W czasach rosnącego znaczenia efektywności energetycznej przemysł automotive wdraża nowe technologie produkcji samochodów i poszukuje innowacyjnych materiałów, które uczynią je bezpieczniejszymi, a jednocześnie lżejszymi. Ciekawą propozycją oprócz rozwiązań stosowanych w przemyśle kosmicznym, jak włókna węglowe czy kevlar, mogą okazać się innowacyjne spienione tworzywa sztuczne.
Włókno węglowe – właściwości i zastosowanie
Popularnie nazywane karbonem włókno węglowe to w rzeczywistości kompozyt zbrojony włóknem węglowym, czyli CFRP, od angielskiej nazwy Carbon Fiber Reinforced Plastics. Zazwyczaj przyjmuje on postać wielowarstwowej tkaniny pokrytej żywicą, która cechuje się minimalną masą, a przy tym niezwykłą odpornością mechaniczną. Karbon posiada nawet czterokrotnie większą wytrzymałość na rozciąganie niż wysokogatunkowa stal, a jednocześnie jest niezwykle giętki, dzięki czemu znalazł zastosowanie między innymi w budowie samolotów, statków kosmicznych, a także samochodów sportowych. Najsłynniejszym przykładem samochodu, do którego produkcji użyto włókna węglowego, jest Lexus LFA. Jego nadwozie składa się w 65% właśnie z tego materiału.
Produkcja elementów z włókna węglowego – jak się odbywa i co powstaje z kompozytu węglowego?
Wytrzymałość włókna węglowego pozwala nie tylko na wykonywanie z niego elementów nadwozia samochodu, takich jak dach czy pokrywa bagażnika, lecz także niektórych części mechanicznych czy komponentów wnętrza, między innymi słupków czy paneli podłogi. Do produkcji części z karbonu stosuje się formy odpowiadające kształtowi finalnego wyrobu. Mogą być one wypełniane na cztery różne sposoby. Pierwszy i najbardziej pracochłonny z nich polega na układaniu warstw tkaniny, które są następnie ręcznie przesycane żywicą. Druga metoda zakłada użycie tzw. preimpregnatów, czyli wstępnie nasyconych żywicą warstw. Trzecia technologia to Resin Transfer Molding, czyli ciśnieniowe wypełnianie żywicą formy z już ułożonymi warstwami tkaniny. Ostatnia i najszybsza metoda nazywana C-SMC (Carbon Fiber Reinforced Sheet Molding Compound) polega na wtryskiwaniu do formy żywicy zmieszanej z drobno pociętymi włóknami. Wadą zbrojenia kompozytowego wykonanego tą metodą jest jednak mniejsza wytrzymałość. Ostatnim etapem produkcji w każdym z tych przypadków jest wygrzewanie elementów z włókna węglowego przez kilka godzin w temperaturze około 180°C. Po utwardzeniu żywicy mogą być one następnie poddane obróbce mechanicznej.
Czy włókno węglowe jest szkodliwe?
Włókno węglowe posiada szereg doskonałych właściwości, jednak wiele osób zastanawia się, jaki jest jego wpływ na ludzkie zdrowie. Gotowe, pokryte żywicą produkty z karbonu są zupełnie bezpieczne. Włókna węglowe wywierają szkodliwe działanie jedynie na etapie produkcji, podczas ich cięcia. Mikrowłókna powodują podrażnienia i uszkodzenia skóry, co może prowadzić do dalszych infekcji. Pył z włókna szklanego działa drażniąco również na oczy, a długotrwale wdychany wraz z powietrzem – może nawet powodować zwłóknienie i nowotwór płuc. Dlatego osoby pracujące na co dzień przy produkcji wyrobów z włókien węglowych noszą odpowiednie ubranie ochronne i maskę wyposażoną w specjalny filtr.
Kevlar – zastosowanie w budowie aut
Czym jest kevlar, a właściwie włókna aramidowe? To syntetyczny polimer, który został przypadkowo wynaleziony w latach 60. XX wieku w Stanach Zjednoczonych. Zespół badaczy poszukiwał wówczas lekkiego i wytrzymałego tworzywa, które mogłoby zastąpić gumę w oponach, co miało umożliwić zmniejszenie zużycia benzyny. W efekcie udało się uzyskać bardzo wytrzymały polimer o wysokim stopniu uporządkowania cząsteczek, który jest ponad pięć razy lżejszy od stali i posiada bardzo wysoką wytrzymałość na rozciąganie wynoszącą aż 3620 MPa. Aby zerwać włókna aramidowe, trzeba użyć dwukrotnie większej siły niż w przypadku włókien węglowych i aż czterokrotnie większej niż w przypadku stali. W motoryzacji jest używany na szeroką skalę w budowie nadwozi lekkich samochodów wyścigowych i do jazdy wyczynowej, ale nie tylko. Można go znaleźć również w popularnych modelach samochodów, gdzie służy do wzmacniania newralgicznych elementów, takich jak np. paski rozrządu czy węże chłodnicy. W sportach motorowych pełni on również ważną funkcję ochrony sprzęgła jako komponent specjalnych okładzin.
