Ostatní výroba a technologie | 26. 9. 2017

Konštruovanie automobilov s využitím polymérov

História a dôvody využívania polymérov pri výrobe automobilov

Pri konštruovaní automobilov sa rýchlo rozvíjajú rôzne aplikácie polymérnych kompozitných materiálov. V porovnaní s kovovými materiálmi sú tieto materiály ľahšie a disponujú lepšími mechanickými vlastnosťami. Na začiatku 20. storočia pripravil belgický chemik Baekeland plastickú látku s názvom bakelit a odvtedy sa datuje začiatok éry využívania plastických látok, resp. polymérov v rôznych odvetviach priemyslu. Po objave epoxidov v priebehu druhej svetovej vojny sa impregnovaním sklených vlákien pripravili prvé polymérne kompozity vo forme epoxidových laminátov. Po 2. svetovej vojne sa začali tieto kompozity používať pri konštruovaní automobilov, najskôr pri výrobe pretekárskych automobilov a neskôr aj sériovo vyrábaných automobilov. Rozšírenie možností aplikácií plastov v automobilových výrobách umožnila masová výroba termoplastických polymérnych materiálov v šesťdesiatych rokoch 20. storočia. V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch 20. storočia vzrástli požiadavky na bezpečnosť jazdy motorovými vozdidlami a na vyššiu hospodárnosť využívania automobilov, pričom frekvencia aplikácií polymérov pri výrobe automobilov výrazne vzrástla.

Aplikácie a druhy polymérnych materiálov požívaných v automobiloch

Podiel plastov na celkovej hmotnosti automobilu v súčasnosti predstavuje 10 až 15 %. Z plastov sa dnes vyrábajú rôzne časti automobilu: nárazníky, blatníky, čelo vozidla, prístrojová doska, vnútorné obloženie, kostra a vnútro sedadiel, kryty kolies, držiaky motora, puzdro akumulátora, tepelný štít katalyzátora, tesnenie, izolácia, pérovanie, trysky topenia a klimatizácia, fólie na displej a svetelné zdroje. Z materiálov sa uplatňujú predovšetkým termoplasty vystužené sklenými vláknami, pričom sa v špeciálnych prípadoch používajú uhlíkové vlákna.

Výhody využívania polymérov pri výrobe automobilov

Od sedemdesiatych rokov klesá priemerná hmotnosť cestných motorových vozidiel. Priemerné európske vozidlo má hmotnosť takmer 1 100 kg (v USA takmer 1 500 kg), pričom sú v tom zastúpené železné kovy (60 % hmotnosti vozidla), neželezné kovy (7 %, hlavne hliník), plasty (10 %), guma (4,5 %), sklo (3 %), textil a protihluková hmota (4 %), farba a tmel (1,5 %), kvapaliny a iné materiály (7 %). Materiál predstavuje v súčasnosti 30 % v kalkuláciách pri tvorbe ceny výrobku, preto je veľká snaha výrobcov o znižovanie jeho spotreby. Automobil obsahuje približne 50 rôznych materiálov a 10 000 súčiastok. Polyméry majú výrazne nižšiu hmotnosť ako kovy. 1 m3 ocele váži 7 850 kg a hliníka 2700 kg, pričom 1 m3 plastov dosahuje hmotnosť od 1 000 do 2 000 kg podľa druhu používaného plastu. Ďalším dôvodom využitia polymérov na výrobu automobilov je ich nižšia teplota spracovania v porovnaní s kovmi. Oceľ sa taví pri teplote 1 350 °C (v prípade hliníku je táto teplota 658 °C), pri plastoch je však teplota tavenia len 200 až 400 °C. Výrazne nižšia teplota tavenia polymérov v porovnaní s kovmi prináša veľkú energetickú úsporu pri výrobe dielcov automobilu. Dôležitou je najmä úspora pohonných látok pri použití polymérov na výrobu automobilov. Zníženie hmotnosti automobilu o 100 kg pritom spôsobuje zníženie spotreby paliva cca 0,4 litra na 100 km. Priaznivým argumentom pre používanie polymérov pri výrobe automobilov je aj recyklovateľnosť prakticky všetkých využívaných termoplastov.

