Spoiwa początkiem rewolucji w dziedzinie montażu

-- poniedziałek, 01 grudzień 2008

Błyskawiczne postępy w dziedzinie technologii adhezyjnej umożliwiają konstruowanie znacznie lżejszych samochodów, jak również stosowanie cieńszych stali. Niektóre platformy już wykorzystują tę nową propozycję, żywiąc nadzieję, że wkrótce przyniesie ona jeszcze większe korzyści.

Zmodyfikowana konstrukcja 2008 Ford Focus dzięki zwiększonemu zastosowaniu wiązań adhezyjnych odpornych na kolizje zmniejsza ciężar własny samochodu.

Shawn Morgans, główny technolog ds. struktury nadwozia Ford’a, stwierdza, że Ford obniżył wagę modelu 2008 Ford Focus o 1,7 kG poprzez zwiększenie zużycia strukturalnych spoiw wytrzymałych na kolizje w górnej części nadwozia. Zmniejszyliśmy zastosowanie zgrzein punktowych – powiedział Morgans w wywiadzie dla Design News. Teraz naszym głównym celem będzie redukcja grubości stali.

Inżynierowie z General Motors również mają chętkę na zwiększenie zastosowania nowych super spoiw. Bardzo korzystne byłoby stosowanie na rozległą skalę wzmocnionych spoiw odpornych na kolizje, zamiast połączenia nitowego, termicznego, zgrzewania tarciowego czy jakichkolwiek innych metod wiązania. Pomogłoby to zmniejszyć wagę. Montaż również stanowiłby kwestię problematyczną, jeśli konieczne byłoby zakładanie nitów lub innych elementów mocujących, aby mieć pewność, że struktura pozostanie na właściwym miejscu. Satysfakcjonującym byłoby rozwiązanie wykorzystywania takiego spoiwa, które szybko się nakłada i błyskawicznie twardnieje – twierdzi Mark Verbrugge, dyrektor laboratorium materiałowo-procesowego GM.

Nowe pojazdy GM skonstruowane pod szyldem Epsilon i Delta w Europie i Azji będą wykorzystywały nowo opracowane spoiwa odporne na kolizje. Nowe modele Opla również mają korzystać z tych zaawansowanych systemów.

Stosowanie spoiw strukturalnych w nadwoziach samochodowych jest bardziej zaawansowane w Europie, gdzie producenci zaangażowani są w kwestie związane z obniżeniem do roku 2012 emisji dwutlenku węgla do maksymalnie120 g/km dla wszystkich samochodów osobowych. Trwałe spoiwa odporne na kolizje wykorzystywane są w strukturach takich pojazdów, jak na przykład nowe modele Mercedesa czy BMW.

Wykorzystywanie wiązań adhezyjnych w samochodach ma długą historię, z uwzględnieniem łączenia szkła z krawędzią nadwozia. Nadwozie stanowi 25 procent masy samochodu i to ono jest głównym celem, na którym skupiają się specjaliści badający możliwości zminimalizowania wagi samochodu. Do niedawna spoiwa o dużej wytrzymałości wykorzystywane w samolotach i innych zastosowaniach nie nadawały się do użycia w nadwoziach samochodowych ze względu na fakt kruchości w sytuacjach kolizyjnych, w szczególności w niskich temperaturach. Przełom technologiczny nadszedł wraz z rozwojem systemu dwufazowego, który modyfi kuje odporność na uderzenia. Reakcja chemiczna w procesie zwanym synergicznym utwardzaniem gumy wytwarza wzmocnione cząsteczki oraz zmiękczacz. Wzmocnione cząsteczki zmniejszają podatność na pękanie i pochłaniają energię. Miękkie cząsteczki o rozmiarach zaledwie kilku nanometrów są równomiernie rozmieszczane na matrycy przed utwardzeniem spoiwa.

Wykres pokazuje dziedziny zastosowań wiązań adhezyjnych odpornych na kolizje.

Innym istotnym postępem technicznym jest dostosowywanie spoiwa odpornego na kolizje do konwencjonalnych systemów produkcji samochodów. Są one utwardzane zazwyczaj w temperaturze około 180° C, umożliwiając utwardzanie struktury w drodze procesu obróbki wstępnej powłoki galwanicznej bez konieczności korzystania ze specjalnego pieca wulkanizacyjnego. Najnowsze materiały można stosowaćw przedziale temperaturowym od -40° do 80° C.

W tej symulacji komputerowej próby zrzutowej, dwie połowy w próbce spawanej rozpadają się, po lewej (zaznaczone na zielono). Próbka połączona wiązaniem adhezyjnym odpornym na kolizje marszczy się jak akordeon (zaznaczone na pomarańczowo).

Techniki, w których postęp następuje najszybciej, wykorzystują wiązania hybrydowe. Jak podkreśla Verbrugge, zgrzewanie punktowe, jak i inne konwencjonalne systemy mocowania, muszą zapewnić wytrzymałość początkową. Kolejnym czynnikiem jest fakt, że istnieją pewne ograniczenia w symulacjach prognozujących zachowanie nowych spoiw odpornych na kolizje, przeprowadzanych jako część pełnego przeglądu technicznego pojazdu.

Spoiwa strukturalne w dużej mierze wykorzystywane są również w stalach wysokowytrzymałościowych – twierdzi Chris Liddiard, dyrektor ds. rozwiązań strukturalnych w fi rmie Henkel. Stal jest mało podatna, zatem jeśli nie jest się ostrożnym, można szybko przenieść tę energię na spoinę. Stosowanie nowych wiązań adhezyjnych ulepsza integralność szwu dzięki zapewnieniu systemu zarządzania podwójną energią.

Wielki przełom przyszłości dla spoiw strukturalnych nadejdzie w momencie, gdy będzie można sporządzić wiarygodne prognozy zachowania wiązań na skalę całego samochodu i gdy opracowane zostaną spoiwa szybkoutwardzalne. Jednak szybki postęp trwa, gdyż rozwój spoiw ma istotny wpływ na wiele projektów mechanicznych.

Próby firmy Lotus

Jason Rowe, główny inżynier mechaniki w fi rmie Lotus, twierdzi, że – ogólnie rzecz biorąc, wyzwaniem przemysłu motoryzacyjnego jest zwiększenie oszczędności paliwa przy jednoczesnym ulepszeniu bezpieczeństwa i wydajności oraz utrzymaniu ceny na przystępnym poziomie. W najnowszym raporcie badawczym Lowe podkreśla: Jednym z ostatnich postępów w technologiach spoiw jest wydajność strukturalnych wiązań adhezyjnych.

Zastosowania wiązania adhezyjnego w Europejskim panelu autobusu.

Lotus w swojej konstrukcji VVA (versatile vehicle architecture) wprowadzonej w roku 2005, która składa się głównie z kształtowników aluminiowych, wykorzystuje spoiwa strukturalne łącznie z mechanicznymi technikami mocowania. Zamiast zgrzein punktowych stosowane są nity samodziurkujące. Przytrzymują one połączoną konstrukcję podczas trwania procesu spajania i zapobiegają zdzieraniu się spoiwa w momencie kolizji. Spoiwa strukturalne utwardzane cieplnie stanowią podstawowy środek łączący. Mówi się, że system ten zapewnia wyjątkową sztywność skrętną.

Połączenie nitów samodziurkujących (self-piercing rivets - SPR) oraz wiązań adhezyjnych daje w rezultacie spoinę o znacznie większej odporności na zdzieranie, aniżeli samo wiązanie oraz trzy razy bardziej wytrzymałą, aniżeli gwarantuje to samo nitowanie – stwierdza Rowe. Dodatkowo nity typu SPR umożliwiają usunięcie oprzyrządowania zanim spoiwo ulegnie utwardzeniu, przy zachowaniu geometrii i wymiarów bez konieczności specjalnego nakładania przez powłokę galwaniczną. Trzeba było zastosować nową metodę, gdyż zgrzewanie punktowe jak i spawanie techniką MIG może pogorszyć jakość aluminium.

Lotus stosuje technologię VVA w swych nadchodzących samochodach sportowych 2+2. Lotus, niegdyś będący częścią GM, produkuje samochody sportowe i działa jako podmiot doradztwa inżynieryjnego, który jest własnością malezyjskiego przedsiębiorstwa produkcyjnego.
Pierwszym amerykańskim pojazdem, przy produkcji którego w dużym stopniu wykorzystano nowe spoiwa odporne na kolizje, był pickup Ford F–150, który otrzymał od Amerykańskiego Instytutu Ubezpieczeniowego Bezpieczeństwa Drogowego najwyższą w swojej klasie ocenę w zakresie wytrzymałości na kolizje. Po raz pierwszy również zastosowano spoiwo odporne na kolizje, które nie wymagało korzystania z podgrzewanych pomp.

Oto przykłady innych nowych modeli korzystających z większego zastosowania spoiw strukturalnych:

Zastosowanie nowych tworzyw nie ogranicza się do zaawansowanych pod względem technologicznym pojazdów „z górnej półki.” Producenci wiązań adhezyjnych mówią, że cieszą się sporym zainteresowaniem ze strony dostawców dla przemysłu (OEM) z Azji i Indii, którzy konstruują nowy niedrogi samochód przewidziany na światowe rynki. Wiązania adhezyjne umożliwiają większą elastyczność procesu w porównaniu z systemami zgrzewania.

Kilka zastrzeżeń

Istnieją czynniki, które wciąż przeciwstawiają się zwiększonemu zastosowaniu strukturalnych wiązań adhezyjnych odpornych na kolizje. Jednym z nich jest zasadniczy konserwatyzm inżynierówkonstruktorów, którzy obeznani są w konwencjonalnych metodach łączenia, w szczególności w zgrzewaniu punktowym, i całkowicie im ufają. Kolejnym takim czynnikiem jest brak programu, który symulowałby własności mechaniczne nowych tworzyw na większą skalę. Cienkie linie wiązania w nowych spoiwach wymagają super gęstej siatki, która zwiększyłaby ilość elementów skończonych, co wykracza nawet poza możliwości komputerów o wysokiej wydajności. W celu rozwiązania tego problemu specjaliści pracują z Instytutem Fraunhofer IFAM (Institute for Manufacturing and Applied Materials research).

