Zastosowania polimerów i kompozytów polimerowych w środkach transportu

Zastosowania polimerów i kompozytów polimerowych w środkach transportu.
Cz. I. Zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym.
Anna G. Dmitruk, Jacek W. Kaczmar

Streszczenie: Przedstawiono wybrane zastosowania elementów z polimerów i kompozytów polimerowych w przemysłach: motoryzacyjnym, lotniczym i okrętowym. Przedstawiono przykłady oraz omówiono charakterystyki materiałowe opisanych elementów ze szczególnym uwzględnieniem ich właściwości wytrzymałościowych.
1.Wprowadzenie.
Tworzywa polimerowe i materiały kompozytowe mogą z powodzeniem konkurować ze stopami metali pod względem właściwości wytrzymałościowych. Następstwem tego jest powiększający się udział tworzyw polimerowych w budowie środków transportu – produktach przemysłu motoryzacyjnego, lotniczego i okrętowego. W przemyśle motoryzacyjnym istnieje mocny trend obniżania masy pojazdów w celu poprawienia ich parametrów eksploatacyjnych oraz zmniejszenia kosztów produkcji. Taką samą tendencję obserwujemy również w przemyśle lotniczym, a także w ostatnich latach w przemyśle okrętowym.
Kompozyty polimerowe stanowią grupę materiałów stosowanych w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym i morskim. Oprócz bardzo dobrych właściwości mechanicznych, kompozyty polimerowe charakteryzują się wysoką odpornością na korozję, łatwością formowania, pochłanianiem drgań mechanicznych, a także brakiem przewodnictwa elektrycznego i małym przewodnictwem cieplnym.
Na przykładzie wyżej wymienionych gałęzi przemysłu zostały przedstawione wybrane elementy wykonane z tworzyw polimerowych i kompozytów polimerowych z wyszczególnieniem ich charakterystyk wytrzymałościowych oraz zastosowaniami.

2.Zastosowania polimerów i kompozytów polimerowych w przemyśle motoryzacyjnym.

Z tworzyw polimerowych w przemyśle motoryzacyjnym wytwarza się takie elementy jak: deski rozdzielcze, zbiorniki paliwa, listwy, zderzaki, przewody, felgi, kołpaki, pokrywy silnika, spojlery, owiewki, nakładki na pedały, ramki do tablic rejestracyjnych, osłony rozrządu silnika, obudowy lusterek, pokrywy bagażnika, obudowy akumulatorów, wykładziny dywanowe, korpusy, kraty wlotu powietrza, błotniki oraz części poszycia zewnętrznego [1, 2]. Obecnie udział tworzyw polimerowych w pojazdach samochodowych wynosi średnio 10-20% ich masy i przeciętny samochód osobowy zawiera już ok. 750 części wykonanych z tworzyw polimerowych [1]. Wykorzystywane tworzywa sztuczne to najczęściej: poliuretan (PUR), polipropylen (PP), akrylonitryl-butadien-styren (ABS), poliamid (PA), poliwęglan (PC), polichlorek winylu (PVC), politlenek fenylenu (PPO), politereftalan butylenu (PBT) [2, 3].
Firmy Smart i BASF (Niemcy) wspólnie opracowały koncepcję innowacyjnego pojazdu, pod względem małej ilości zużywanej energii oraz lekkości konstrukcji (rys.1) [4]. Pierwszym z nowych rozwiązań zastosowanym w samochodzie Smart Forvision jest jego lekka, w pełni zastępująca metalową, kompozytowa konstrukcja nadwozia, która umożliwia znaczne obniżenie masy, a co za tym idzie zwiększenie zasięgu pojazdu. Zaproponowana przez BASF technologia Baxxodur® oparta na wytwarzaniu kompozytu z żywicy epoksydowej wzmacnianej włóknem węglowym znalazła zastosowanie w konstrukcji nadwozia w samochodzie Smart Forvision. Zastosowanie materiału kompozytowego przekłada się na zysk w postaci obniżenia masy nadwozia do 150 kg. Kolejnym projektem prowadzonym dla samochodu Smart Forvision jest opracowanie technologii wytwarzania felg wykonanych z kompozytu na osnowie polimerowej wzmacnianych włóknami szklanymi, z materiału o nazwie Ultramid®Structure. Materiał ten składa się z osnowy z poliamidu wzmocnionego długimi włóknami szklanymi i charakteryzuje się doskonałą stabilnością termiczną i chemiczną, wytrzymałością na obciążenia dynamiczne i dobrą trwałością. Polimerowa felga jest o 3 kg lżejsza od metalowej, co daje w sumie 12 kg mniejszą masę każdego pojazdu. Ze względu na obniżenie masy samochód ten staje się bardziej przyjazny dla środowiska ze względu na mniejszą emisję spalin. W porównaniu do samochodów z konwencjonalnymi metalowymi felgami Smart Forvision zużywa ok. 0,05 litra na 100 km paliwa mniej i emituje 1 g/km mniej CO2. Felgi te zostały poddane testom zmęczeniowym, takim samym jakim poddaje się felgi stalowe i aluminiowe. Po przeprowadzeniu crash-testów, a także sprawdzeniu odporności na uderzenia w krawężnik i reakcję na jazdę z wysoką prędkością uzyskano zadowalające rezultaty i wysnuto wniosek, że taka felga będzie nadawała się do produkcji masowej, również dla innych pojazdów: motocykli, autobusów a nawet samochodów ciężarowych [5].

