Automobilový průmysl představuje komplexní odvětví, které ovlivňuje strojírenskou, elektrotechnickou, chemickou výrobu a samozřejmě i výrobu plastů a gumy. V posledních letech došlo k výrazné proměně požadavků tohoto průmyslu. Mezi nejvýznamnější faktory, které dnes ovlivňují návrh automobilu, patří náklady, výsledná spotřeba paliva a emise škodlivin.
V současné době dochází k rozsáhlému nahrazování kovových částí automobilů plasty. Vývoj nových materiálů nebo zlepšování stávajících je motivován faktory jako jsou design, výkon, spotřeba paliva, odolnost proti korozi, nízké provozní náklady, zpřísňování ekologických norem, bezpečnost při nárazu a další. Tyto faktory nutí výrobce automobilů využívat nové materiály s vyšší pevností vzhledem k jejich hmotnosti, případně s lepší kombinací mechanických vlastností.
Tradiční materiály a jejich konkurence
Tradičně se na výrobu hlavních konstrukčních skupin automobilů používají oceli a litiny. Měď nachází uplatnění v elektroinstalacích a slitinách. Olovo a antimon jsou součástí akumulátorů. Pro povrchovou úpravu plechů se využívá zinek a pozinkovaný plech se používá na výrobu karoserií.
Výrobci ocelí si uvědomují rostoucí konkurenci ze strany hliníku a dalších nových materiálů, jako jsou například hořčíkové slitiny nebo plasty. Aby si udrželi konkurenceschopnost, musí být nové oceli lehčí, pevnější a stabilnější. Jedním z takových materiálů, který by mohl v budoucnu splňovat tyto požadavky, jsou TWIP ocele.
Nové trendy v materiálech pro automobilový průmysl
Jedním z nových trendů ve výrobě automobilů je aplikace karosářských povlakovaných plechů se zvýšenou korozní odolností. Cílem je dosáhnout kritéria 10/5, což znamená zabránit perforační korozi po dobu 10 let a kosmetické korozi po dobu 5 let.
V automobilech se stále více prosazují plasty a polymerní kompozity. Tyto materiály nabízejí širokou škálu žádoucích vlastností: jsou pevné a lehké, odolné vůči chemikáliím a drsnému prostředí, a zároveň jsou vynikajícími tepelnými a elektrickými izolanty. Mohou být průhledné či neprůhledné, měkké, pružné, pevné, a lze je tvarovat do téměř jakékoli formy a velikosti. Jsou odolné vůči teplu a korozi a jsou recyklovatelné.
Plasty jsou v porovnání s ocelí lehčí přibližně sedmkrát a v porovnání s mědí a jejími slitinami více než devětkrát. Přidáním výztuže ve formě vláken s vysokou tuhostí, pevností a teplotní stabilitou do živice či plastu vzniká nová skupina materiálů, která kombinuje mechanické vlastnosti výztuže s lehkostí zpracování polymerů.
Výhody polymerních kompozitů
Polymerní kompozity nabízejí oproti kovovým a keramickým kompozitům řadu výhod. Mezi nejvýznamnější patří:
- Vysoká specifická pevnost.
- Relativně snadná výroba a zpracování.
- Odolnost vůči korozi.
- Lepší dynamické vlastnosti.
- Dobré tlumicí vlastnosti.
- Vysoká tvarová stálost.
- Možnost vyrábět složené díly jednorázově nebo je skládat z menšího počtu dílů (integrální stavba).
Vysoká specifická pevnost byla hlavním důvodem, proč jsou vyztužené plasty vhodné pro aplikace, které musí vydržet nárazy.
Příklady inovativních aplikací
Aplikace plastů ve stavbě automobilů nejsou novinkou. Již v minulosti se objevovaly plastové díly karoserie, například u Renaultu Espace, a dnes jsou standardem plastové blatníky. Fiat Tipo měl v osmdesátých letech 20. století víko kufru z plastu.
