość na rozciąganie na poziomie 180 MPa. Większą wytrzymałością mogą się poszczycić stale High Strength Steel (HSS), które dzięki dodatkom stopowym osiągają wytrzymałość rzędu 300 MPa. Lepsze parametry mają stale dwufazowe (Dual Phase), których wewnętrzna warstwa ma strukturę ferrytową, natomiast zewnętrzne warstwy – martenzytową. W tym przypadku każda naprawa z użyciem urządzania spawającego czy palnika doprowadzi do nieodwracalnej zmiany struktury stali i jej osłabienia. Stale wielofazowe osiągają wytrzymałość na rozciąganie powyżej 1000 MPa. Najwyższe wytrzymałości uzyskują stale stopowe z manganem utwardzane w atmosferze boru. Ich wytrzymałość przekracza 1600 MPa.

Dla przykładu nadwozie BMW X6 Sport Activity Coupe zawiera 61% wysokowytrzymałych gatunków stali, w tym tłoczone na gorąco wsporniki o wytrzymałości na rozciąganie wynoszącej 1300 MPa. Chrysler Minivan wykorzystuje wysokowytrzymałą stal w połączeniu z przednimi i bocznymi poduszkami powietrznymi, by zwiększyć bezpieczeństwo kierowcy i pasażerów. Mimo że od 2007 do 2015 roku całkowita waga pojazdów została ograniczona, wykorzystanie wysokowytrzymałych rodzajów stali wzrosło o około 1/3 (z 220 do 326 kg). Ich zastosowanie jest więc uzasadnione ze względu na trend „odchudzania” pojazdów i konieczność instalowania w nich coraz większej liczby systemów bezpieczeństwa. Stal o podwyższonej wytrzymałości stosuje się też jako surowiec do wykonania poszyć zewnętrznych. Dzięki wyższej wytrzymałości materiału możliwe jest ograniczenie grubości poszycia. Nie dziwią więc dziś poszycia błotników o grubości 0,4 mm.

 

Resor zawieszenia Chevroleta Corvette wykonany w technologii laminatu z tworzywa sztucznego zbrojonego włóknem szklanym. © Creative Commons CC0

Laminaty

Cechą laminatu jest to, że składa się on z dwóch materiałów bazowych różniących się właściwościami mechanicznymi i fizycznymi. Jest to więc materiał kompozytowy. Laminat powstaje zazwyczaj przez usztywnienie włókien zbrojących spoiwem. Włókna zbrojące pełnią funkcję konstrukcyjną i przenoszą naprężenia ściskające i rozciągające. Spoiwo, które unieruchamia włókna, przenosi siły tnące, czyli te, które mogłyby spowodować przesuwanie się włókien zbrojących względem siebie.

Na podstawie tych założeń można już wysnuć wniosek, że w laminacie kluczową rolę odgrywa samo rozmieszczenie włókien, jego kierunek oraz rodzaj i ilość substancji wiążącej. Zbyt duża ilość substancji wiążącej w stosunku do liczby włókien zbrojących powoduje spadek wytrzymałości laminatu, a zbyt mała – niedostateczne połączenie włókien także skutkujące spadkiem wytrzymałości.

Przemysłowe wytwarzanie laminatów rozpoczęło się w momencie, kiedy możliwe stało się kontrolowanie procesów związanych z łączeniem materiałów wiążących.

I tak, na początku XX wieku z laminatów zaczęto produkować elementy do urządzeń elektronicznych. Powstawały one przez sprasowanie pakietu składającego się z kilku warstw płótna bawełnianego lub konopnego nasączonego żywicą termoutwardzalną (fenolowo-formaldehydową, potocznie zwaną bakelitem). Aby laminat taki osiągnął pełną wytrzymałość, konieczne było prasowanie w podwyższonej temperaturze. Jak każda nowa technologia, tak i ta była dość droga, co powodowało, że nie był to materiał do zastosowań masowych. Dodatkowo właściwości mechaniczne ówczesnych kompozytów odbiegały od materiałów współczesnych, co powodowało, że element z laminatu był większy i cięższy od spełniającego te same warunki wytrzymałościowe detalu wykonanego z innego materiału konstrukcyjnego. Innym rodzajem laminatu stosowanego w elektronice jest popularna płytka drukowana, która powstaje przez prasowanie tkanin nasyconych żywicą epoksydową lub akrylową.