Rys. 1. Samochód Smart Forvision [6].
Zaangażowanie firmy BASF w badania nad obniżeniem masy pojazdów samochodowych jest szczególnie widoczne od połowy 2011 roku. Wiodącą koncepcją jest rozwój wzmacnianych włóknami wysoko wytrzymałych kompozytów polimerowych.
Opel Astra w modelu Sport Coupe (po raz pierwszy zaprezentowany na Geneva Auto Show w marcu 2012 roku) jest wyposażony w lekkie, innowacyjne siedzenia wykonane z termoplastycznego laminatu wzmocnionego ciągłym włóknem szklanym [7].
Firmy LG Hansys, Hyundai Motor i Shinan Motor (Korea Płd.) wspólnie zaprojektowały innowacyjną, lekką obudowę modułu akumulatora (rys.2). Stworzona z myślą o pojazdach elektrycznych część ta jest wykonana z Poliamidu 6 (Kolon Plastics), wzmocnionego włóknem węglowym (Toray Industries). Porównanie tego elementu wykonanego z kompozytu polimerowego do odpowiedniego wyrobu stalowego przedstawiono poniżej:

•Redukcja masy o 26% (z 35 do 24 kg),
•Integracja funkcji, liczba części zmniejszona o 91% (z 35 do 3 na pojazd),
•Brak konieczności malowania antykorozyjnego,
•Redukcja kosztów dzięki wytwarzaniu na gotowo (bez operacji pośrednich),
•Zwiększona efektywność pojazdu dzięki redukcji masy,
•Doskonałe możliwości recyklingu (tworzywa termoplastyczne) [8].

