Budowa nadwozi samochodowych: kompozyty węglowe - cz.3

Kompozytem nazywamy materiał utworzony z minimum dwóch materiałów (faz) tak, że uzyskana struktura ma właściwości lepsze (lub nowe) w stosunku do osobno użytych komponentów.

Definicja ta jest jak najbardziej poprawna. Wymaga ona jednak dopełnienia. Kompozyty są materiałami anizotropowymi, tzn. ich właściwości wytrzymałościowe nie są jednakowe we wszystkich kierunkach. Są one także materiałami monoliticznymi (tworzącym jedną strukturę), aczkolwiek widać na nich wyraźną granicę faz. Komponenty tworzące kompozyt, nazywane fazami możemy rozbić na dwie grupy: osnowę i zbrojenie.

Osnowa pełni wiele funkcji, m.in. utrzymuje zbrojenie, zapewnia wytrzymałość na ściskanie, przenosi naprężenia na zbrojenie, zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć, nadaje gotowym elementom żądany kształt. Najczęściej używanymi materiałami stosowanymi na osnowę są: polimery (np. żywica epoksydowa), metale (np. tytan, nikiel, glin), lub ceramika.

Zbrojenie ma za zadanie wzmocnić materiał i zwiększyć jego właściwości mechaniczne. Wyróżniamy dwa rodzaje zbrojenia: proszkowe oraz włókniste. Te drugie może mieć włókna cięte oraz ciągłe.

Drewno sosnowe ma większą wytrzymałość właściwą (tj. wytrzymałość na rozciąganie lub ściskanie odniesioną do ciężaru właściwego włókna, czyli gęstości) niż stal. Wytrzymałość ta jest podstawowym wskaźnikiem efektywności włókna.

Wyróżniamy wiele możliwych podziałów materiałów kompozytowych. Wszystkie są słuszne. Do naszego użytku ważne będą tylko dwa podziały - ze względu na pochodzenie i kształt oraz wymiary zbrojenia. Ze względu na pochodzenie, kompozyty możemy dzielimy na:

• naturalne - materiały, które zostały wytworzone przez naturę, np. drewno, ścięgna czy tkanka kostna,
• sztuczne – materiały te zostały sztucznie wytworzone przez człowieka w celu otrzymania wymaganych właściwości.

Podział uwzględniający kształt i wymiary zbrojenia:

• komponenty zbrojone włóknem - ciągłym, ciętym, wyrobami z włókien (np. maty, tkaniny itp.),
• kompozyty umocnione cząstkami,
• kompozyty umocnione dyspersyjnie.

Do najbardziej znanych materiałów kompozytowych, poza wspomnianym wcześniej drewnem i kościami, zaliczamy:

• cement – połączenie metalu z ceramiką,
• duraluminium – stop aluminium oraz dodatków stopowych,
• żelbeton – materiał ten tworzą pręty stalowe zatopione w betonie,
• płyta wiórowa – płyta wykonana ze specjalnie przygotowanych wiórów drzewnych sprasowanych z żywicą,
• szkło zbrojone siatką metalową,
• kompozyty węglowe – zbrojeniem w tym materiale jest włókno węglowe a osnową żywica.

Włókna powszechnie stosowane są do zbrojenia kompozytów. Celem wprowadzania ich w strukturę kompozytu jest zwiększenie wskaźników wytrzymałościowych materiału. Średnice włókien zwykle nie przekraczają 15 µm. Podczas przeprowadzanych badań naukowcy potwierdzili, że włókna o małych średnicach mają większą wytrzymałość, niż włókna o średnicy przekraczającej pewną wartość. W motoryzacji najczęściej stosowanymi materiałami do zbrojenia są włókna szklane i karbonizowane, czyli włókna węglowe.

Kompozyty szklane oraz elementy z nich produkowane należą do materiałów najczęściej stosowanych. Do wyrobów wytworzonych z tych kompozytów można zaliczyć np. kadłuby samolotów lub kadłuby łodzi.

Samo wytwarzanie tych włókien jest ciekawe. Polega ono na uzyskaniu masy szklanej, tj. roztopionego szkła, o odpowiedniej temperaturze. Następnie masa ta jest dostarczana do zasilacza, z którego trafia to tzw. łódek. Tam powstają włókna.

