Клас матеріалу на майбутнє

Легка конструкція - це вміле поєднання матеріалів та конструкцій з метою мінімізації споживання енергії та сировини за рахунок максимальної економії ваги. Особливо важливу роль тут відіграють армовані волокнами пластмаси, які є легкими, жорсткими та міцними. Зараз виробничі процеси для легких компонентів, придатних для серійного виробництва, зараз затребувані, щоб вони могли отримати широке визнання.

Наші мобільні тумби з роками стали помітно легшими: коляска шістдесятих років значно важча за сучасну складну модель, виготовлену з CFRP та алюмінію. 60 років тому гоночним велосипедистам на Тур де Франс довелося набагато більше крутити педалі на Піренеях, ніж сучасним спортсменам, чиї гоночні велосипеди часто важать лише вісім-дев'ять кілограм і повністю виготовлені з вуглецю. І сучасний автомобіль - незважаючи на значно більший комфорт і безпеку - вже не важить настільки, як прямий наступник автомобіля Берти та Карла Бенца. Але заміна металу на більш легкі матеріали, бажано пластик, - це лише одна грань полегшеної конструкції. Меншої ваги також можна досягти, змінюючи конструкції. Ілюстративні приклади - це стільникова конструкція у вулику або крила бабки: вони складають лише близько двох відсотків ваги тіла, але витримують великі постійні навантаження.

Двигунами інновацій у полегшеному будівництві є зменшення СО2 у транспортному та автомобільному секторах, а також економія сировини та енергії. Отже, полегшена конструкція - це дитина нашого часу і, крім усього іншого, виникає внаслідок тенденції до стійкості. Поняття легкої конструкції можна розділити на три підходи. Легка конструкція матеріалу та конструкції, легка конструкція конструкції та легка конструкція системи. Легка конструкція тканини - це стратегія з найбільшим потенціалом економії. Звичайні матеріали замінюються на більш легкі матеріали або матеріали з поліпшеними властивостями. Останні дозволяють зменшити вагу через більш тонкі стінки - з однаковою продуктивністю. Структура деяких матеріалів була змінена для додаткового зменшення ваги. Це створення порожнистих конструкцій - наприклад, пінопластів - узагальнено під терміном структурна легка конструкція. Іншою стратегією полегшеної конструкції є форма або структурна полегшена конструкція. Йдеться про структурну оптимізацію компонента та розподіл матеріалу в самому компоненті.

Хоча перші два принципи розглядають окремі елементи або вузли, полегшений системний підхід розглядає всю систему. Інтегруючи кілька функцій в один компонент, можна зменшити загальну вагу системи, хоча вага окремих елементів або вузлів може легко збільшитися за рахунок інтеграції функцій. Наприклад, функцію акустичної ізоляції можна поєднувати з міцністю конструкції (автомобільна техніка).

У звіті про хід Національної платформи електромобільності Спільного управління електромобільності Федерального уряду (GGEMO), Берлін, полегшена конструкція є однією з п’яти предметних областей, яка повинна забезпечити технологічне лідерство Німеччини (див. Вікно infoDIRECT). Обсяг субсидованих проектів легкого будівництва становить 300 мільйонів євро.

Однак полегшена конструкція - це не лише ключова технологія майбутнього в автомобільному будівництві. Попит на легкі матеріали зріс на 300 відсотків між 2002 і 2007 роками. Легкими металевими будівельними матеріалами є алюміній, магній, високоміцні сталі і титан. Крім того, волокнисті композиційні матеріали вважаються класичними легкими будівельними матеріалами. Використовуються такі волокна: скло, вуглець, кераміка (переважно в керамічній матриці), арамідні, борні, сталеві, природні та нейлонові волокна.