Rys. 2. Pokrywa modułu akumulatora opracowana przez firmy LG Hansys, Hyundai Motor, Shinan Mold (Korea Płd.) [9].
Firma Lanxess [10] jest firmą działającą w sektorze chemicznym w Belgii (Lillo i Kallo), Niemczech (Krefeld-Uerdingen i Hamm-Uentrop) i w Chinach (Wuxi). Jest wiodącym producentem termoplastów wzmacnianych włóknem szklanym. Posiada ogromne doświadczenie w zakresie technologii wytwarzania kompozytów hybrydowych (metal-tworzywo polimerowe). Obecnie firma Lanxess prowadzi intensywne badania nad doskonaleniem wyrobów polimerowych umacnianych włóknami szklanymi i jest to spowodowane wzrostem zastosowań kompozytów wzmacnianych włóknami ciągłymi. Obecnie Firma Lanxess skupia się na zaawansowanych technologicznie inwestycjach w dziedzinie kompozytów polimerowych, gdzie zastosowanie znajdują procesy wytwórcze typu: „one-shot” i „in-mould forming” zapewniające korzyści płynące z szybkiej produkcji elementów polimerowych, oraz gdzie duże znaczenie ma powtarzalna jakość wyrobów. Przykładowym produktem jest poliamidowa płyta kompozytowa wzmocniona do 30% włóknami szklanymi, które są wprowadzone do osnowy. Główną zaletą poliamidu jest dobra adhezja do włókien szklanych. Dotychczas kompozytowe płyty poliamidowe były wykorzystywane w samochodzie Audi A8 i były produkowane przez firmę Bond-Laminates pod nazwą Durethan®BKV 30 H2.0 EF.
Firma Henkel opracowała nowy rodzaj osnów polimerowych do zastosowań w budowie samochodów z materiału na bazie poliuretanu o nazwie handlowej Loctite MAX 2 [11], który w porównaniu z powszechnie stosowaną żywicą epoksydową utwardza się zdecydowanie szybciej.
Ze względu na wymóg lekkości pojazdów elektrycznych i hybrydowych konieczne jest zmniejszenie zużycia paliwa, a co za tym idzie emisji CO2 oraz kosztów wytwarzania. Mając to na uwadze firma Bayer [12] wprowadziła nowe materiały poliuretanowe do zastosowań w motoryzacji. Bayflex®RIM jest materiałem złożonym z poliuretanu połączonego ze specjalnymi wypełniaczami charakteryzującymi się dużą stabilnością cieplną, niską absorpcją wilgoci, niską rozszerzalnością cieplną, wysoką odpornością na uderzenia. Wykorzystanie tego materiału zmniejsza ciężar elementów o ok. 30%. Bayflex®RIM został wyprodukowany metodą wtryskiwania reaktywnego RRIM i przewiduje się zastosowanie tych materiałów w budowie lżejszych autobusów, pociągów, samolotów oraz okrętów.
Australijska fundacja Autohorizon [13], z pomocą ponad 90 sponsorów (m.in. Victorian Centre for Advanced Materials Manufacturing – VCAMM, Holden, Boeing Aerostructures Australia, The Automotive Centre of Excellence – ACE and GMS Composites) opracowała unikalną konstrukcję skorupową nadwozia samochodu sportowego. Zostało ono uformowane w autoklawie z materiału GMS EP270 – prepregu epoksydowo-węglowego produkowanego i dostarczanego przez firmę GMS Composites. Wymiary kabiny to ok. 2 x 1,5m, zaś jej masa to jedynie 80 kg. Gotowy element poddano analizie wytrzymałościowej metodą elementów skończonych (FEA) w Australia Future Fibres Research & Innovation Centre w Deakin University of Melbourne. Przeprowadzone badania wykazały zadowalającą sztywność wzdłużną, poprzeczną oraz skrętną nadwozia.
Roding Roadster (rys.3) to dwumiejscowy samochód sportowy wykonany w większości z materiałów kompozytowych [14], którego podwozie wykonane z kompozytów wzmacnianych włóknem węglowym zapewnia bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe, wpływając na dużą stabilność i dynamikę jazdy. Jedną z innowacji w tym projekcie jest zastosowanie kompozytowej ramy szyby przedniej, w której włókno wzmacniające jest oplatane na rdzeniu kształtowym. Wykonany z pianki rdzeń może pozostać w elemencie powodując wzrost masy o ok. 1.8 kg lub zostać usunięty. Proces wytwarzania oparty jest na metodzie infuzji ciśnieniowej żywicami RTM (Resin Transfer Moulding).

