Materiały konstrukcyjne w nowoczesnych pojazdach samochodowych [cz. 2]

Materiał kompozytowy to tworzywo złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Jednym z jego składników jest osnowa (nadająca kompozytowi twardość, elastyczność i odporność na ścieranie), a drugim materiał konstrukcyjny (wzmacnia kompozyt). Rolą osnowy jest ochrona materiału wzmacniającego i przenoszenie naprężeń zewnętrznych. Materiał konstrukcyjny odpowiedzialny jest za zapewnienie kompozytowi wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienie osnowy w różnych kierunkach.

Materiał kompozytowy to tworzywo złożone z dwóch lub więcej komponentów o różnych właściwościach. Jednym z jego składników jest osnowa (nadająca kompozytowi twardość, elastyczność i odporność na ścieranie), a drugim materiał konstrukcyjny (wzmacnia kompozyt). Rolą osnowy jest ochrona materiału wzmacniającego i przenoszenie naprężeń zewnętrznych. Materiał konstrukcyjny odpowiedzialny jest za zapewnienie kompozytowi wysokich właściwości mechanicznych i wzmocnienie osnowy w różnych kierunkach.

Opisywane materiały są coraz szerzej stosowane. Wynika to z ich korzystnych właściwości w zakresie wytrzymałości i sztywności. Co najważniejsze, charakteryzują się zdecydowanie mniejszą masą własną od materiałów tradycyjnych. Właściwości kompozytu są zależne od właściwości fizycznych osnowy i materiału wzmacniającego oraz względnej zawartości osnowy i wzmocnienia w materiale. Można opisać to wzorem: Vo+Vw= 100%, w którym Vo to osnowa, a Vw to wzmocnienie. Przykładowo w kompozytach wzmacnianych włóknami wyróżnia się osnowy polimerowe, metalowe i ceramiczne.

Do wykonania materiałów wzmacniających służą zwykle: włókna węglowe, włókna szklane, włókna aramidowe, włókna ceramiczne czy włókna borowe. Rozróżnia się również materiały włókniste długie (inaczej nazywane ciągłymi) oraz krótkie (nazywanymi nieciągłymi). Do zalet kompozytów polimerowych z włóknami długimi w porównaniu z tym samym materiałem z włóknami krótkimi należą:

• włókna szklane,
• włókna węglowe,
• włókna aramidowe.

Ze względu na niską cenę i dobre właściwości mechaniczne często używa się kompozytów z włókna szklanego, nazywanych GFRP (ang. Glass Fibre Reinforced Plastics). Jednak nie wszystkie konstrukcje mogą być wykonane z najtańszych materiałów. Konstrukcje występujące np. w elementach samolotów pasażerskich bądź wojskowych budowane są z lepszych materiałów. Dlatego też wykorzystuje się kompozyty z włókna węglowego, nazywane CFRP (ang. Carbon Fibre Reinforced Plastics) lub z włókna aramidowego - AFRP (ang. Aramid Fibre Reinforced Plastics). Charakteryzują się one wyższą wytrzymałością, większą sztywnością i mniejszą masą własną. Lepsze właściwości kompozytów CFRP i AFRP przekładają się na wyższą cenę. Jednak przy wyżej wymienionych konstrukcjach cena jest drugo- albo nawet i trzeciorzędną sprawą.

Stosowanie materiałów kompozytowych w tej branży staje się coraz bardziej popularne. Dla przykładu w 2004 roku w USA użycie polimerów w transporcie wśród materiałów wyniosło 8,4%. W Europie poziom ten to aż 10%. Główne zalety wykorzystania tych materiałów w pojazdach to zmniejszenie masy, a co za tym idzie - niższe zużycia paliwa, oraz poprawa sztywności konstrukcji do 40% w stosunku do konstrukcji stalowych.

Jednym z pierwszych aut, w których zastosowano w dużej mierze kompozyty, było Porsche Carerra GT (produkcja 2004-2006). Do konstrukcji jego podwozia użyto kompozytów CFRP z osnową z żywicy epoksydowej. Kolejny przykład to Bugatti Veyron. Jest on w dużym stopniu wykonany z włókien węglowych. Również w Audi wykorzystuje się kompozyty. Na przykład model A8 W12 można doposażyć w ceramiczne tarcze hamulcowe zrobione z węglika krzemu (oznaczenie chemiczne: SiC) wzmacnianego włóknami węglowymi. Pozwala to zmniejszyć masę do 5 kg przy jednoczesnej poprawie właściwości układu hamulcowego (bardziej efektywne hamowanie, mniejsza podatność tarcz na nagrzewanie się, mniejsza podatność na zużycie).

Obecnie materiały polimerowe znajdują zastosowanie w ponad 1000 elementów samochodu. Tak zwane tworzywa wielkocząsteczkowe stanowią 10-15% masy samochodu osobowego średniej klasy. Najwięcej polimerów (ok. 60%) używa się do wykończenia wnętrza, w nadwoziu jest ich ok. 30%. Reszta jest przeznaczona na osłony jednostki napędowej i elementy wykończenia podwozia.

Przemysł motoryzacyjny to nie tylko pojazdy, ale również maszyny, które je wytwarzają. Wykorzystanie kompozytów z włókien węglowych do budowy maszyn pracujących w fabrykach pojazdów zmniejsza ich masę, a co za tym idzie - odciążone są elementy obrotowe, takie jak wrzeciona.

Stosowanie materiałów kompozytowych w motoryzacji jest przyszłościowe i będzie rozpowszechniane w coraz szerszym zakresie. Obecnie są one wykorzystywane również w motosporcie w celu obniżenia masy pojazdów, a w niektórych przypadkach także po to, aby wzmocnić konstrukcję. Przykładowo nadkola samochodów przystosowanych do driftu wykonane są z kompozytów, materiałów tych używa się też w bolidach formuły F1. Również nadwozia samochodów i konstrukcje nośne w dużej mierze zrobione są z włókna węglowego. Poprawia to jakość konstrukcji, zmniejsza masę pojazdu, obniża zużycie paliwa oraz, co istotne, ogranicza emisję substancji szkodliwych (obecnie jest to priorytet przy budowie nowoczesnych samochodów).

Ustalenia Unii Europejskiej dotyczące pojazdów samochodowych do 3,5 ton narzucają firmom motoryzacyjnym, aby do 2015 roku odzyskiwały i przetwarzały 95% materiałów użytych do produkcji pojazdów. Jest to kolejny argument przemawiający za wykorzystaniem w bardzo szerokim zakresie materiałów kompozytowych.

Źródło: Oczoś K. E. „Kompozyty włókniste właściwości, zastosowanie, obróbka ubytkowa”. Miesięcznik naukowo-techniczny „Mechanik”. Nr. 7/2008 • R. TETI: Machining of composite materials. Ann. CIRP, 51 (2002) • O. STAUSS: Kohlenstofffaserversta¨rkte Kunststoffe (CFK). Unschlagbar leicht und stabil. Industrie-Anzeiger, 128 (2006) • Design News Polska: Konstrukcje aluminiowe będą konkurować z kompozytowymi tworzywami sztucznymi. Nr 2, 2008 • E. ABELE, M. KREIS, M. WEIGOLD: Trendbericht: Stand der Zerspanungstechnik im Leichtbau. Mit Leichtigkeit zu ho¨herer Leistung. Werkstatt u. Betrieb, 140(2007) 7/8 • D. BIRKETT: Polymers on the move. Educ. Chem., 44(2007)11 • B. KUTTKAT: Leichtgewichte sind gefragt. Maschinenmarkt, 113(2007)