Włókna i nanorurki węglowe znacznie polepszają parametry
W ciągu nadchodzących pięciu lat spodziewane są niezwykłe postępy w technologiach materiałowych i montażowych, ponieważ inżynierowie wkładają coraz więcej wysiłku w zmniejszenie wagi, miniaturyzowanie i udoskonalanie parametrów komponentów.
Jednym z laureatów w konkursie SPE Automotive Design jest maska wykonana z kompozytów węglowych.
Jeden z najpoważniejszych postępów oparty będzie na stosowaniu tworzyw sztucznie zbrojonych włóknami węglowymi (ang. carbon fiber reinforced plastics, w skr. CFRP) w motoryzacji. Odniosły one już spektakularny sukces w rewolucjonizowaniu projektów samolotowych. Trzy podzespoły z CFRP zostały uznane za finalistów w Konkursie na Innowacje, które wykazywały potencjał rozwojowy dla nowoczesnego, lecz drogiego materiału. Konkurs ten zorganizowany był przez Society of Plastics Engineers w roku 2008 i rozstrzygnięty 20 listopada w Detroit.
- Regulowany tylny błotnik w Chrysler LLC Viper ACR w 2008 wykorzystuje żywicę wzmocnioną włóknami węglowymi zamiast formowania materiału termoplastycznego z wydmuchem. Jedną z korzyści jest zmniejszenie wagi z 5,45 do 2,7 kg. Oprzyrządowanie części kompozytowej jest tańsze o 100 000 dolarów niż oprzyrządowanie konieczne do procesu formowania z wydmuchem. Jednakże największa korzyść to 409 kg “siły nacisku”, która umożliwia stabilizację Vipera przy prędkości 322 km/h. Włókna węglowe to jedyny materiał, który umożliwiał zapewnienie wysokiej wytrzymałości na siły nacisku, bez konieczności znacznego zwiększenia wagi – twierdzi Gary Lownsdale, kierownik inżynieryjny w firmie Plasan Carbon Composites w Bennington, VT.
- CFRP zastępuje formowane tworzywo w postaci arkuszy (sheet molding compound – SMC) w masce samochodu Corvette ZR1 z roku 2008, zmniejszając wagę o połowę, z 10,9 do 5,45 kg. Plasan Carbon Composites, firma specjalizująca się w formowaniu, zastosowała lekkie, tanie oprzyrządowanie, oszczędzając dzięki temu 1 milion dolarów. Jednakże znacznie wyższy jest koszt jednostkowy części.
- Innym zastosowaniem w Corvette ZR1 jest zestaw dachowy o widocznym splocie. Waga została zmniejszona o 30 procent dzięki zastąpieniu termo formowanego komponentu ABS z wielowęglanu. Zastosowanie przezroczystej powłoki stabilizowanej przed UV zapobiega żółknieniu pod wpływem czasu.
Lownsdale podkreśla, że możliwości zastosowań kompozytów węglowych w samochodach są “niesłychane” bez względu na wysokie koszty, które przekraczają wiele razy koszty konkurencyjnych procesów. Jedną z przyczyn są niskie koszty oprzyrządowania. Na przykład uniknięto wydatku miliona dolarów na oprzyrządowanie do maski Corvette w porównaniu do oprzyrządowania wymaganego przy laminacie SMC. Jesteśmy w stanie formować włókno węglowe w ramach jednej operacji narzędziowej ze względu na wewnętrzną wytrzymałość i sztywność zginania włókna węglowego – twierdzi Lownsdale.
Prostsze i tańsze oprzyrządowanie wymagane przy CFRP również umożliwia skrócenie cykli procesu rozwoju. Program rozwoju dla tylnego błotnika Vipera, od etapu rysunków powierzchniowych do produkcji masowej, trwał 12 miesięcy – dodaje Lownsdale. Plasan, spółka izraelska, uzyskała pierwsze części produkcyjne już w ciągu sześciu miesięcy.
Jednym z interesujących aspektów rozwoju związanego z włóknami węglowymi w motoryzacji jest wysoki stopień wymaganej współpracy w ramach łańcucha dostaw, częściowo ze względu na innowacyjny charakter technologii. Wprowadzono innowacje konieczne dla unowocześnień w Viperze:
- Firma ETS opracowała włókno węglowe impregnowane niską zawartością LZO – szybko schnącą żywicę z zintegrowanym stabilizatorem UV.
- Firma ETS opatentowała stabilizowany nośnik o widocznym splocie – w celu wyeliminowania skręconych lub luźnych splotów.
- Firma Hankuk opracowała tkaninę o wysokiej odporności na rozciąganie – w celu uzyskania wytrzymałości na wysokie obciążenie siłami nacisku podczas jazdy Vipera z dużą prędkością.
- Firma Plasan Carbon Composites ulepszyła technologię produkcji, poczynając od obróbki po montaż.
Navistar zmniejszył wagę tej maski ciężarówki o 20 procent dzięki zastosowaniu opatentowanych wypełniaczy nanoglinkowych.
Jeśli chodzi o inne zastosowania, firma Ashland opracowała spoiwa o wysokiej wytrzymałości, odporne na wysokie temperatury i szybkoschnące.
Super Silne Nano
Inna rozwijająca się technologia materiałowa, która będzie wywierać ogromny wpływ na inżynierię projektową, to rozwój super wytrzymałych materiałów w skali nano.
Uniwersytet Stanu Floryda planuje w tym roku wydzielić spółkę, która podejmie się próby skomercjalizowania przełomu przy użyciu węglowych nanorurek. Uniwersyteccy naukowcy są przekonani, że udało im się opracować nową technologię, która umożliwi handlowe wytwarzania arkuszy w 50 do 100 procent wypełnionych węglowymi nanorurkami. Do tej pory węglowe nanorurki są jedynie stosowane w tworzywach sztucznych, w obciążeniach 2 do 3 procent, ponieważ mają tendencję do splatania i sklejania przy dużych obciążeniach.
Profesor Ben Wang poinformował Design News, że gdy wystawia rurki na wysoki magnetyzm, ustawiają się one w jednym kierunku, jak żołnierze w czasie ćwiczeń. Ponadto twierdzi, że udaje mu się wytworzyć pewną szorstkość powierzchni, co umożliwia nanorurkom przyleganie do materiału matrycy, jak na przykład epoksydu. W rezultacie nanorurki mogą zastąpić włókna węglowe w konstrukcji z kompozytów— lecz osiągane wyniki są znacznie bardziej oszałamiające.
Możliwe jest wytworzenie niezwykle cienkich arkuszy zawierających nanorurki —nazwanych “buckypaper” (papier bucky). Nazwa “Bucky” pochodzi od Buckminster Fuller, który przewidział kształty dzisiaj zwane fulerenami. Ułożenie sterty składającej się z setek arkuszy takiego “papieru” umożliwi otrzymanie materiału kompozytowego 10 razy lżejszego, lecz jednocześnie 500 razy silniejszego niż arkusz stali węglowej o podobnym wymiarze. Jedną z najbardziej zainteresowanych spółek jest Lockheed Martin. W odróżnieniu od CFRP, nanorurki węglowe przewodzą elektryczność podobnie jak miedź lub krzem i rozpraszają ciepło w podobny sposób jak stal czy mosiądz.
Nanoglinki już są dostępne w użytku handlowym i wykazują do pewnego stopnia pewne zalety związane z nano rozmiarami ze względu na ich bardzo wysoki wskaźnik obszaru powierzchniowego do wagi.
Navistar zastępuje szklane mikrosfery w maskach silnika ciężarówek wypełniaczami z nanoglinek, zmniejszając wagę o 9,5 kg, czyli o 20 procent oryginalnej wagi. Oszczędności wagi przekładają się na 2 miliony rocznie lepszej rentowności w postaci dochodów – twierdzi Edward Zenk, starszy inżynier ds. rozwoju w grupie International Trucks and Engine firmy Navistar w Warrenville, IL. Umożliwia to załadowanie dwudziestu jeden więcej produktów masowych na ciężarówkę na trasę bez przekroczenia narzuconych ograniczeń drogowych.
Navistar nazywa nową technologię “wytrzymałymi lekkimi pokrywami silnika z laminatu SMC,” przy czym SMC oznacza elementy kompozytowe w postaci arkuszy (ang. sheet molding compound), wytworzone w procesie formowania tłocznego, wykorzystujące żywice i wypełniacze poliestrowe. SMC to ta sama technologia, która została zastąpiona w masce silnika Corvette węglowymi włóknami kompozytowymi.
Konieczne było wyeliminowanie nieorganicznych wypełniaczy w celu zmniejszenia wagi – stwierdza Helena Twardowska, starszy naukowiec w Ashland w Dublinie, Ohio. Nanoglinki to bardzo skuteczny wypełniacz ze względu na bardzo duży obszar powierzchniowy wynoszący 740 m2/g, co umożliwia obniżenie wskaźników wypełniacza z zakresu od 150 do 200 części wagowych do 25 – 50 części wagowych.
Nanoglinki mają dodatkowe korzystne właściwości. Jedną z nich jest lepszy współczynnik giętny i gładkość powierzchniowa. Przy wysokich temperaturach współczynnik materiałów wzrasta o 20 procent. Powierzchnia z mikrosfer szklanych, które były do tej pory w wielu przypadkach stosowane dla lekkich kompozytów SMC, po piaskowaniu może okazać się trudna do pomalowania.
Koszt surowca lekkich kompozytów SMC jest o 15 procent wyższy niż standardowy SMC, który ma ciężar właściwy równy 1,9. Na przykład aluminium mogłoby umożliwić wytworzenie części o tej samej wielkości przy nieco większych oszczędnościach wymiarowych (11,8 w porównaniu do 9,5 kg), lecz jego koszt wynosiłby ponad dwa razy więcej niż koszty standardowego SMC.
Mikroinżynieria stanowić będzie postęp technologiczny, którego znaczenie będzie coraz większe, zwłaszcza w technologii narzędzi medycznych.
Najbardziej rozpowszechnionym błędnym mniemaniem dotyczącym mikroformowania jest założenie, że przypomina makroformowanie – twierdzi Donna Bibber, prezes, Micro Engineering Solutions, Charlton City, MA. Nie jest to prawdą. Jest po prostu zupełnie inne. Projekty są różne i narzędzia są różne, podobnie jak procesy i protokoły pomiarowe. Nie można wytworzyć czegoś, czego nie można obmierzyć – stwierdza Bibber. Konieczna jest możliwość potwierdzenia, że część otrzymywana z formy odpowiada wymaganiom.
Urządzenia medyczne to przykład komponentów, które ciągle stają się coraz mniejsze. David Danitz, wiceprezes odpowiedzialny za badania w Novare Surgical Systems, opowiada, że nie był w stanie znaleźć dostawcy, który mógłby wytworzyć mikroczęść przez niego zaprojektowaną do nowych laparoskopowych instrumentów chirurgicznych. Bibber podkreśla, że ogólnie rzecz biorąc najtrudniejszym aspektem wytwarzania mikroczęści, jest wytworzenie narzędzia, które miałoby ogromną wytrzymałość. Uzyskanie dobrego narzędzia to przejście 85 procent całej drogi – dodaje.