Rys. 3. Samochód sportowy Roding Roadster [15].
Prototyp samochodu Lola-Drayson (rys.4) jest wykonany z recyklatu wzmocnionego włóknem lnianym. Zaprojektowano go z myślą o mistrzostwach FIA Formuły E w 2013 roku. W trakcie badań nad materiałem poddano go testom wytrzymałościowym. Zastosowane wzmocnienie z włókna lnianego wykazuje właściwości mechaniczne zbliżone to włókna szklanego, przy jednocześnie niższej wadze, zredukowanej szkodliwości dla środowiska oraz wyjątkowo korzystnej własności tłumienia drgań mechanicznych [16].

Rys. 4. Samochód wyścigowy Lola-Drayson [17].
Nowością są również modułowe termoplastyczne zderzaki do samochodów ciężarowych (rys.5). Dotychczas zderzaki w ciężarówkach MAN były wytwarzane w oparciu o technikę SMC (Sheet Moulding Compound). Zamiast tego całe części wytwarzane są z kilku komponentów jednocześnie na modułowej podstawie na przykład z poliamidu i poliestru dostarczanego przez firmę Lanxess. Zderzaki dla samochodów ciężarowych MAN TGX oraz TGS są produkowane przez grupę Magna Exteriors & Interiors, zaś zderzaki dla modeli TGL i TGM są produkowane przez firmę Werkzeugbau Karl Krumpholz GmbH & Co.KG-Kunststofftechnik. Obudowa przednich reflektorów jest wykonana z poliamidu 6 (PA6) wzmacnianego 60% włókna szklanego. Zaprojektowana konstrukcja spełnia warunek niezbędnej wysokiej wytrzymałości takiego elementu a ponadto dzięki wysokiej sztywności poliamidu 6 zbrojonego włóknem szklanym, światła reflektorów są bardzo stabilne podczas eksploatacji samochodu ciężarowego [18].

Rys. 5. Modułowy termoplastyczny zderzak do samochodów ciężarowych [19].
Firma Asahi Kasei Plastics North America Inc. wyprodukowała materiał o nazwie Thermylene®, który jest odpowiednikiem LGPP (Long-Glass-Fibre-Reinforced-Polypropylene), charakteryzujący się bardzo dobrymi właściwościami mechanicznymi, lecz o 20% niższymi kosztami wytwarzania aniżeli materiały dotychczas stosowane. Materiał ten charakteryzuje się dużą twardością oraz wysokimi modułami sztywności podłużnej i poprzecznej w szerokim zakresie temperatur. Potencjalne zastosowania dla materiału Thermylene® przewiduje się w motoryzacji m. in.: zderzaki, półki bagażowe, moduły gazu/hamulca/sprzęgła [20].
Pasy przednie samochodów można wytwarzać bez udziału blach stalowych czy aluminiowych. Jako przykład można wymienić pas przedni samochodu Skoda Octavia produkcji Faurecii Kunststoffe Automobilsysteme GmbH wytwarzany z wysokowytrzymałego poliamidu firmy Lanxess. Pas ten charakteryzuje się cienkimi ściankami, niską masą elementu, dużą sztywnością, wysoką wytrzymałością mechaniczną, dobrą jakością powierzchni oraz dobrym płynięciem w temperaturze przetwórstwa, co ułatwia proces wtryskiwania do formy.
Drugim przykładem jest pas przedni samochodu VW Golf 7 (rys.6) powstały przy współpracy firm Volkswagen i BASF, wykonany ze wspomnianego wcześniej Ultramidu® [21,22].