Biofibre - materiál budoucnosti?
Automobilka Mercedes-Benz prezentuje vizi výroby aut způsobem, který je blíže „pěstování“ než tradiční výrobě v továrně. Inspirací je příroda a koncept integrovaný do ekosystému. Vize zahrnuje nový rostoucí materiál Biofibre, který by měl být pevnější než ocel a zároveň lehčí než kov. Automobil z tohoto materiálu by vážil pouhých 394 kg a byl by zcela ekologicky rozložitelný. K výrobě karoserie a interiérových dílů by stačila dvě semínka, další čtyři na kola. Auto by mohlo růst pomocí integrovaného genetického kódu.
Energetické kompozity
Hybridní automobily, které využívají elektrickou energii, čelí problému s výdrží baterií. Prodloužení výdrže baterie obvykle znamená zvýšení její hmotnosti nebo zabrání cenného prostoru. Prototyp kompozitu, který sám vyrábí elektrickou energii, je složen z uhlíkových vláken a polymerové živice. Oproti klasickým bateriím má větší kapacitu pro ukládání elektrické energie a rychlejší nabíjení. Podstatou je, že celá karoserie automobilu by byla vyrobena z pevného kompozitu uvolňujícího elektrickou energii, která by se ukládala v baterii nebo přímo poháněla automobil.
Další vývoj tohoto kompozitu se zaměřuje na zvýšení kapacity pro výrobu energie pomocí nanotrubic. Materiál Buckypaper, složený z uhlíkových nanotrubic, je 500krát silnější a 10krát lehčí než ocel. Tyto nanotrubice jsou 50 000krát tenčí než lidský vlas.
Samoopravovací plasty
Nový typ plastu, označovaný jako samoopravovací, se dokáže sám opravit po poškození působením světla. Díky speciální molekulární mřížce vodních kopolymerů dokáže obnovit nebo zacelit poškození. Tento plast je ekologicky méně škodlivý než jiné polymery. Další praktickou vlastností je tzv. „krvácení“ - poškozené místo mění barvu do červena, čímž upozorňuje na nutnost opravy. Oprava může být provedena opakovaně.
Využití tohoto plastu v automobilovém průmyslu by znamenalo, že by poškozené nárazníky nebylo nutné měnit, čímž by se šetřily náklady a dbalo na ekologii. Oprava by byla možná i v domácích podmínkách při zapnutém světle.
Přírodní vlákna jako výplň kompozitů
Výsledky výzkumu ukazují, že plnivem do kompozitů mohou být i přírodní vlákna, například z konopí, bambusu, kokosu, lnu, juty, banánovníku, nebo vlny koz a ovcí. Přírodní plniva v plastových dílech zvyšují tuhost a houževnatost, a mohou se tak použít na sloupky v autě, výplně dveří a další díly. Živočišná vlákna (ovčí a kozí srst, hedvábí) ovlivňují tažnost dílů z plastu.
Automobilka Ford plánuje zvýšit použití recyklovaných a obnovitelných přírodních zdrojů, konkrétně aplikovat kokosová vlákna do různých druhů plastů pro snížení množství potřebné ropy na jejich výrobu. Kokosová vlákna s plastem by měla být lehčí, pevnější a potenciálně odolnější proti ohni. Z estetického hlediska by viditelnost dlouhých kokosových vláken v plastu dodala interiéru vozidla přírodnější design.
Nové vyztužené plasty se vyvíjejí s použitím nanocelulózy, která může mít zdroj ve stonku či listu rostlin nebo stromů. Vlákna nanocelulózy se výborně spojují s plastem, jsou lehčí, odolnější vůči chemikáliím, teplu a jsou ekologicky méně škodlivá. Jsou o 30 % lehčí a 4x pevnější než dosud známé plasty, ale jejich výroba je stále drahá.