Ринок композитних пластмас

Підгрупою волокнистих композиційних матеріалів є волокнисті композиційні пластмаси (FRP). Лише близько трьох відсотків світового виробництва пластмас йде на застосування з FRP - дуже мала частка. Це можна пояснити тим, що це спеціальні технічні деталі, які рідко виготовляються у масовому або великосерійному виробництві. Що стосується FRP, то розрізняють пластмаси, армовані скловолокном (GRP), та армовані вуглецевим волокном (CFRP). Натуральні пластики, зміцнені волокнами, зростають, але поки що не є значними. Загальний обсяг виробництва ВРП в 2011 році помірно зріс і склав трохи більше мільйона тонн, і зараз він повернувся на рівень 2008 року, згідно з ринковим звітом AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe, Франкфурт, від вересня 2011 року. CFK знову досяг рівня 2008 року. Аналітики припускають, що попит на 2011 рік перевищить 35 000 тонн. Це відповідає збільшенню приблизно на 10 відсотків. За підрахунками, до 2015 року цей попит подвоїться. Основна частка ринку CFRP може бути відведена композитам з пластмасами. В якості матриці використовуються епоксидні, фенольні та поліефірні смоли, а також термопласти.

Високий потенціал цього класу матеріалів обумовлений особливими характеристиками FRP. Компоненти FRP особливо легкі та дуже жорсткі. Вони стійкі до корозії та середовища, термостійкі, довговічні та довговічні. Вони мають гарну поведінку демпфування та стабільні у розмірах. Вони пропонують високий ступінь дизайнерської свободи, і їх властивості можуть бути адаптовані до типу або кількості домішок волокна. Недоліком є те, що не можна використовувати класичну процедуру розробки компонентів. Тому фокусом дослідження є моделювання в розробці продукту, інструменту та процесу.

Проблема серійного виробництва

Загалом, можна виготовляти як дрібні деталі - наприклад, у медичній техніці - серійні компоненти в автомобільному секторі, так і великі деталі - наприклад, лопатки для вітрогенераторів - довжиною близько 60 метрів. Найважливіші програми можна знайти в будівництві та транспорті. Типовими є труби, резервуари, профілі або плити, а також надбудови для вантажних автомобілів. FRP також використовуються для продуктів у спорті та дозвіллі, а також в електротехнічній та електронній промисловості: для виробництва бігових велосипедів, лижних черевиків, тростинок або для шаф або перемикачів перемикачів.

Багато легких компонентів виготовляються лише в невеликій кількості. Що не є проблемою в аерокосмічній промисловості, оскільки в будь-якому випадку потрібні лише кілька деталей, заважає тріумфальному просуванню на масових ринках або для великих серій, таких як електроніка та автомобільне будівництво.

Значна частина сучасних літаків виготовляється з FRP. У Airbus A 380 використовували чотири різні варіанти: GFK, CFK, QFK (армована кварцом пластмаса) та відблиски (алюмінієвий ламінат, армований склом). A350 має найвищу композитну частку - 53 відсотки. Boeing 787 Dreamliner досягає подібних значень приблизно на 50 відсотків. Така висока частка FRP в авіації також окупається дорогими компонентами: на 10 кг менше ваги економиться 3 літри гасу за годину польоту.

У будівництві автомобілів в даний час учасники випробовують процеси, придатні для серійного виробництва та обробки компонентів, виготовлених з армованих волокнами пластмас, або їх комбінацій з алюмінієм або сталлю. Спеціальні властивості FRP роблять багато вимог до автомобіля майбутнього можливим: більша дизайнерська свобода дозволяє зменшити коефіцієнт опору, автомобілі стають легшими, не компрометуючи безпеку.

Процес виготовлення впливає на властивості компонента

Рішення щодо виробничого процесу визначається відповідними вимогами до економії (кількість штук!) І технології. Процеси забезпечують різний вміст волокна, який можна використовувати для впливу на міцність або модуль пружності, а отже, і на властивості компонента. Розрізняють ручні, частково автоматизовані, повністю автоматизовані та безперервні процеси.

Ручне ламінування або розпилення волокон - один із ручних процесів. Компоненти виготовляються на замовлення в невеликій кількості. Вміст клітковини в основному низький і становить, як правило, від 20 до 40 відсотків.