Zobacz też: Usługa wtrysku tworzyw sztucznych – przebieg procesu formowania wtryskowego w Knauf
Obijanie sprzęgła kevlarem – co daje?
Okładzina cierna z włóknem kevlarowym jest bardzo wytrzymała nawet w wysokich temperaturach, dzięki czemu bez problemu przenosi większy moment obrotowy silników dużej mocy, jakie są stosowane między innymi w samochodach sportowych czy terenowych. Zapewnia zdecydowanie wyższą żywotność sprzęgła niż tradycyjne okładziny, dlatego jest zalecana w przypadku trudnych warunków eksploatacji.
Właściwości i zastosowanie grafenu
Grafen to supermateriał, którego wszystkich możliwości współczesna nauka jeszcze w pełni nie odkryła. Materiał o dwuwymiarowej strukturze złożonej z cząsteczek węgla tworzących wzór idealnego sześciokąta jest lżejszy i wytrzymalszy niż włókno węglowe i kevlar. Jeden kilometr kwadratowy grafenu waży jedynie 757 gramów, a przy tym jest on niezwykle elastyczny i posiada doskonałe właściwości elektryczne. To idealny materiał nie tylko do produkcji super-lekkich karoserii, ale w przyszłości może także posłużyć do produkcji np. niezwykle wydajnych baterii czy nawet zwijanych w rolkę wyświetlaczy dotykowych. Obecnie do najnowszych zastosowań grafenu w motoryzacji można zaliczyć produkcję antykorozyjnych lakierów samochodowych, nadkoli, a także eksperymentalnego poszycia lekkiej, jednoosobowej wyścigówki. Użyty do jej produkcji grafen miał być 20% lżejszy niż włókno węglowe i nawet 200 razy wytrzymalszy niż stal.
Spieniony polipropylen EPP – właściwości i zastosowanie materiału
Wśród innowacji materiałowych w branży motoryzacyjnej nie może zabraknąć EPP, czyli materiału, który początkowo znalazł szczególne uznanie w modelarstwie, a następnie konstrukcjach zderzaków samochodowych. Materiał o lekkiej, spienionej strukturze jest złożony w 95% z powietrza, dlatego elementy samochodowe z EPP są o około 50% lżejsze niż ich odpowiedniki z tradycyjnych tworzyw sztucznych, a przy tym niezwykle wytrzymałe. Połączenie mechanicznej odporności i minimalnego ciężaru sprawia, że EPP jest niekiedy porównywane z włóknem węglowym. Jego ważną cechą wyróżniającą jest tzw. pamięć kształtu. Pod wpływem uderzenia nie ulega on trwałemu odkształceniu, lecz wraca do poprzedniej postaci. Dzięki temu zrewolucjonizował już produkcję komponentów odpowiedzialnych za bezpieczeństwo, jak zagłówki, bazy foteli, słupki samochodowe czy wypełnienia drzwi samochodów. Ze względu na doskonałe właściwości izolacyjne, akustyczne i elektryczne, materiał ten znalazł również przyszłościowe zastosowanie przy produkcji zestawów akumulatorowych do samochodów elektrycznych, a także magazynów wodoru. Proces produkcji komponentów z EPP jest bardzo łatwy i polega na spienianiu żywicy polipropylenowej, a następnie wtryskiwaniu do formy pianki pod niskim ciśnieniem.
Włókno węglowe, grafen, kevlar czy EPP? – podsumowanie zastosowań i właściwości
Wyścig technologiczny, którego finałem ma być ultralekka i super wytrzymała konstrukcja samochodu, wciąż trwa. Materiały, takie jak włókno węglowe, grafen czy kevlar wciąż nie są rozpowszechnione w masowej produkcji na szeroką skalę ze względu na stosunkowo wysokie ceny. Dla porównania formowanie wtryskowe komponentów z EPP to znana i łatwo dostępna technologia, która pozwala na szybką i ekonomiczną produkcję powtarzalnych elementów nawet o bardzo skomplikowanych kształtach czy z dodatkowymi insertami z różnych materiałów. Metody produkcyjne stosowane w naszych 44 zakładach rozlokowanych w 9 krajach umożliwiają precyzyjne dopasowanie wszystkich parametrów wyrobu do indywidualnych potrzeb projektowych.