Revoluční koncepty a materiály
Gina - automobil z Hi-tech látky
Koncept automobilu Gina od společnosti Continental představuje revoluční přístup k designu karoserie. Plechové nebo hliníkové části jsou zde nahrazeny Hi-tech látkou (polyuretanem potažený Spandex), která zakrývá všechny části karoserie. Zadní přítlačné křídlo se vysouvá pouze při vysokých rychlostech, při nižších je skryto pod látkou. Zapínání předních světel se realizuje odkrytím látky na daném místě. Auto nemá klasickou kapotu motoru ani dveře; vše je zakryto jednou látkou, která se podle potřeby odhalí. Dveře se otevírají po zvrásnění látky na jejich místě do úhlu 45°. Přístup k motoru je možný „odzipsováním“ určené části. Při přehřívání motoru se automaticky otevírají nasávací otvory pro vzduch.
Ocelová konstrukce pod látkou vychází z modelu BMW Z4 a je vyztužena karbonem. Látka byla testována proti silnému dešti i mrazu.
Karoserie jako baterie
Stále přísnější omezení týkající se životního prostředí a rostoucí užívání automobilů ve městech nutí výrobce k novému myšlení. Do budoucna se očekává masivní nástup hybridních a elektrických automobilů. Hlavním problémem zůstává hmotnost.
Společnost Volvo Cars ve spolupráci s vědci vyvinula kompozitní materiál ze směsi uhlíkových vláken a polymerů, který lze nabíjet a uchovávat energii. Automobily Volvo by tak v budoucnu mohly mít karoserii fungující jako elektrochemická baterie. Náklady na výrobu takové karoserie by se měly rovnat nákladům na výrobu současné karoserie plus náklady na výrobu lithium-iontové baterie.
Audi a lehké vozy
Firma Audi má díky svému hliníkovému automobilu A2 náskok ve výrobě lehkých vozidel. V sportovních vozech Audi R8 Spyder používá polymery vyztužené uhlíkovými vlákny na boční stěny karoserie a střechu.
Pro snížení nákladů při výrobě levnějších vozů pro masovou spotřebu je klíčové nahrazení součástek z hliníku kompozitním materiálem na bázi uhlíku. Řešením je nahrazení několika hliníkových součástek jednou součástkou na bázi uhlíkových vláken. Cílem je zvýšení podílu uhlíkových vláken v kompozitních materiálech na 25 procent.
BMW a masová výroba kompozitů
Firma BMW podniká odvážné kroky v oblasti kompozitních materiálů. V partnerství s německou firmou SGL Carbon investovala do továrny na výrobu kompozitních materiálů v Moses Lake, USA. Cílem je snížit cenu kompozitních materiálů na bázi uhlíkových vláken o více než polovinu. Továrna bude vyrábět materiál ve velkých objemech za „přijatelné ceny“.
Materiál bude použit pro výrobu nového elektrického automobilu BMW, tzv. Megacity Vehicle. Očekává se, že toto vozidlo bude prvním sériovým automobilem na světě, jehož karoserie bude vyrobena z lehkého kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken a podvozek z hliníku.
Materiály s uhlíkovými vlákny v automobilovém průmyslu
Kompozitní materiály používané v automobilovém průmyslu se skládají z epoxidu (epoxidové pryskyřice) nebo vinylesteru, vyztužených uhlíkovým vláknem. Mezi jejich hlavní výhody patří nízká hmotnost a vynikající mechanické vlastnosti, jako je vysoká pevnost. Uhlíková vlákna lze upravit tak, aby absorbovala velké množství energie.
Jednodušší technologie plastů vyztužených uhlíkovými vlákny se v automobilovém průmyslu používají již dlouho. Výroba součástek z kompozitních materiálů pro letecký průmysl je rostoucím odvětvím. Materiály s uhlíkovými vlákny se běžně používají při výrobě vozů Formule 1 a drahých luxusních a sportovních automobilů.
Co se týče výroby pro masovou spotřebu, je průmysl stále ve fázi výzkumu a vývoje. Očekává se však brzké použití těchto materiálů při výrobě elektrických a hybridních automobilů, především kvůli snížení hmotnosti.
