Zwycięskie kompozyty

-- wtorek, 01 marzec 2005 14:01

Jeśli myślicie Państwo, że kompozyty z włókien węglowych należą tylko do przestrzeni powietrznej oraz torów wyścigowych, to... nie macie Państwo racji. 34. doroczny konkurs „Nagrody za Innowacje" - Stowarzyszenia Inżynierów Tworzyw Sztucznych (SPE), wyłaniający najlepsze aplikacje tworzyw sztucznych w motoryzacji, wyróżnił nie tylko nowości w dziedzinie termoplastycznych części formowanych wtryskowo, ale także trzy interesujące aplikacje kompozytowe.

TECHNOLOGIA LOTNICZA I ASTRONAUTYCZNA: Pokrywę bagażnika Forda GT 2005 wykonano z materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami węglowymi

Dwie z nich zwiastują możliwości zastosowania kompozytów na bazie włókien węglowych w pojazdach produkowanych w małych i średnich ilościach [może w przyszłości w polskim samochodziku „Click"? - przyp. redakcji]. Jako trzecie wyróżniono opatentowane przełomowe odkrycie w dziedzinie przetwarzania tworzyw sztucznych, które rozszerza możliwości zastosowania kompozytowego formowania tłocznego.

Porsche Carrera 2005 Kompozytowa obudowa silnika

Silnik o mocy ponad 600 KM i prędkość maksymalna ponad 270 km/h sprawia, że Porsche Carrera GT 2005 ma wiele wspólnego z samochodem wyścigowym. A podobieństwa nie ograniczają się jedynie do samej prędkości. Samochód jest wyposażony w otwarte podwozie, które bardziej przypomina bolidy spotykane w LeMans niż w Livonia. Równocześnie samochód spełnia wymogi bezpieczeństwa zgodne, a nawet przewyższające międzynarodowe standardy. - To jakby samochód wyścigowy z licencją na poruszanie się po normalnych drogach - mówi Walter Schaupensteiner, szef zespołu zajmującego się projektowaniem wnętrz.

Aby zbudować pojazd łączący wygląd samochodu wyścigowego z wydajnością i bezpieczeństwem, inżynierowie Porsche z dużą „szczodrością" zastosowali technologię włókien węglowych do konstrukcji skorupowej podwozia. Na przykład przedział dla kierowcy - pasażera w najnowszym Carrera wykonany został z epoksydu wzmacnianego włóknem węglowym. Po raz pierwszy w samochodzie przeznaczonym do seryjnej produkcji znajdzie się rama pomocnicza zespołu napędowego wykonana z nowego kompozytu, która właśnie zdobyła nagrodę „doskonałości technicznej SPE".

RAMA POMOCNICZA SILNIKA I ZESPOŁU NAPĘDOWEGO Porsche Carrera GT F jest wyposażony w ramę silnika wykonaną z żywicy epoksydowej wzmacnianej włóknami węglowymi; wraz z obudową stanowi jeden z najważniejszych elementów strukturalnych pojazdu

Ważąca 45 kg konstrukcja stanowi miejsce mocowania zarówno silnika, jak i przekładni, a razem z przedziałem pasażerskim tworzy główny człon konstrukcji pojazdu. Inżynierowie Porsche zaprojektowali ją z kompozytów, które są normalnie stosowane w aplikacjach lotniczych i astronautycznych - wzmacnianej żywicy epoksydowej (Cytec 997), włókna węglowego oraz pewnej ilości Nomeksu. Zaopatrujący firmę dostawca kompozytów, włoska firma ATR, wykonuje części w ilości trzech sztuk dziennie, posługując się techniką ręcznego formowania kontaktowego (!) oraz procesami wykonywanymi w autoklawach.

Według Schaupensteinera zastosowanie tych właśnie kompozytów daje ważne zalety związane z wagą i sztywnością; szacuje on, że zbudowana z kompozytów rama pomocnicza silnika waży ok. 40% mniej niż w projektach opartych na stalowych elementach. Równocześnie, sztywne kompozyty poprawiają sztywność pojazdu, co poprawia właściwości trakcyjne i podnosi dynamikę jazdy.

Z zastosowania części zbudowanych z kompozytów wynikają korzyści związane z integracją poszczególnych elementów. Schaupensteiner zauważa, że obudowa silnika ma ponad 200 punktów łącznych dla umieszczenia zespołu napędowego oraz strefy kontrolowanego zgniotu, absorbującej energię w razie wypadku. Porsche mocuje komponenty do obudowy z dokładnością do ±4 mm. Jest to potrzebne do precyzyjnego dołączania innych komponentów, co było jedną z przyczyn, z których inżynierowie Porsche zrezygnowali z konstrukcji aluminiowej. Schaupensteiner mówi, że konstrukcja aluminiowa byłaby wyposażona w wiele aluminiowych wsporników, które byłyby trudne do zlokalizowania wewnątrz elementu, co oznaczałoby wadę niwelującą ewentualne korzyści wynikające z lekkości konstrukcji. Co więcej, aluminium w połączeniu z niektórymi dołączonymi komponentami posiada niedopuszczalne różnice CTE (współczynnik rozszerzalności cieplnej), które mogłyby zagrozić tolerancjom produkcyjnym przyjętym przez Porsche.

Aby wykorzystać zalety materiałów kompozytowych, inżynierowie Porsche musieli pokonać trzy kluczowe wyzwania. Po pierwsze: musieli znaleźć takie systemy materiałowe, które pracowałyby w trudnych warunkach środowiskowych. Rama wraz z osłoną silnika, która w zasadzie stanowi jego komorę, jest poddawana działaniu temperatur dochodzących do 180°C, a obciążenie termiczne nie jest jedynym elementem „trudnego środowiska". Te materiały są narażone na działanie wysokich temperatur, oleju, kurzu, wilgoci oraz soli i muszą to znosić przeciętnie przez 20 lat.
Ponieważ strukturalne znaczenie ramy i obudowy silnika jest niezwykle istotne, inżynierowie Porsche musieli zająć się również niebezpieczeństwem rozszczepienia warstw kompozytów w obszarach poddawanych działaniu szczególnie trudnych warunków. Schaupensteiner donosi, że zespół inżynierów zastosował narzędzia FEA (analizy metodą elementów skończonych) do optymalizacji umiejscowienia wszystkich punktów zaczepu oraz kierunku wzmacniania włókien.

Autor: Joseph Ogando

Linki sponsorowane

	Produkcja od A do Z w samym sercu polskiego przemysłu Zapraszamy Państwa na VI edycję Targów Produkcji i Technologii PROTECH, które ponownie zagoszczą we Wrocławiu.
	Almanach Produkcji w Polsce Kompleksowy katalog w wersji on-online oraz drukowanej majacy na celu dostarczenie użytecznych informacji o dostawcach dla przemysłu jak i oferowanych przez nich produktach.