Rys. 6. Pas przedni samochodu VW Golf 7 (VW i BASF) [20].
Firma Ticona (Brazylia, Niemcy, USA) produkuje tworzywo termoplastyczne wzmocnione długimi włóknami (LFT) o nazwie Celstran, z którego wytwarza się np. dźwignie zmiany biegów. Tworzywo Celstran wykorzystuje się również do produkcji podstaw akumulatora (PP-GF40), dźwigni szafek elektrycznych (PA66 – GF50), uchwytów i opraw lusterek (PP-GF50)” [23].
Firma Chevrolet jest największą globalną marką koncernu General Motors (USA) i produkuje również samochody sportowe. Najnowszym modelem sportowym wytwarzanym przez tą firmę jest Chevrolet Corvette Z06 2013 o masie jedynie 1451 kg przy mocy 368 kW. Stosunek mocy do masy dla tego samochodu jest lepszy aniżeli w samochodach takich jak Aston Martin DBS, Porsche 911 Turbo oraz Nissan GT-R. Osiągnięto to dzięki zastosowaniu materiałów kompozytowych do produkcji niektórych elementów. Po raz pierwszy Chevrolet Corvette z nadwoziem wykonanym z włókna szklanego wyprodukowano w 1953 roku. W 1973 roku zamiast włókna szklanego do produkcji nadwozia zaczęto stosować kompozyt SMC. W najnowszym modelu z kompozytu polimerowego wzmacnianego lekkimi włóknami węglowymi wykonano również maskę silnika, błotniki oraz panele podłogi [24].
W 1955 r. w NRD wyprodukowany został samochód Trabant, którego poszycie było wykonane z kompozytu na osnowie żywicy fenolowej wzmacnianej włókniną bawełnianą [2]. Kolejną i mniej znaną ciekawostką jest to, że Henry Ford w latach 30. i 40. XX w. propagował stosowanie alternatywnych materiałów w motoryzacji, takich jak włókna naturalne, a zwłaszcza konopne. W 1941 r. w fabryce Forda skonstruowano samochód napędzany produktami roślinnymi, a elementy karoserii wykonano z kompozytów wzmacnianych włóknami konopnymi [23].
Dzisiejsze przodujące marki samochodowe prześcigają się w opracowywaniu zastosowań dla nowych materiałów i kompozytów polimerowych. Nowe modele samochodów Porsche posiadają silniki, w których układ dolotowy, ujęcie powietrza oraz osprzęt silnika są wykonane z poliamidu (PA) [2]. Samochody BMW są wyposażone w innowacyjne miski olejowe wykonane z kompozytów polimerowych. Zaletą takiego rozwiązania będzie oczywiście zmniejszenie wagi pojazdu, a co za tym idzie mniejsze zużycie paliwa oraz spadek emisji CO2 [2]. W 2004 roku firma BMW zastosowała do produkcji swoich samochodów 10 000 t włókien naturalnych (len, sizal, bawełna, włókna drzewne) [23].
Samochód Citroën DS3 o mocy 440 kW jest unikalnym samochodem rajdowym, który posiada elementy wykonane ze specjalnego kompozytu umacnianego włóknami węglowymi oraz aramidowymi o nazwie handlowej Kevlar®. Ten wyjątkowy pojazd kierowany przez Pettera Solberga brał udział w cyklu European Rallycross Championship. Materiał kompozytowy włókna węglowe-Kevlar został opracowany przez zespół z firmy Galway Carbon i wykonano z niego elementy dla samochodu Citroën DS3 stosując jako osnowę żywicę akrylową Crestapol® 1250LV. Elementy wykonane z tego kompozytu to m.in.: maska, pokrywa bagażnika, zderzaki i drzwi od strony kierowcy. Dodatkowo maska samochodu została wypełniona rdzeniem z pianki w celu redukcji masy. Zastosowanie kompozytu pozwoliło na obniżenie masy części o ok. 82-89% – w sumie o 56 kg. Na przykład, stalowa pokrywa bagażnika o masie 16 kg została zastąpiona pokrywą kompozytową o masie 1,8 kg. Zastosowanie Kevlaru jako materiału umacniającego zapewnia zwiększoną sztywność, wytrzymałość mechaniczną oraz lekkość konstrukcji [25].