Gwałtowny rozwój produkcji laminatów nastąpił w latach 50. XX wieku, kiedy dopracowano technologię wytwarzania tanich żywic poliestrowych, żywic chemoutwardzalnych oraz włókien szklanych. Znaczne obniżenie kosztów produkcji oraz dostępność żywic sprawiły, że technologia produkcji laminatów stała się na tyle prosta, że można było wykonywać laminaty nawet metodami chałupniczymi.

Rosnąca popularność laminatów doprowadziła do szybkiego rozwoju technologii ich produkcji polegającego przede wszystkim na stosowaniu nowych rodzajów żywic. I tak, laminaty na bazie poliestrowej były powoli wypierane przez te zawierające spoiwo epoksydowe. Nie był to proces natychmiastowy, ponieważ żywice epoksydowe okazały się trudne w produkcji z powodu braku pełnej kontroli nad procesem utwardzania oraz dość wysokiej ceny. Włókna zbrojące także ewoluowały. Z reguły stosuje się włókna szklane, jednak w zastosowaniach o bardzo wysokich wymaganiach wytrzymałościowych preferuje się włókna węglowe (carbon) oraz aramidowe (kevlar). Cechują się one znacznie korzystniejszym współczynnikiem wytrzymałości do masy własnej.

Wadą laminatów węglowych jest niezbyt duża wytrzymałość na obciążenia dynamiczne, a więc niska udarność. Niekiedy do wzmocnienia konstrukcji stosuje się laminaty zawierające dwa 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.

W najnowszych konstrukcjach nadwozi włókna szklane są zastępowane włóknami węglowymi. Daje to możliwość zmniejszenia wagi i pozostawienia wytrzymałości na niezmienionym poziomie. Maty z włókna węglowego plecione są z wiązek, które następnie łączone są chemoutwardzalną żywicą epoksydową. Dzięki wysokiej sztywności i stosunkowo małej gęstości odznaczają się bardzo korzystnym stosunkiem wagi do wytrzymałości: elementy konstrukcyjne z kompozytów węglowych ważą nawet o 50% mniej niż porównywalne komponenty ze stali. Nadwozia w całości wykonane z laminatów węglowych mają chociażby wspomniane wcześniej BMW i3 czy Lamborghini Aventador, jednak w większości modeli, w których pojawia się ten materiał, stosuje się go na bardzo ograniczonych powierzchniach.

BMW i3

Przeszkodą w szerokim stosowaniu włókien węglowych jest fakt, że są one trudne w obróbce. Z tego powodu nadwozie modelu i3 nie jest wykonane w całości z tego materiału. Włókna węglowe zastosowano tylko tam, gdzie są one najbardziej przydatne. Samochód podzielono przy tym na 3 podstawowe przestrzenie różniące 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.

Modułowa budowa samochodu pozwoliła projektantom na trochę więcej swobody niż w przypadku projektowania konstrukcji standardowych. Dzięki swojej szerokości (180 cm) auto prezentuje się okazale. Długość (4 metry) pozwala natomiast na sprawne poruszanie się po zatłoczonych centrach miast. Duża sztywność włókien węglowych pozwoliła na rezygnację z słupka „B”, co bardzo ułatwiło dostęp do tylnego rzędu siedzeń. Drzwi tylne są przymocowane do słupka „C” i otwierają się w przeciwną stronę, tak jak w Oplu Meriva lub Toyocie FJ Cruiser. Przeszklone powierzchnie stwarzają dodatkowo wrażenie dużej przestrzeni wewnątrz pojazdu. Cechą charakterystyczną wnętrza jest brak tunelu środkowego, ponieważ silnik elektryczny znajduje się z tyłu pojazdu.

Wiązka włókien węglowych stosowana do produkcji elementów nadwozia samochodu BMW i3. Źródło: BMW

Podczas projektowania samochodu i jego wprowadzania do sprzedaży zaczęły pojawiać się pytania, jak będzie wyglądać wycena i naprawa uszkodzeń wypadkowych tego modelu.

Przebieg diagnozy uszkodzeń w BMW serii „i” powinien być następujący: jeśli specjalista stwierdzi optycznie, że w strukturze włókna węglowego występują uszkodzenia, powinien wypełnić szczegółowy protokół ISTA znajdujący się w elektronicznej książce naprawczej BMW.

W przypadku uszkodzenia ramy 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 np. ścianę boczną, z której może być wycięty np. próg. Tego typu naprawy mogą jednak być wykonywane tylko w sieci serwisów BMW.

Jak to się robi?