Po przejściu przez łódki materiał przechodzi jeszcze preparację, czyli pokrycie specjalnymi warstwami zabezpieczającymi przed wilgocią oraz ułatwiającymi dalsze zabiegi technologiczne (np. ochrona przed uszkodzeniem powierzchni). Na poniższym filmie możecie zobaczyć, jak powstaje włókno szklane:

Kompozyty szklane stosowane są m.in. do produkcji elementów poszyć nadwozi samochodowych. W sportach samochodowych, takich jak rajdy lub drifting, często dochodzi do różnorodnych kolizji. Elementy wykonane z tych kompozytów doskonale się tutaj sprawdzają. Są one wykorzystywane także przez tunerów samochodowych, np. do produkcji zderzaków lub poszerzeń nadkoli.

Do produkcji masowej tego włókna najczęściej wykorzystywany jest PAN, czyli poliakrylonitryl w postaci włókien. Zanim staną się włóknami węglowymi, muszą one być stabilniejsze termicznie. W tym celu są ogrzewane do 200 – 300 stopni Celsjusza. Okres stabilizacji trwa od 30 do nawet 2 godzin z małymi przerwami, aby nie przepalić włókna.

Następną operacją jest karbonizacja, polegająca na nagrzaniu włókna w temp. 1000 - 3000 stopni Celsjusza, w atmosferze pozbawionej tlenu, dzięki czemu włókna się nie palą. Podczas tej operacji wszystkie atomy inne niż węgiel zanikają, a w ich miejsce pojawiają się struktury z tym pierwiastkiem.

Po karbonizacji powierzchnia włókien nie łączy się dobrze z materiałami stosowanymi jako osnowy kompozytów. Aby poprawić strukturę powierzchni włókien wykonuje się jej utlenianie. Zawartość tlenu poprawia łączenie się włókna z osnową. Staje się ono bardziej szorstkie, przez co osnowa lepiej się "przyczepia". Włókno zostaje także pokryte specjalnym materiałem, aby uniknąć uszkodzenia podczas nawijania go na rolkę lub tkania mat.

Na poniższym filmie możecie zobaczyć, jak powstaje włókno węglowe oraz całe maty stosowane przez BMW do produkcji części z elementów kompozytowych:

Warto zapamiętać, że włókna węglowe są około 10 cieńsze od ludzkiego włosa. Dzięki budowie tego włókna, czyli prawie samego grafitu, materiał ten jest bardzo ciężko topliwy oraz odporny chemicznie.

W przemyśle motoryzacyjnym włókna węglowe stosowane są w postaci tkanin lub mat. Istnieje wiele splotów tkanin, które mają wpływ nie tylko na wygląd ale także na wytrzymałość kompozytu. Wykonywane są one tak samo jak normalne tkaniny stosowane w przemyśle włókienniczym, dlatego warto zaznajomić się z nazewnictwem w tej dziedzinie.

Do najbardziej rozpowszechnionych splotów należą:

• plain - powstający przez naprzemienne przeplatanie wątku tj. nad i pod włóknami osnowy. Taki rodzaj splotu zapewnia dobrą stabilność tkaniny ale jest ona dosyć sztywna, dlatego też nie nadaje się ona do elementów o skomplikowanych kształtach.
• twill – inaczej nazywany spotem skośnym. Polega on na przeplataniu jednego (lub dwóch) włókien osnowy przez co najmniej dwa włókna wątku. Splot ten układa się lepiej niż plain, jest bardziej giętki.
• satin – nazywany także włóknem jednokierunkowym. Na przykładzie splotu satin 4H wykorzystującego 4 włókna. Włókno wątku przeprowadzane jest pod trzema włóknami a następnie pod jednym włóknem osnowy. Tkanina wykonana takim splotem jest najbardziej elastyczna i zalecana do elementów o skomplikowanych kształtach. Wadą jest przenoszenie obciążeń praktycznie w jednym kierunku.

To jednak nie wszystko. Na razie mamy elastyczne płótno. Aby uzyskać wyrób trzeba jeszcze coś z tą tkaniną zrobić – stworzyć kompozyt. Aby tak się stało należy przesączyć płótno (zbrojenie) żywicą, np. epoksydową (osnowa).

W przemyśle motoryzacyjnym stosowane są także laminaty. Są to materiały kompozytowe warstwowe złożone z kilku warstw tkanin. Każda z nich może mieć swój uprzywilejowany kierunek występowania najlepszych właściwości mechanicznych. Obrócenie tych warstw względem siebie daje polepszenie właściwości we wszystkich kierunkach. Przykładem takiego laminatu może być sklejka drewniana.