Literatura:

[1] Troska-Grudzień J. „Tworzywa w przemyśle motoryzacyjnym pomagają obniżyć wagę samochodu” PlastNews 7-8’2011, s. 29-33.
[2] Gibas E. „Tworzywa w motoryzacji pomagają obniżyć wagę samochodu” PlastNews 2’2013, s. 29-31.
[3] Troska-Grudzień J. „Tworzywa w motoryzacji – tuning samochodowy” PlastNews 11’2011, s. 24-29.
[4] http://www.basf.es/ Data korzystania: 17.05.2013
[5] http://www.smartforvision.basf.com/ Data korzystania: 06.04.2013
[6] http://newupcomingcars.com/basf-comes-with-smart-forvision/ Data korzystania: 12.10.2013
[7]Hoven-Nievelstein W. “A lightweight composite team for automotive applications” JEC COMPOSITES MAGAZINE No75 August – September 2012, s. 12-13.
[8] “A new type of battery pack module carrier” JEC COMPOSITES MAGAZINE No73 June 2012, s. 17.
[9] http://csmres.co.uk/cs.public.upd/article-images/LG-Hausys.JPG/ Data korzystania: 12.10.2013
[10] Meier H. “Lanxess, the only fully integrated producer of glass reinforced thermoplastic” JEC COMPOSITES MAGAZINE No70 January – February 2012, s. 4-5.
[11] “Polyurethane matrix resin for automotive composites” JEC COMPOSITES MAGAZINE No71 March 2012, s. 73.
[12] Meyer B. “Lighter than water” JEC COMPOSITES MAGAZINE No74 July 2012, s. 40.
[13] Weller S. “Out-of-autoclave CF monocoque sports car cockpit chassis” JEC COMPOSITES MAGAZINE No76 October – November 2012, s. 81-82.
[14] Kollmannsberger A., Brand M., Drechsler K. “Braiding a convertible windscreen frame with concave sections” JEC COMPOSITES MAGAZINE No74 July 2012, s. 24-25.
[15] http://www.themotorreport.com.au/53725/roding-roadster-ready-to-rumble/ Data korzystania: 12.10.2013
[16] Cozien-Cazuc S. “Recycled and flax-reinforced composites for the Lola-Drayson prototype” JEC COMPOSITES MAGAZINE No74 July 2012, s. 34-35.
[17]http://www.theengineer.co.uk/opinion/viewpoint/britain-is-well-placed-to-lead-the-way-to-the-electric-car-future/1014375.article/ Data korzystania: 12.10.2013
[18] “New thermoplastic modular truck bumpers” JEC COMPOSITES MAGAZINE No81 May-June 2013, s. 14.
[19]http://www.plasticstoday.com/articles/polyamide-polyester-displace-smc-modular-truck-bumper-injection-20130415a Data korzystania: 12.10.2013
[20] Iyer R. “New long-glass-fibre-reinforces polypropylene for automakers” No82 July 2013, s. 33.
[21] “New sheet metal free structure” No82 July 2013, s. 34.
[22] http://www.basf.com/group/pressrelease/P-13-128 Data korzystania: 12.10.2013
[23] Gajlewicz I., Lenartowicz M. „Dodatki do tworzyw stosowanych w motoryzacji” PlastNews 2’2013, s. 34-38.
[24] Historia lekkich konstrukcji modelu Corvette, Materiały kompozytowe 4/2012, s. 5-6.
[25] Grealish B., Gray N. “World Rally Champion’s super-car benefits from lightweight composite body panels” JEC COMPOSITES MAGAZINE No82 July 2013, s. 36-37.

Autorzy:
inż. Anna G. Dmitruk jest studentką na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej.

Dr hab. inż. Jacek W. Kaczmar Prof. PWr jest kierownikiem Laboratorium Tworzyw Sztucznych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej.