Автомобілі мають велику вагу. В даний час автомобіль середнього класу важить від 1,2 до 1,5 метричних тонн. Це пояснюється тим, що деякі сучасні механізми, такі як подушки безпеки, антиблокувальні гальмівні системи, системи допомоги при паркуванні, електросклопідйомники, кондиціонер та гідропідсилювач керма не тільки підвищують безпеку та комфорт, а й додають значно більшу вагу. Однак звичайний легковий автомобіль 1970-х важив від 700 до 900 кілограмів.

ваги

Чим більше автомобіль важить, тим більше палива він споживає і більше вуглекислого газу викидає в атмосферу, тому шлях витончення буде корисним як для водіїв, так і для навколишнього середовища. Видаляючи з автомобіля 100 кілограмів, витрата пального зменшується на від 0,3 до 0,6 літра на 100 кілометрів, залежно від типу автомобіля та типу їзди, а крім того, викиди вуглекислого газу зменшуються на від 7 до 12 грам на кілометр . Він також має інші переваги: ​​легкі машини краще розганяються і забезпечують кращу стійкість до повороту.

"У часи, коли ресурсів стає менше, а турбота про навколишнє середовище зростає, полегшене будівництво є однією з найважливіших технологій для майбутнього авіаційного та автомобільного виробництва та машинобудування", - наголошує проф. Д-р-ін. Холгер Ханселка, прес-секретар нещодавно створеного Альянсу Фраунгофера з легкого будівництва, в якому 14 інститутів діляться своїм досвідом (див. Рамку). “Легка конструкція означає зменшення ваги компонента при збереженні належної жорсткості, динамічної стійкості та міцності. За словами Ханселки, це гарантує, що розроблені компоненти та конструкції ефективно виконують своє завдання протягом усього терміну їх експлуатації. Крім того, в потрібному місці використовується правильний матеріал, що досягається шляхом проектування гібридних матеріалів. "Таким чином, метою альянсу є охоплення всього ланцюга розробки, починаючи від розробки матеріалів та виробів і закінчуючи серійним виробництвом компонентів та систем для затвердження та впровадження продуктів".

Альянс Фраунгофера з полегшеного будівництва

Чотирнадцять інститутів об’єднали зусилля у Альянсі Фраунгофера з легкого будівництва (www.allianz-leichtbau.fraunhofer.de). Дослідники працюють над новими матеріалами та композитами, технологіями виготовлення та з’єднання, інтеграцією функцій, конструкторською розробкою та неруйнівними та руйнівними методами випробувань для застосування в легкій конструкції.

Членами Альянсу є Інститути Фраунгофера:

- Високошвидкісна динаміка, Інститут Ернса Маха, EMI, Фрайбург

- Хімічна технологія, ІКТ, Pfinztal

- Лазерні технології, ILT, Аахен

- Виробниче машинобудування та прикладні матеріали, IFAM, Бремен

- Силікатні дослідження, ISC, Вюрцбург

- Промислова математика, ITWM, Кайзерслаутерн

- Механіка матеріалів, IWM, Фрайбург, Галле

- Матеріал та техніка балки, IWS, Дрезден

- Верстатні та навчальні технології, IWU, Хемніц

- Системи транспорту та інфраструктури, IVI, Дрезден

- Неруйнівний контроль, IZFP, Саарбрюкен

- Структурна міцність, LBF, Дармштадт

- Екологія, безпека та енергетичні технології, UMSICHT, Оберхаузен

- Інтегральні схеми, IIS, Ерланген

Оптимальні легкі матеріали допомагають зменшити вагу, і в останні роки виробники автомобілів зосереджуються в першу чергу на легкій конструкції з алюмінію. Якщо у 2000 році в автомобілі було близько 100 кілограмів цього матеріалу, то сьогодні ця кількість становить 140 кілограмів. Магній важить навіть менше, ніж алюміній, але, на жаль, він має численні недоліки. Хоча він легкий, він витримує лише низькі навантаження, а також надзвичайно швидко іржавіє, зменшуючи його потенціал для використання. Волокнисті пластикові композити (FCP) особливо легкі, а також дуже стабільні. Вони виготовляються шляхом інтеграції склопластику, вуглецевих волокон або інших матеріалів у пластикову матрицю. Залежно від вимог, волокна можуть укладатися одне на одне в декілька шарів з різним вирівнюванням, що дозволяє оптимально пристосувати властивості компонентів до конкретного застосування.