До частково автоматизованих процесів належать, наприклад, процеси ін'єкцій - RTM, вакуумне впорскування, ін'єкція під тиском, а також шприци з волокнисто-смоляними та низькотискні процеси. Таким чином можна виготовити невеликі деталі до лопаток вітрогенератора. Кількість штук зазвичай значно більша, але, як правило, ще не досягає обсягів, необхідних для великого виробництва. Вміст клітковини знаходиться в середньому діапазоні від 30 до 50 відсотків.

Великі серії виробляються з використанням повністю автоматизованих процесів. Процеси тут в основному включають способи пресування - мокре, холодне, гаряче пресування та деякі інші. Оскільки замість сировини можна використовувати напівфабрикати - маси, пластини, заготовки - можна виробляти великі кількості. Застосування у серійному виробництві, наприклад, в автомобільній промисловості, завжди працюють із повністю автоматичними пресами. Вміст клітковини дуже широкий, але може бути встановлений в середньому діапазоні.

Процес пултрузії або екструзії є одним із безперервних процесів. У цьому виробляються всілякі профілі. Волокна з великою силою витягуються через формуючий інструмент. Завдяки високому тиску тут можна досягти найвищого вмісту клітковини - теоретично понад 80 відсотків.

Процеси намотування, плетіння та прядіння - це особливі процеси. З їх допомогою виробляються вироби зі специфічними властивостями за формою або навантаженням: у відцентровому процесі, наприклад, у силосах великого діаметру або в обмотувальних посудинах під тиском для автомобільного сектору та трубах для хімічної промисловості, а також в оплетках для гоночних велосипедів. Вміст клітковини зазвичай знаходиться в середньому діапазоні.

Знизити виробничі витрати

Дослідження проводяться насамперед з метою зробити виробництво та подальшу переробку компонентів більш економічно вигідними. Мова йде не тільки про сам процес виготовлення, але і про подальшу обробку або підготовку напівфабрикатів. Проект ЄС “FibreChain” та проект, що фінансується BMBF, “InProLight” поставили собі за мету розробити різні інтеграційні технологічні ланцюжки від вишуканих спеціальних рішень до масового виробництва термопластичних компонентів FRP. Fraunhofer ILT, Аахен, бере на себе часткове завдання оптимізації з'єднання та різання компонентів. Починаючи з сировини, Андреас Реснер та його колеги розробили процес структурного з'єднання. До цього часу легкі компоненти з'єднувались склеюванням або клепанням. І те, і інше дороге і займає багато часу. Щоб обійти це, Реснер з'єднує компоненти лазером. Енергія вводиться безпосередньо в зону приєднання, що значно скорочує час процесу. При лазерному з’єднанні обидва складні компоненти можуть бути виготовлені з окремих деталей, а конструкції, адаптовані до навантаження, можуть бути створені за допомогою селективного жорсткості.

У багатьох точках технологічного ланцюга напівфабрикати також доводиться вирізати, обрізати або вирізати отвори. Пошкодження краю матеріалом слід зменшити до мінімуму. Френк Шнайдер та його колеги, також з Fraunhofer ILT, серед іншого розробляють нові процеси різання за допомогою короткоімпульсного лазера C02. Термічні пошкодження матеріалу можуть бути значно зменшені завдяки низькій тепловій потужності. Він працює практично без теплових пошкоджень при використанні потужних ультракоротких імпульсних лазерів. Потужність до 500 Вт, ці лазери можна використовувати для здійснення економічних етапів процесу навіть на високочутливих комбінаціях матеріалів в аерокосмічній промисловості.

Застосовувані процеси лазерного зварювання та різання мають на меті значно спростити виготовлення деталей FRP, автоматизувати їх і, перш за все, бути швидкими та економічними. І саме це є ключем до того, щоб полегшені компоненти могли також отримати широке визнання в автомобільному будівництві, електроніці та в секторі відпочинку.

Технологічні знання

Що… ? - Абревіатури та технічні терміни у легкій конструкції