Zwycięskie kompozyty

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.

Ford GT 2005 Pokrywa bagażnika z włókna węglowego

OPATENTOWANE POŁĄCZENIE: Aby połączyć zewnętrzną część panelu pokrywy bagażnika z panelem wewnętrznym wykonanym z włókna węglowego, tak aby nie wywołać korozji galwanicznej, inżynierowie firmy Ford opracowali opatentowaną metodę połączenia obu materiałów tak, aby się ze sobą nie stykały

Porsche nie jest jedyną firmą stosującą kompozyty na bazie żywic epoksydowych wzmacnianych włóknami węglowymi do produkcji swych pojazdów. W konstrukcja Forda GT 2005 również wykorzystano elementy, w których zastosowano systemy kompozytów, w tym przypadku oparte na szybko utwardzanym środku o nazwie Toray. Został on użyty do uformowania wewnętrznego panelu będącego strukturą pokrywy bagażnika samochodu. Tu również wybór kompozytów podyktowany został chęcią zmniejszenia ciężaru, poprawy sztywności skrętnej, stateczności wymiarowej oraz lepszej integracji części.

Adrian Elliot, starszy specjalista do spraw technicznych w laboratorium badawczym Forda donosi, że ważąca 6,4 kg struktura pokrywy bagażnika jest o około 50% lżejsza od podobnej struktury aluminiowej oraz aż o 75% od struktury stalowej. Dodaje również, że zrobiona z włókna węglowego część (zakwalifikowana do finału konkursu Nagród za Innowacje), pomogła firmie Ford osiągnąć bardzo ważne cele w badaniach z dziedziny siły, wytrzymałości i sztywności. Wynikająca z natury kompozytów swoboda projektowa pozwoliła na utworzenie jednego dużego podzespołu, w którym umieszczono zawiasy oraz elementy zamków. Wykonana w ręcznym procesie formowania kontaktowego i formowania w autoklawie wewnętrzna cześć pokrywy, jest wycinana sterowanym komputerowo urządzeniem, a potem mocowana i dopasowywana do zewnętrznych, aluminiowych paneli pojazdu.

Zdolność kompozytów do redukcji wagi, przy równoczesnej integracji elementów nie jest zaskakująca. Zadziwia natomiast fakt, że kompozyty na bazie włókien węglowych, są de facto… tańsze. Ford rozważał wykonanie wewnętrznej części pokrywy bagażnika z superformowanego aluminium. Jednak oprócz tego, że aluminiowe części byłyby cięższe, wymagałyby zastosowania wielu dodatkowych elementów i wielu narzędzi. Elliot szacuje, że jednoelementowa, jednonarzędziowa pokrywa bagażnika wykonana z włókna węglowego będzie kosztować o 32% mniej niż jej aluminiowy odpowiednik (w cyklu życia realizowanego projektu). Oszczędności wynikają w większości z redukcji obrabiania – zamiast czterech narzędzi wystarczy jedno urządzenie o nazwie Inwar, przeznaczone do części z włókna szklanego.

– Biorąc pod uwagę całość amortyzacji, włókno węglowe jest zdecydowanie tańsze niż inne alternatywy – mówi Elliot.

Ponieważ struktura pokrywy bagażnika składa się z kompozytu zawierającego włókno szklane oraz aluminium, Ford musiał znaleźć sposób na uniknięcie korozji galwanicznej oraz niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE) pomiędzy materiałami zewnętrznymi i wewnętrznymi. Firma opracowała (opatentowaną zresztą) metodę rozwiązania obu tych problemów. – Wymyśliliśmy innowacyjny sposób odizolowania włókna węglowego od aluminium – twierdzi Elliot. – Metoda Forda polega na adhezyjnym połączeniu wewnętrznego i zewnętrznego panelu tak, aby mogły się one przesuwać względem siebie. Środek łączący nie tylko scala, ale i oddziela fizycznie oba materiały. W przypadku elementów pokrywy bagażnika o zawijanych obrzeżach Ford umieścił szklaną warstwę pomiędzy kompozytem a walcowaną krawędzią aluminiową.

Cequent: platforma holownicza formowana poprzez sprężanie

Przejście z kompozytów termoutwardzalnych na kompozyty oparte na materiałach termoplastycznych pozwoliło platformie holowniczej wykonanej z formowanego poprzez sprężanie polipropylenu o 25% zawartości szkła uzyskać główną nagrodę w kategorii Wydajność i Dedykowanie. Platformy te umiejscowione z tyłu ciężarówki lub terenowego samochodu wystają poza obrys jego nadwozia i zapewniają dodatkową przestrzeń do holowania. Wykonuje się je zazwyczaj ze stali lub z aluminium, ale firma Ceąuent Towing wykorzystała nowy proces formowania przy zastosowaniu gazu, opracowany przez Composite Technologies wspólnie z Alliance Gas Systems.

Proces formowania przy użyciu sprężonego gazu wykorzystuje dwustronny wtrysk gazowy do wstrzykiwania powietrza do zamkniętej wnęki formowania ciśnieniowego; powietrze wybiórczo opróżnia fragmenty ścian wnęki. Technologia ta jest podobna do systemów wspomaganych gazem, które od lat są stosowane do formowania. – Jednak po raz pierwszy zastosowano ją do formowania ciśnieniowego – mówi Maria Cili-berti, wiceprezes firmy Composite Technologies.

Wersja formowania ciśnieniowego oferuje znaczne zalety produkcyjne i projektowe. Częściowo puste elementy są lżejsze i szybciej się wychładzają. – Redukcja czasu trwania cyklu to główna zaleta tego rozwiązania. – mówi Ciliberti. Puste struktury elementów pozwalają inżynierom na ich usztywnianie bez zwiększania grubości ścian.

W przypadku firmy Cequent wykorzystano wszystkie zalety rozwiązania. Dwuelementowa plastikowa platforma waży zaledwie 6,5 kg, czyli o 25% mniej od porównywalnej kraty stalowej oraz o 15% mniej od elementu wykonanego z aluminium. Platforma jest odporna na odkształcenia i może pomieścić ciężar do 226 kg.

Ciliberti mówi, że usunięcie materiału zredukowało wagę części o 5% w porównaniu z elementami wykonanymi z litego plastiku. Rozwiązanie skróciło czas realizacji cyklu o 40% i wygenerowało 1 USD oszczędności na części. – Gazowe plastiki kosztują 25% mniej niż elementy stalowe oraz 30% mniej niż aluminium – dodaje Ciliberti.

Zlecenie realizowane dla firmy Cequent dotyczy kompozytów termoplastycznych, ale, jak mówi Ciliberti, technologia może zostać również zastosowana do kompozytów utwardzanych termicznie.

Autor: Joseph Ogando