Армовані вуглецевими волокнами пластмаси (CFRP) мають великий потенціал для легкої конструкції. Вони на 60 відсотків легші за сталь і приблизно на 30 відсотків легші за алюміній. Інші переваги полягають у тому, що вони не іржавіють і можуть використовуватися в конструкціях, схильних до ударів. Армовані волокнами пластмаси в даний час добре зарекомендували себе у виробництві літаків, а в Airbus A380, наприклад, вони становлять 20 відсотків ваги конструкції. Boeing будує перший літак великої місткості з використанням пластику, здебільшого армованого волокном. Завдяки легкій конструкції 787 - також званий "Dreamliner" - буде важити приблизно на 20 відсотків менше, ніж аналогічні звичайні літаки. Фюзеляж нового Airbus A350 XWB також буде виготовлений здебільшого з армованого вуглецевим волокном пластику.

У Формулі 1 вони роками використовують CFRP. Окрім двигуна, кріплень на колесах та трансмісії, гоночні машини виготовляються майже виключно з вуглецевого волокна. Загалом використовується до 20 різних видів тканин з вуглецевого волокна. Зараз також каски пілотів виготовляються в CFRP; один з них врятував життя Феліпе Масі минулого року, коли 800-грамова сталева пружина вдарила його по голові під час відбіркової сесії до Гран-прі Угорщини. Шолом, який важив лише 1,3 кілограма, дуже добре амортизував удар.

Вуглець для серійних автомобілів

Однак, як і раніше існує велика потреба в дослідженнях і розробках, оскільки CFRP виготовляються та обробляються абсолютно інакше, ніж метали. Матеріали плетуться, прилипають і тверднуть. Його головна перевага полягає в тому, що навіть найскладніші компоненти можна виготовляти цілісно. Для того, щоб скористатися величезним потенціалом легкої конструкції волокнистих композитів, дослідники Fraunhofer працюють над такими концепціями, як проектування відповідних конфігурацій для волокон та текстилю, інноваційні методи будівництва, нові структурні концепції та матеріали та технології виробництва. лінії, що забезпечують високий ступінь автоматизації масового виробництва.

"У машинобудуванні та автомобілебудуванні можна буде масово виробляти волокнисті композиційні компоненти лише тоді, коли ці високотехнологічні матеріали зможуть здешевити", - наголошує професор д-р Франк Хеннінг. Заступник директора Інституту хімічних технологій Фраунгофера (ІКТ) очолює інноваційний кластер технологій для гібридного світлового будівництва, розташований у Карлсруе, на додаток до проектної групи Fraunhofer Integrated Function Light Construction в Асбурзі.

ІКТ проводить роботу над виробничими технологіями для посилення місцевого виробництва термопластів, армованих довгими волокнами (LFT) із використанням суцільних волокон. За допомогою цього процесу можна виготовляти компоненти з інтегрованою функцією за низькою ціною. Але, чи можуть компоненти, виготовлені за цим процесом, витримувати напруження та навантаження, що виникають у моторизованому транспортному засобі? Відповідь рішуче так. У співпраці з галузевими партнерами вчені з питань ІКТ виготовили передній монтажний кронштейн, використовуючи спеціальну технологію LFT. Цей прихований компонент підтримує фари, систему блокування капота та обтікач вентилятора, і хоча в ньому немає жодного металу, він відповідає вимогам, встановленим технічними умовами щодо аварії зі швидкістю 64 км/год.

Вчені компанії Frauhofer, які беруть участь у високоміцному проекті Frauhofer WISA, дослідили, чи підходять волокнисті композити для компонентів, які витримують надзвичайні навантаження та важливі для безпеки, таких як автомобільні шини. Вони виготовляли обідки з литого композитного листа (СМС). SMC - це армовані вуглецевим волокном пластикові конструкції, які виготовляються пресуванням. Проведені випробування та розрахунки показали, що армовані волокнами пластмаси дуже стійкі до пошкоджень і явно перевершують алюмінієві колеса.