Výzvy a řešení
Přestože kompozitní materiály nabízejí mnoho výhod, existují i výzvy. Mezi ně patří:
- Koroze ve spojích mezi kompozitními a jinými materiály.
- Hluk: Snížení hmotnosti vozidla může vést ke zvýšení hluku, což si vyžádá dodatečnou izolaci, která opět zvyšuje hmotnost.
- Potřeba školení automechaniků v práci s novými materiály.
- Výrobní proces: V porovnání s výrobou hliníkových součástek (cca 1 minuta) může výroba součástek z kompozitního materiálu trvat až 20 minut, u větších součástek až hodinu.
Pracuje se na řešeních, která by zrychlila výrobní cyklus a umožnila sériovou výrobu.
Udržitelnost a přírodní materiály v automobilovém průmyslu
V posledních letech sílí trend používání udržitelnějších a přírodních materiálů. Automobilový průmysl je v popředí inovací s využitím nových materiálů, které nahrazují ekologicky škodlivé alternativy a jsou prospěšné i pro zemědělství a další průmyslová odvětví.
Přírodní vlákna a bioplasty
Některé automobilky již používají při výrobě automobilů různá přírodní vlákna. Tyto udržitelné materiály slouží k vyztužení plastů, výrobě pěny a nahrazují škodlivé materiály, jako je sklolaminát nebo materiály na bázi ropy. Příklady zahrnují sójovou pěnu, pšeničnou slámu, kenafová vlákna, kokosová vlákna a rýžové slupky.
Zkoumá se také možnost využití zbytků rostlinných vláken agáve z výroby tequily k výrobě udržitelnějších bioplastových dílů, jako jsou kabelové svazky, jednotky HVAC a úložné boxy.
Dalším revolučním konceptem je výroba originálního veganského materiálu, který nahrazuje pravou kůži a získává se z vláken z listů ananasu.
Dřevo a celulózová vlákna
Japonské ministerstvo životního prostředí vyrobilo automobil výhradně ze dřeva: Nano Cellulose Vehicle. Celulózové vlákno je materiál rostlinného původu, který se získává ze zemědělského odpadu. Má pouze pětinovou hmotnost oproti oceli, ale je pětkrát pevnější. Jeho použití na výrobu karoserie nebo jiných částí vozidla umožňuje snížit celkovou hmotnost vozidla až o polovinu.
Fraunhoferův institut rovněž zkoumá možnost využití plastů vyztužených přírodními vlákny k vytvoření lehké karoserie vozidla. Jejich Bio-Concept Car využívá organické kompozitní materiály pro výrobu dveří.
Inovace v pneumatikách
Použití pryže v technologii pneumatik je také důležitým faktorem pro budoucí projekty udržitelnosti v automobilovém průmyslu. Materiál Taraxagum se získává z pampelišek, kterým stačí pouze jeden rok na to, aby vyrostly. Společnost Continental testuje použití recyklovaných plastových lahví při výrobě pneumatik.
Inteligentní a adaptivní materiály
Inteligentní a adaptivní materiály jsou na vzestupu také v automobilové výrobě. Od piezoelektrických krystalů, které zachycují energii z pohybujících se předmětů a přeměňují ji na elektrickou energii, až po materiály s tvarovou pamětí a elektroaktivní plasty - v příštích letech lze očekávat mnoho chytrých řešení.
Piezoelektrické krystaly již byly zabudovány do asfaltu frekventovaných silnic, aby zachycovaly energii z vibrací vozidel. Slitiny s tvarovou pamětí jsou kovové materiály, které lze v chladném stavu ohýbat a natahovat a po zahřátí si zachovají původní tvar. To by mohlo mít ve vozidlech široké uplatnění, od systému žaluzií až po větrací průduchy.
tags: #kompozitni #materialy #ve #stavbe #automobilu