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. Jest to szczególnie ważne, ponieważ w laminacie nie powstają wówczas pęcherzyki powietrza, które mogą być ogniskami mikropęknięć i późniejszych wad struktury.

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 polegający na wykorzystaniu dodatkowej folii. Jest ona nakładana na formę, po czym wytwarzana jest pod nią 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 umożliwiającą wyjęcie go z formy już po czasie krótszym niż 3 minuty. Dzięki tej technologii możliwe stało się wykonywanie elementów z laminatów w masowym cyklu produkcyjnym.

Pakiet mat z włókna węglowego przed sprasowaniem. Wykroje muszą być poukładane z zacho-waniem odpowiedniej kolejności, kierunków włókien oraz stopnia zachodzenia na siebie poszczególnych warstw. Źródło: BMW

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.

 

 

Warto wiedzieć

BMW samo produkuje elementy z włóknem węglowym

Pionierem w dziedzinie wytwarzania komponentów do produkcji własnych pojazdów był Henry Ford. Z zakupionych rud żelaza i węgla we własnych hutach wytwarzał on stal do produkcji pierwszych Fordów.

BMW także rozpoczęło produkcję własnych elementów z włókien węglowych. Proces ten przebiega następująco:

  • z poliakrylonitrylowych włókien tekstylnych pod wysokim ciśnieniem oddzielane są cieńsze włókna,
    pod wpływem wysokiej temperatury włókna te przetwarzane są we włókna węglowe o średnicy 7 mikrometrów (0,007 mm),
  • do wykonania elementu nadwozia należy połączyć ze sobą około 50 tysięcy takich pojedynczych mikrowłókien; nie są one ze sobą skręcane na wzór nitek, tylko układane obok siebie,
    docięte wiązki włókien są wstępnie formowane na prasach, a kilka pojedynczych wyprasek jest składanych w jeden element,
  • następnie do włókien wstrzykiwana jest żywica,
  • po sprasowaniu pod wysokim ciśnieniem i utwardzeniu żywic materiał otrzymuje żądaną sztywność.

BMW opracowało proces w takim stopniu, aby produkcja elementów z włókien węglowych była powtarzalna i nie generowała braków. Po utwardzeniu żywic element nie wymaga zabezpieczeń antykorozyjnych ani lakierowania – jest on odporny na działanie czynników atmosferycznych.

 

Tworzywa sztuczne

Odchudzanie auta to nie tylko walka ze zmniejszaniem masy nadwozia, ale także redukcja wagi elementów kabiny, podwozia czy silnika. I tu coraz większą rolę zaczynają odgrywać tworzywa sztuczne, które mogą zmniejszyć masę danego elementu aż o 50% w porównaniu z konstrukcją stalową i o 25% w stosunku do odlewu z aluminium. Nie mówimy tu jednak o typowych plastikach, a o specjalnych materiałach odpowiednio wzmacnianych np. długimi włóknami. Przykładem może być Ultramid – termoplastyczne tworzywo sztuczne o wysokiej wytrzymałości i sztywności zbliżonej do metalu, szczególnie dobrze absorbujące energię. Jego dodatkową zaletą są niskie koszty produkcji i pełna biodegradowalność.

Inną technologią coraz powszechniej stosowaną w motoryzacji jest łączenie tworzyw sztucznych z włóknem szklanym (ang. Glass Fibre Reinfoced Plastics – GFRP). O tym, że materiał taki może zapewnić odpowiednią wytrzymałość, niech świadczy chociażby przykład zastosowania go w produkcji sprężyn zawieszenia. Są one o 40–70% lżejsze od stalowych, a dodatkowo zapewniają większy komfort resorowania.

Dziś trudno jeszcze jednoznacznie stwierdzić, czy auta przyszłości będą budowane głównie na bazie stali, stopów lekkich czy może włókna węglowego lub szklanego. Wydaje się, że raczej będziemy mieli do czynienia z mieszanką różnych materiałów konstrukcyjnych. Chyba że w międzyczasie pojawią się zupełnie nowe, lepsze (lżejsze, bardziej wytrzymałe i tańsze) materiały, które będzie można wytwarzać w ilościach masowych. Największym problemem może być jednak naprawa tego typu elementów, a raczej brak możliwości ich naprawy i konieczność wymiany całego komponentu na nowy, co w niektórych przypadkach sprawi, że jedna niewielka stłuczka doprowadzi do całkowitej kasacji samochodu.

Udostępnij:

Drukuj





Maciej Blum



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również