Mówiąc np. o elementach karbonowych albo wykonanych z włókna węglowego mamy na myśli elementy z kompozytów węglowych. Powstawanie tych elementów polega na odpowiednim ułożeniu maty w formie. Jest ona odbiciem negatywowym kształtu elementu. Od jej jakości i dokładności wykonania zależy końcowy efekt wyrobu. Następnie, matę należy przesączyć. Operację tę wykonuje się przy użyciu żywic termo- lub chemoutwardzalnych.

Decydując się na produkowanie elementów z żywicą chemoutwardzalną często proces ten wspomaga się próżniowo. Małe elementy wkładane są do worków, z których wysysane jest powietrze. Duże, z kolei przykrywane są folią, która następnie przymocowywana jest szczelnie do formy. Próżnia wyciąga z kompozytu nadmiar żywicy, zwiększając przy tym udział zbrojenia w materiale.

Wyciąga ona także wszystkie wtrącenia, oraz pęcherzyki powietrza, mające negatywny wpływ na wytrzymałość takiej struktury oraz dociska całość do formy. Dodatkowo, elementy te wkładane są do tzw. autoklaw, w celu utwardzenia się żywicy przy żądanych temperaturze oraz ciśnieniu . Po utwardzeniu się elementu, jest on już gotowy do dalszych obróbek.

Kompozyty maja świetne parametry wytrzymałościowe będąc przy tym materiałem bardzo sztywnym. Mają one także niezwykle mały ciężar właściwy (gęstość), wynikający z samej budowy tego materiału. Elementy kompozytowe są o około 40 proc. lżejsze od takich samych elementów aluminiowych.

Dzięki dobrej znajomości konstrukcji oraz wiedzy, jak będzie ona obciążona, możemy tworzyć materiały kompozytowe o żądanych właściwościach. Przy formowaniu elementów można także układać zbrojenie tak, aby w jak najlepszy sposób przenosiły one obciążenia.

Najważniejszym czynnikiem decydującym o małym zastosowaniu tego materiału w motoryzacji jest jego kosztowność. Koszt jednostkowy, związany z wytworzeniem jednego elementu, może być wyższy od kilku do kilkudziesięciu razy od takich samych elementów metalowych. Chcąc przejść na produkcję części kompozytowych, koncerny samochodowe musiałyby wymieniać całe parki maszynowe.

Jest to dla nich nieekonomiczne. Warto także zaznaczyć, ze podstawowym narzędziem współczesnego inżyniera jest komputer. Do obliczeń konstrukcji kompozytowych potrzebne jest wyspecjalizowane oprogramowanie, które także nie jest tanie.

Resztki, które powstały w wyniku cięcia tkanin, zwykle nie są już przydatne i tworzą tylko straty. Przy użyciu odpowiedniego oprogramowania komputerowego można zoptymalizować operację cięcia tkanin w celu zmniejszenia odpadów. Nie zmienia to faktu, że i tak one zostaną. Kiedyś utylizacja tych resztek polegała na przemiale materiału oraz spaleniu go.

Dopiero kilka lat temu zaczęto stosować technologię tworzenia nowych tkanin z resztek. Niestety, póki co mało istnieje firm wykonujących takie rzeczy. Inaczej sprawa wygląda w elementami metalowymi. Odpady można np. odsprzedać hucie w celu ponownego przetopienia.

Kompozyt węglowy, potocznie nazywany karbonem jest uważany jako element z najwyższej półki wytrzymałościowej oraz cenowej. Ma on bardzo szerokie zastosowanie. W lotnictwie jest on stosowany do produkcji śmigieł, wręg skrzydeł, kadłubów.

Materiał ten jest także stosowany w kolarstwie: do produkcji ram rowerowych, kierownic, kół, sztyc podsiodłowych itp. Przemysł motoryzacyjny coraz częściej korzysta z tego materiału. Głównie w super- i hipersamochodach. Na filmie poniżej możecie zobaczyć, jak wytwarzane są słupki A do Lexusa LFA

Samochody takie jak Lamborghini Aventador lub McLaren P1 mają nadwozie całkowicie wykonane z włókien węglowych. Struktura taka nazywana jest monokokiem. Ma ona wiele zalet. Jest ona przed wszystkim lżejsza od podobnego nadwozia aluminiowego.

Jest to duża zaleta tego materiału, ponieważ w samochodach sportowych każdy kilogram jest ważny. Innym pozytywem jest zwartość i sztywność konstrukcji, co oczywiście znajduje swoje odwzorowanie podczas szybkiej jazdy po torze.