Jest również potrzeba stosowania wiązań adhezyjnych o większej odporności cieplnej, które umożliwiłyby wykorzystywanie nowych tworzyw blisko bloku cylindrów. Będzie można również zaobserwować nacisk na stosowanie spoiw utwardzalnych w niższych temperaturach, co pozwoliłoby dostawcom dla przemysłu (OEM) zaoszczędzić ze względu na fakt braku konieczności eksploatowania pieca elektrolitycznego. Będą również poszukiwane gatunki o krótszym czasie utwardzania.

Zdaniem Marc’a Van Den Biggelarr’a, kierownika ds. rynku globalnego, w dziale Rozwiązań Konstrukcyjnych Nadwozia w fi rmie Dow Automotive, stosowanie wiązań adhezyjnych nie koliduje z automatycznym recyklingiem w Europie. Postrzępione konstrukcje nadwozia są pakowane i przetapiane w urządzeniach do przetapiania metalu, takich jak elektryczny piec łukowy stosowany w przemyśle stalowym. Nie ma żadnej specjalnej obróbki dla wiązań adhezyjnych. Spalają się one pod wpływem wyższych temperatur – dodaje Van Den Biggelaar.

Recykling mógłby jednak stanowić problem, jeśli stal zostanie połączona z aluminium, co stanowi jedną z zalet systemów adhezyjnych.

Spoiwa odgrywają krytyczną rolę w samolotach kompozytowych

Zastosowanie zaawansowanych wiązań adhezyjnych w celu zredukowania wagi ma swoje korzenie w przemyśle samolotowym, gdzie spoiwa wznoszą się na duże wysokości w samolotach kompozytowych, takich jak Boeing Dreamliner jak również innych będących obecnie w fazie projektu.

Firma 3M opracowała ostatnio dwa nowe spoiwa, które w istotnym stopniu zwiększają wytrzymałość i sztywność konstrukcji samolotu kompozytowego. Łączenie samolotu z kompozytami, a nie z metalam, i stawia przed nami ważne wyzwania – twierdzi Tim Dietz, starszy kierownik techniczny w firmie 3M Aerospace. Na przykład kompozyty mogą absorbować do 3 procent swojej wagi w warunkach wilgotności powietrza. Opracowaliśmy taki preparat, który wytrzymuje te poziomy wilgotności podczas utwardzania – dodaje Dietz podczas wywiadu dla Design News.

Nowo opracowana strukturalna powłoka adhezyjna Scotch-Weld AF 555 jest termoutwardzalną, zmodyfikowaną epoksydową powłoką adhezyjną, która jest częścią struktury o konstrukcji „plastra miodu” lub częścią monolitycznej konstrukcji kompozytowej. Można ją utwardzać
w temperaturze od 150° do 180° C. Inna wersja AF 500 została zaprojektowana do zastosowań wymagających utwardzania w temperaturze 120° C.

Tworzywa te stosowane są w temperaturze pokojowej za pomocą nakładania ręcznego lub przez systemy zautomatyzowane. Aby uniknąć przedwczesnych reakcji, systemy adhezyjne zazwyczaj przechowywane są w stanie zamarzniętym. Ilość czasu, podczas którego wiązania adhezyjne znajdują się poza zamrażalką, jest znacznie dłuższa w przypadku samolotu kompozytowego ze względu na rozmiar elementów. AF 555 może znajdować się poza zamrażalką przez rok, jest to skokowa zmiana w dziedzinie spoiw. Z reguły czas poza zamrażalką mieści się w przedziale od pięciu do 45 dni.

Na życzenie klienta firma 3M opracowała wersję z lekkimi ekranami przewodzącymi, które rozpraszają energię uderzenia piorunem w powierzchnię samolotu kompozytowego.

Zdaniem Troy’a Ferraro, kierownika marketingu ds. kosmicznych spoiw strukturalnych w firmie 3M, nowe systemy opracowano we współpracy z kilkoma partnerami. Co ciekawe, zarówno Ferrero jak i Dietz mówią, że każdy OEM posiada własne zastrzeżone specyfikacje dotyczące wymaganej od systemu adhezyjnego wytrzymałości. Żaden z OEM nie skomentował dla Design News specyfikacji dotyczących własnego systemu. Boeing ogłosił niedawno, że kadłub Dreamliner’a przeszedł przez końcową próbę obciążeniową śpiewająco. Dreamliner 787 jest najbardziej znanym spośród nowych samolotów kompozytowych, jednak kilka innych jest w fazie projektu. W zeszłym roku Airbus ogłosił, że skonstruuje korpus modelu A350 z kompozytów, a nie z metalu. Jeden ze specjalistów twierdzi, że popyt na włókna węglowe w przemyśle kosmicznym zwiększy się z 5.210 ton w 2006 do 10.700 ton w 2010.