Súčasné aplikácie polymérov a ich kompozitov

V dôsledku rýchleho vývoja nanokompozitných polymérnych materiálov po roku 2000 sa pripravili nové polymérne kompozitné materiály s vyššími mechanickými a povrchovými vlastnosťami „šitými na mieru“ a s nehorľavosťou, ktorých aplikácia znamenala revolúciu pri výrobe automobilov. Súčasne sa pripravili nové technologické postupy pri výrobe karosérie automobilov, ktoré umožnili z polymérov vyrobiť presné a aj veľmi zložito tvarované dielce s vysokou odolnosťou proti pôsobeniu mechanického namáhania pri náraze, resp. s veľmi vysokou rázovou húževatosťou. Elektrické zváranie plechov karosérie automobilov bolo v mnohých prípadoch nahradené alternatívnou metódou spájania plechov lepením alebo použitím kombinácie oboch metód spájania dielcov karosérie – zvárania aj lepenia.

Druhy syntetických polymérov požívaných v automobiloch

Polyméry sa využívajú najmä pri výrobe karosérie automobilov, menej sa využívajú pri konštrukcii podvozkov. Najčastejšie sa pri výrobe automobilov používa polypropylén a jeho kopolyméry (30 %), nízkohustotný a vysokohustotný polyetylén (10 %), polyamid 6, polyamid 12 a iné polyamidy (10 %) a terpolymér akrylonitril-butadién-styrén (ABS) s 10% zastúpením. Polypropylén našiel v automobiloch uplatnenie najmä v prípade veľkoplošných, rázovo namáhaných dielov karosérie, a to jednak vonkajších (nárazníky, spoilery) a jednak vnútorných (panel prístrojovej dosky, obloženie kabíny). Materiály na báze polyamidov nachádzajú v konštrukcii automobilov tiež široké využitie, pričom sú sú z nich vyrábané rôzne ovládacie prvky ako sú kľučky dverí, súčasti napínacieho mechanizmu bezpečnostných pásov a ďalšie drobné diely interiéru vozidla.

Prírodné polymérne konštrukčné materiály

Pri konštrukcii automobilov sa uplatňujú aj najrôznejšie druhy prírodných polymérnych materiálov na báze celulózy (napr. bambus, kokosové vlákna), z ktorých sa vyrábajú ekologické biopolyméry pre interiéry niektorých automobilov. Polymérne kompozity, ktoré boli ešte relatívne nedávno extravagantnými pri malosériovej alebo kusovej výrobe drahých špeciálov, sa v súčasnosti už široko využívajú. Rozvoj nanotechnológií a pokles ceny týchto polymérnych kompozitných materiálov s novými možnosťami priemyselnej výroby túto situáciu zmenil. Použitie polymérov sa spája aj s ďalšími inováciami, ktoré majú zvyšovať bezpečnosť, komfort a zvýšiť šetrný prístup k životnému prostrediu. V súčasnosti a tiež v blízkej budúcnosti by sa malo zaviesť používanie špeciálnych kompozitných výstužných materiálov v nárazníkoch automobilov, ktoré vykazujú trikrát vyššiu tuhosť a absorpciu energie, ako má obyčajný plast. Plastové opierky hlavy prispievajú k vyššej bezpečnosti pasažierov. V prípade spätného nárazu sa v dôsledku aktivácie posunie predná polovica opierky dopredu, pričom sa zníži riziko zranenia osôb v automobile.