Niestety, przez wysoką cenę samochodu mało kto może sobie na niego pozwolić i mało kto używa go zgodnie jego przeznaczeniem. Większość klientów nie jest w stanie poradzić sobie z olbrzymią mocą tych samochodów, przez co auta te za szybko kończą swoje życia.

Kolejnym minusem takich nadwozi jest długi okres powstawania. Innym znanymi samochodami posiadającymi takie nadwozie są: Pagani Huayra, Porsche 918, Ferrari LaFerrari, Ford GT, Ferrari F12 Berlinetta, Ferrari Enzo.

Jak elementy nadwozia są ze sobą łączone? W przypadku nadwozi metalowych sprawa była prosta, ponieważ w grę wchodziło m.in. spawanie i zgrzewanie. Tutaj takiej technologii niestety nie można zastosować. Technolodzy poradzili sobie i z tym problemem. Ściany boczne nadwozia są przyklejane do podłogi za pomocą kleju. Podobnie postępuje się z dachem. Na poniższym filmie, przedstawiającym produkcję BMW i8, dobrze widać, jak te elementy są sklejane.

Szwedzka firma Koenigsegg, również wykorzystująca kompozyty węglowe do produkcji nadwozi swoich samochodów, posunęła się o krok dalej, i zaczęła produkcję felg z kompozytów węglowych. Na poniższym filmie możecie zobaczyć, jak one powstają.

Patrząc na grono producentów, którzy używają kompozytów węglowych do produkcji aut, nasuwa się pytanie, czy materiał ten kiedykolwiek będzie stosowany w samochodach produkowanych seryjnie?

Na pewno wymagać to będzie jeszcze trochę czasu. Przede wszystkim trzeba przyspieszyć technologię wytwarzania włókien węglowych oraz elementów kompozytowych. Niektórzy producenci powoli zaczynają przemycać ten materiał to produkcji małoseryjnej lub seryjnej.

Audi używa kompozytów węglowych w swoim modelu R8 do produkcji wlotów powietrza do silnika. Ale to nie wszystko. Niemcy stosują ten materiał również do produkcji lusterek bocznych czy dyfuzora. Nadwozie Audi R8 wykonane jest w 79 proc. z aluminium oraz w 13 proc. z kompozytów węglowych, które mają za zadanie ochronę kierowcy w razie wypadku.

W najnowszym BMW serii 7 nadwozie samochodu wykonane jest ze stali, aluminium i kompozytów węglowych. Taki zabieg ma na celu zwiększenie wytrzymałości, co za tym idzie zwiększenia bezpieczeństwa kierowcy i pasażerów, oraz zmniejszenie zużycia paliwa i redukcję emisji dwutlenku węgla. To nie wszystko, co bawarczycy przygotowali dla swoich klientów. Ich dwie nowe hybrydy, i3 oraz i8, mają nadwozia całkowicie wykonane z włókien węglowych.

Wykorzystanie tego materiału w samochodach elektrycznych jest jak najbardziej uzasadnione. Podobnie jak w przypadku Serii 7 masa samochodu spada, dzięki czemu auto będzie potrzebować mniej energii do jazdy. Może i nie są to samochody tanie, ale za cenę np. Porsche 918 możemy mieć kilka BMW i3. Ponadto, materiał ten wykorzystywany jest do produkcji dachów dla sportowych modeli serii M.

Producent z Bawarii postanowił wykorzystać kompozyty węglowe w napędzie samochodu. Inżynierowie skonstruowali wał napędowy do najnowszych modeli M3 i M4. Pozwoliło to obniżyć masę elementu o 40 procent, co przekłada się na szybszą reakcję na pedał gazu. Jest on bardziej wytrzymały na skręcanie od standardowego wału stalowego, co zostało potwierdzone na poniższym filmie:

Takim sposobem dochodzimy do końca cyklu poświęconego budowie nadwozi samochodowych. Postarałem się Wam przedstawić jak produkowane są samochody seryjne i z jakich materiałów tworzone są ich nadwozia. Pamiętajcie, ze nadwozie samochodu to także wnętrze. Jak będą budowane samochody za kilkanaście lat?

Patrząc na trendy występujące w przemyśle motoryzacyjnym możemy spodziewać się nadwozi multimateriałowych w samochodach produkowanych wielkoseryjnie lub masowo. Jestem także przekonany, że jeżeli tylko zostanie opracowana tańsza i wydajniejsza metoda wytwarzania i obróbki włókna węglowego, to zdobędzie ona także uznanie najpierw wśród samochodów droższych, potem także w tanich autach. Póki co, pozostaje nam czekać...