Сендвічі для високої стабільності

"Розробка та інтеграція легких матеріалів є непростим завданням, високоефективні матеріали повинні узгоджуватися з інноваційними технологіями з'єднання та виробництва", - говорить професор Хеннінг, наголошуючи на проблемах. В інноваційному кластері KITe hyLITE, «Технології для гібридного легкого будівництва», три інститути Фраунгофера (ІКТ, IWM та LBF) співпрацюють з галузевими партнерами, Університетом Карлсруе та Центром компетентності з легкого автомобілебудування з метою аналізу нових матеріалів, визначення необхідні комбінації матеріалів та розробка прототипів. Вони працюють над відповідними методами розрахунку для прогнозування поведінки компонентів та оптимізації виробничих процесів. На основі експериментальних результатів вчені створили чисельне моделювання та розробляють тестові концепції, які чудово підходять.

Сендвіч-матеріали пропонують оптимальний потенціал для полегшеного будівництва в конструкціях великих площ, які мають тенденцію до деформації. Вони складаються з надзвичайно жорстких і міцних зовнішніх шарів, які розділені легким сердечником. В рамках цього спільного проекту вчені-дослідники з ІФМ Фраунгофера в Галле розробляють високоефективні сендвіч-конструкції із зовнішніми шарами CFRP та опорним сердечником з полімерної піни для використання в первинних конструкціях, що підтримують високі навантаження та важливі для безпеки літаків. Дослідники працюють над новими концепціями випробувань, щоб перевірити, як ці конструкції переносять пошкодження, та використовують спеціальні методи розрахунку для аналізу здатності компонентів протистояти змінним механічним та тепловим навантаженням, що виникають у літаках.

Що стосується космічних застосувань, кожен кілограм меншої конструктивної ваги надзвичайно важливий. Матеріали, що використовуються для силових агрегатів, піддаються впливу температур вище 2000 ° C, і саме тут особливі властивості композитів із світловолокна з керамічною матрицею (Ceramic Matrix Composites - CMC) справді доводять свою цінність. При цих екстремальних температурах вони виявляють ще вищу стійкість, ніж при кімнатній, а також стійкі до корозії та стійкі до пошкоджень. Дослідники з IWM можуть перевірити властивості цих матеріалів при 2000 ° C і точно розрахувати, яке саме оптимальне розташування армуючих волокон та їх поведінку під час експлуатації. Також враховуються мікроструктурні дефекти матеріалу, оскільки вони є ключовим фактором для досягнення хорошого рівня стійкості до пошкоджень. Крім того, використовувані методи служать для вдосконалення інших застосувань, таких як керамічні гальмівні диски в автомобілях.

Дослідники з Інституту структурної міцності та надійності системи Фраунгофера (LBF) перевіряють, чи здатні легкі будівельні матеріали витримувати змінні динамічні навантаження під час експлуатації та як ці розміри повинні мати розмір. Крім того, вони розробляють дизайнерські концепції, адаптовані до нових матеріалів та структурних систем контролю здоров'я (наприклад, для крил літальних апаратів), та досліджують, наскільки безпечні матеріали та чи вони функціонують належним чином. "Тільки завдяки відповідним дизайнерським концепціям можна буде виробляти нові типи легких конструкцій, які пропонують, серед іншого, високий ступінь функціональної інтеграції, наприклад, використовуючи філософію дизайну, засновану на біоміці", - пояснює професор Андреас Бютер, керівник Центру. Конкурс легких конструкцій у LBF.

Легкі, стійкі та стійкі до корозії пластмаси, зміцнені волокном, є ідеальним матеріалом для літаків, автомобілів та вітряних турбін, але вони мають недолік: вони складні та дорогі в обробці, і значна частина робіт все ще виконується вручну. Сьогодні вчені з Фраунгофера працюють над автоматизацією їх виробництва. Наприклад, інженери з Інституту технологій виробництва Фраунгофера (ІПТ) розробили новий процес, за допомогою якого армовані волокнами пластмаси можуть бути виготовлені повністю автоматично. У цій техніці укладання стрічки інгредієнти падають з рулету. Пластмасові волокна інтегровані в пластикові стрічки довжиною один кілометр з термопластичного матеріалу, що розплавляється. Стрічки укладаються одна на одну в кілька шарів, незадовго до розповсюдження лазером сплавляються, а потім стискаються в компактну структуру. Це дає стабільні компоненти.

Щоб з'єднати компоненти з волокнистих композиційних матеріалів, необхідні оптимізовані та економічні методи з'єднання, щоб вони могли витримувати великі навантаження та відповідати вимогам конкретного застосування. Над цим працюють експерти з технологій склеювання з Інституту виробничого машинобудування та прикладних матеріалів (ІФАМ) Фраунгофера. Сьогодні матеріали FCP зазвичай скріплюються після поверхневої активації плівковими клеями або клеями для гарячого затвердіння. Потім шви зміцнюються тиском і нагріванням в автоклавах. Проблема лише одна: розмір автоклавів обмежений, крила літаків не підходять. З цієї причини дослідники з IFAM розробляють клеї, які тверднуть при нижчих температурах.

Зокрема, літаки становлять надзвичайно складний виклик для технологій зчеплення. У Штаде, місті між Гамбургом та Бременом, в рамках компетенції CFRP Valley Stade створений новий дослідницький центр - CFRP North. Тут будуть розроблені будівельні та автоматизовані методи виробництва, а також процеси збірки, орієнтовані на майбутнє, все для зростаючого ринку, такого як армована вуглецевим волокном пластмаса. IFAM підтримує мережу компетенцій завдяки нещодавно створеній проектній групі Fraunhofer Group for Joining and Assembly (FFM) і працює спільно з промисловістю над розробкою методів складання компонентів CFRP в масштабі 1: 1, включаючи сегменти фюзеляжу для літаків великої місткості. Робота в основному зосереджена на процесах різання та швидкого з'єднання, придатних для армованого вуглецевим волокном пластику.

Композитні компоненти волокна можуть бути зв’язані між собою за допомогою лазерів. На виставці JEC Composites Show (Париж, видання 2010 р.) Вчені з Інституту лазерних технологій Фраунгофера (ILT) представили цю нову техніку склеювання для пластмас, армованих вуглецевим волокном або склом. Інфрачервоне світло, випромінюване лазером, плавить поверхню пластикових деталей, потім компоненти стискаються для досягнення надзвичайно стабільного зв’язку. Мине деякий час, перш ніж ці волокнисті композити зможуть широко застосовуватися у виробництві автомобілів. До цього часу автовиробники використовуватимуть розумну суміш матеріалів для економії ваги.

В рамках проекту ЄС SuperLightCar (www.superlightcar.com) промисловість та науково-дослідний сектор розробили корпус, який на третину, або приблизно на 180 кілограмів, легший за звичайні. Ключовим моментом був певний підхід: вчені підбирали для кожного з компонентів матеріал, за допомогою якого вони б заощадили найбільшу вагу, а також підтримували необхідні навантаження. Результат: сталевий, алюмінієвий та магнієвий корпус та композитні волокнисті матеріали.

Суміш матеріалів, що відкриває нові ринки збуту

Lotus Engineering застосовує подібну стратегію. Минулої весни компанія представила дослідження щодо легких конструкцій. На прикладі Toyota Venza інженери показали, як вага автомобіля може бути зменшена до 38 відсотків. Кузов цього автомобіля виготовлений з алюмінію (37%), магнію (30%), композиційних матеріалів (21%) та високоміцної сталі (7%). Кришка багажника, двері та бампери також виготовлені з різних легких будівельних матеріалів. Це означає додаткове зниження споживання палива на 23 відсотки.

Нові матеріали, технології склеювання та легкі конструкції будуть успішними лише в тому випадку, якщо вони будуть безпечними та надійними. Вони повинні витримувати навантаження та стреси день у день також протягом десятиліть. В даний час стан автомобілів, літаків та вітряних турбін вивчається шляхом періодичних неруйнівних випробувань. Дослідники компанії Fraunhofer працюють над структурними методами контролю стану здоров’я, які можна використовувати для перевірки стану компонентів під час роботи. Виробництво автомобілів та літаків, машинобудування та машинобудування є важливими галузями промисловості та створюють багато робочих місць у Німеччині. Використання нових легких будівельних матеріалів може сприяти зміцненню позицій, які мають німецькі компанії на міжнародному рівні.