Polyméry a ich kompozity

Termoplasty, duroplasty, elastoméry, textil a polymérne kompozity zosilnené vláknami patria dnes v modernej konštrukcii automobilov k často využívaným materiálom. Tento druh materiálov trvalo napomáha ľahkej konštrukcii vozidiel, ich aktívnej a pasívnej bezpečnosti a optickému a hmatovému aspektu konštrukčných prvkov. Karosérie z plastu sú vo veľkosériovej výrobe známe od 80. rokov. Z počiatku sa plasty využívali ako obloženie nárazníkov, neskôr ako doplnkové časti karosérií – bočné steny a dvere vyrobené z termoplastov. V súčasnosti sa plastové konštrukčné prvky vyrábajú aj z nového termoplastu – zmesi polyamidu a ABS terpolyméru plnenej minerálmi. Medzi výhody tohto kompozitu patrí nízka tepelná rozťažnosť a nasiakavosť vodou a nízke výrobné náklady. Použitie plastov spevnených uhlíkovým vláknom umožňuje znížiť hmotnosť a ťažisko vozidla a zvýšuje akceleráciu najmä športových vozidiel. Pri výrobe karosérie sa používa vláknami zosilnený polyester, ktorý v porovnaní s termoplastami dosahuje lepšiu rozmerovú stabilitu a tuhosť. Táto konštrukcia má tieto výhody: vysokú tepelnú stabilitu a dobré vlastnosti pri náraze. Cieľom použitia plastov vo vnútri vozidla je dosiahnutie čo najlepších optických a hmatových vlastností a zvýšenie pasívnej bezpečnosti. V poslednom čase sa venuje veľká pozornosť plastovým materiálom so špeciálnymi povrchovými vlastnosťami pri výrobe prístrojovej dosky v automobiloch a kompozitným materiálom používaným ako obloženie v interiéri vozidiel.

Nové polymérne materiály

Pri tvorbe povrchov prístrojových dosiek sa v závislosti od požiadaviek na ich geometriu používajú penové a kompaktné plastové fólie a tvarované povlaky vyrábané rozprašovacou technikou, rotačným odlievaním (vratným výklopným liatím) a odlievaciou technikou. Aktuálnym použitím rotačného odlievania je tzv. poťahovanie vo forme, pričom sa pri tomto postupe v prvom kroku nanesie do odlievacieho zariadenia farebná polyuretánová vrstva s hrúbkou niekoľkých milimetrov a potom sa výklopným liatím vyrobí vlastný tvarovací povlak z termoplastického PVC. Výsledkom tohto postupu sa dosiahnu tieto výhody: vysoká hospodárnosť výroby, dosiahnutie širokého spektra farebných odtieňov, cielené nastavenie dotykových vnemov ako aj cielená tvorba priehlbín. Pri výrobe obloženia a výplní (napr. výplň dverí vrátane nosnej štruktúry) sú dôležité optické vlastnosti dielcov s požiadavkou ich minimálnej hmotnosti. Z výrobno-technického hľadiska sa najlepšie osvedčili plastové kompozity plnené prírodnými vláknami ľanu, bavlny alebo sisalu. Použitím týchto kompozitov sa dosiahne veľká tvarová stabilita vyrobených dielcov, ich dobrá bezpečnosť pri náraze, minimálne emisie v interiéri a vysoká tvarová voľnosť.

Hybridné materiály

Na zvýšenie bezpečnosti osôb sa na konštruovanie čelnej časti automobilov používajú hybridné materiály, pričom sa v nich spájajú charakteristické vlastnosti ocele (vysoká pevnosť a tuhosť) s možnosťami plastov, ktorými sú ekonomické tvarovanie a rozsiahle možnosti ich začlenenia do celku. Ako hybridné materiály sa aplikujú oceľové výstuže obalené polyamidom plneným sklenenými vláknami. Použitie hybridných materiálov má v porovnaní s čisto kovovou konštrukciou za následok optimalizáciu energetickej bilancie vozidiel. Aktuálnym pri použití kompozitných plastov je vkladanie plastových štrukturálnych penových prvkov do štruktúry karosérie vozidiel. Pomocou tejto techniky je možné cielene dosiahnuť významné zosilnenie tuhosti karosérie a odolnosti proti nárazu. Štruktúrne prvky na báze epoxidových pien sa pri výrobe karosérie umiestňujú do dutých profilov, pričom sa aktivácia, expanzia a vytvrdnutie epoxidových pien dosiahne pôsobením teploty pri lakovaní. Nanotechnológie v automobilovej výrobe

Plasty v spojení s nanotechnológiami pri výrobe automobilov rozširujú spektrum využívaných vlastností plastov a textílií.

Nanotechnologické postupy využívania plastov sa často spájajú s vysokými hydrofóbnymi vlastnosťami exotických rastlín, ktoré sa označujú ako lotosový efekt. Pri stavbe automobilov sa využívajú tieto fyzikálne vlastnosti nanokompozitných polymérnych materiálov: zlepšená mechanická pevnosť, zlepšená odolnosť voči oderu a poškriabaniu, znížené trenie, odpudzovanie nečistôt a antireflexný charakter. Tieto vlastnosti ponúkajú široké možnosti pri zavedení inovácií pri konštrukcii automobilov, pričom ide o využitie plastov zosilnených nanočasticami, lakov odolných proti poškriabaniu, nezahmlievajúcich sa sa povrchov, napr. skla a antireflexných povrchov, napr. krycej vrstvy prístrojových dosiek.

Lepené adhézne spoje s magnetickými nanočasticami

Aktuálne pri konštruovaní automobilov je v súčasnosti používanie zasúvacích lepených spojov s magnetickými nanočasticami, pričom sa energia potrebná na vytvrdnutie lepidla zavádza cielene indukciou mikrovĺn. Tento postup otvára ďalšie možnosti na prípravu modulárnych a ľahčených konštrukcií pri stavbe automobilov. Zlepené nekovové časti sa pri tomto technologickom postupe môžu bez poškodenia oddeliť. Pri opravách je možné vymieňať jednotlivé konštrukčné prvky automobilu a dlhodobo ich opakovane používať. S využitím nanotechnologických postupov sa v súčasnosti pracuje na zlepšení ochrany povrchu automobilových lakov a plastových dielcov, najmä čo sa týka odolnosti proti poškriabaniu. Predpokladom zavedenia nanotechnológií vo veľkosériovej výrobe je dostatočná dlhodobá životnosť pripravených dielcov a dôležité sú aj ekonomické hľadiská.

Nový konštrukčný materiál Inrekor

K novým konštrukčným materiálom používaným na výrobu automobilov patrí ľahká pena na báze polypropylénu umiestnená medzi dvoma tenkými hliníkovými plechmi s názvom Inrekor. Britská spoločnosť Inrekor Ltd. predstavila verejnosti tento nový konštrukčný materiál, ktorý bude ponúkať automobilkám. Hmotnosť automobilov by vďaka Inrekoru mohla klesnúť až o 30 % pri zachovaní pôvodnej mechanickej pevnosti. Inrekor je výrazne lacnejším materiálom ako uhlíkové kompozity a na rozdiel od nich je kompletne recyklovateľný. Konštrukcia automobilu z Inrekoru sa jednoducho poskladá ako stavebnica z presne opracovaných dielcov, pričom sa na ich spojenie používa lepidlo. Ak niekoho predstava lepeného auta znepokojuje, nemusí mať obavy. Lepené spoje dnes dosahujú rovnaké pevnosti ako zvárané spoje a v prípade dopravnej nehody sa správajú predvídateľne. Vysoká bezpečnosť konštrukcií z Inrekoru bola overená niekoľkými nezávislými testami. Špecialisti britskej spoločnosti MIRA potvrdili, že konštrukčný materiál vyrobený z Inrekoru výborne disipuje energiu. Očakáva sa, že šasi z nového materiálu Inrekor by malo v testoch Euro NCAP dosiahnuť rovnaké výsledky ako päťhviezdičková oceľová konštrukcia, pričom však má hmotnosť až o 40 kg nižšiu v porovnaní s oceľou. Briti už vyrobili z Inrekoru automobil. Replika automobilu Porsche 356 s použitím konštrukčného materiálu Inrekor vznikla v spolupráci s Chesil Motor Company, ktorá vyrába retro stavebnice automobilov s konvenčnými podvozkami. Prototyp automobilu vyrobený z Inrekoru je rovnako pevný ako bežné modely, pričom dosahuje o 15 % nižšiu hmotnosť.

Igor Novák,
Ondrej Žigo,
Ústav polymérov SAV, Bratislava, Slovensko