Progressively developed polymer composites in automotive

Automobilový priemysel predstavuje komplexné odvetvie, ktoré vplýva na strojársku, elektrotechnickú, chemickú výrobu  a samozrejme aj výrobu plastov a gumy. Po�iadavky automobilového priemyslu sa v poslednej dobe pomerne výrazne zmenili. Najvýznamnejšími faktormi, ktoré ovplyv�ujú návrh automobilu, sú dnes náklady, výsledná spotreba a emisie škodlivín. Pritom pred nieko�kými rokmi sa na spotrebu a emisie ve�mi významne neprihliadalo.

V sú�asnej dobe  sa nahrádzajú vo ve�kej miere kovové �asti automobilu plastmi. Vývoj nových materiálov, alebo zlepšovanie existujúcich materiálov, pre automobilový priemysel je motivovaný faktormi ako napr. dizajn, výkon, spotreba paliva, odolnos� korózii, nízke náklady prevádzky, sprísnenie ekologických noriem, bezpe�nos� pri náraze a pod. Tieto faktory nútia výrobcov automobilov vyu�íva� nové materiály, ktoré majú vyššiu pevnos� vzh�adom k ich hmotnosti, respektíve lepšiu kombináciu mechanických vlastností. S vyu�itím plastových dielov sa �oraz �astejšie stretávame v miestach, kde by to ešte pred pár rokmi bolo nemyslite�né.

Materiály pou�ívané pri výrobe automobilu

Na výrobu automobilu sa pou�ívajú rôzne druhy konštruk�ných materiálov. Ocele a liatiny sa pou�ívajú na výrobu hlavných konštruk�ných skupín automobilov. Me� je pou�ívaná pri elektroinštaláciách a v zliatinách. Olovo sa nachádza v akumulátoroch rovnako ako antimón. Pri povrchovej úprave plechov sa pou�íva zinok a pozinkovaný plech sa pou�íva na výrobu karosérie. Z ocelí sa pou�ívajú konštruk�né ocele, ocele s vysokým alebo nízkym obsahom legovacích prvkov a vysokopevné ocele.

Výrobcovia ocelí u� dlhšiu dobu pozorujú, �e �elia konkurencii hliníka a iných nových materiálov ako sú napríklad hor�íkové zliatiny, alebo plasty. Aby boli úspešní v konkurencií, musia by� nové ocele �ahšie, pevnejšie a stabilnejšie. Jedným z konštruk�ných materiálov, ktorý by mohol tieto po�iadavky v budúcnosti sp��a� sú TWIP ocele. Nový trend vo výrobe automobilov, ktorého sme svedkami v posledných rokoch, je charakteristický aj aplikáciou karosériových povlakovaných plechov so zvýšenou koróznou odolnos�ou ako výsledok snáh vyspelých automobilových výrobcov o dosiahnutie kritéria 10/5, pod�a ktorého je potrebné po dobu 10 rokov zabráni� perfora�nej korózii a v priebehu 5 rokov predís� kozmetickej korózii automobilu. Pozinkované plechy sa v automobilovom priemysle pou�ívajú predovšetkým na povrchové diely a na diely vystavené intenzívnym poveternostným vplyvom.

Nástup polymérov

V automobiloch sa za�ínajú �oraz viac uplat�ova� plasty a polymérne kompozity.  Obsahujú širokú rozmanitos� rôznych funk�ných materiálov, ktoré vykazujú širokú škálu �iaducich vlastností. Sú  silné a  �ahké, odolné vo�i chemikáliám a drsnému prostrediu, a sú vynikajúcimi tepelnými a elektrickými izolátormi. Mô�u by� prieh�adné, alebo neprieh�adné, mäkké, pru�né, pevné, alebo mô�u ma� takmer akýko�vek tvar a ve�kos�. Sú teplo odolné a odolné vo�i korózii a sú recyklovate�né. Plasty sú v porovnaní s oce�ami �ahšie pribli�ne sedem krát a v porovnaní s me�ou a jej zliatinami viac ako devä� krát. Tieto výhody, spolu s ich cenovou efektívnos�ou, stanovili  plasty ako preferovaný materiál v širokej škále komer�ného pou�itia.

Ak do �ivice �i plastu pridáme výstu� vo forme vlákien, ktoré majú vysokú tuhos�, pevnos� a teplotnú stabilitu, získame celkom novú , unikátnu skupinu materiálov kombinujúcich synergicky mechanické vlastnosti výstu�e s �ahkos�ou spracovania polymérov. Táto skupina materiálov sa nazýva vláknové polymérne kompozity alebo vláknové kompozity s polymérnou matricou a tieto nachádzajú �oraz vä�šie uplatnenie pri stavbe automobilov.

Polymérne kompozity majú oproti kovovým a keramickým kompozitom mnohé výhody. K najvýznamnejším patria vysoká špecifická pevnos�, pomerne �ahká výroba a spracovanie, odolnos� vo�i korózii, lepšie dynamické vlastnosti, dobré tlmiace vlastnosti, vysoká tvarová stálos� a mo�nos� vyrába� zlo�ité diely jednorázovo alebo ich sklada� z celkovo menšieho po�tu dielov (integrálna stavba). Vysoká špecifická pevnos� bola hlavným dôvodom, pre�o sú vystu�ené plasty vhodné pre aplikácie, ktoré musia vydr�a� nárazy. Na obr. 1 je uvedené % rozlo�enie pou�itia jednotlivých druhov plastov pri stavbe automobilu. Pou�itie plastov pri stavbe automobilu Smart je zobrazené na obr. 2.

Obr.2 Diely karosérie automobilu Smart vyrobené z plastu

Polymérne kompozity v autách  budúcnosti

Nekovové autá nie sú �iadnou novinkou. Plastové diely karosérie mal pred mnohými rokmi napr. Renault Espace, dnes sú na autách štandardom plastové blatníky. Fiat Tipo mal v osemdesiatich rokoch 20. storo�ia veko kufra tie� z plastu. Automobilka Ford montuje do svojich dodávok od roku 1991 listové pru�iny z plastov, plastové prie�ne listové perá mal u� športový Chevrolet Corvette z roku 1984.

V tejto �asti príspevku sú popísané materiály, ktoré predstavujú automobilky pri stavbe áut, skôr ako vízie pou�itia materiálov do budúcnosti:

• biofibre,
• kompozit  vyrábajúci elektrickú energiu,
• buckypaper,
• samoopravovací plast,
• prírodné vlákna,
• hi-tech látka pou�itá na karosérií automobilu.

Materiál Biofibre

Výrobu áut v laboratóriu, úplne iným spôsobom ako doteraz, prezentuje automobilka Mercedes-Benz. Auto �ou vyrábané by malo by� skôr vypestované ako vyrobené v továrni. Inšpiráciu berie automobilka priamo z prírody, preto�e auto je celé integrované do ekosystému. Auto sa ukazuje v továrni Mercedes-Benz v kalifornskom Carlsbade (obr. 3). Vízia vývoja tohto koncernu je nový rastúci materiál Biofibre. Mal by by� pevnejší ako oce� a pritom �ahší ako kov. Tým by auto vo výslednej podobe vá�ilo 394 kg.  Vozidlo by bolo úplne ekologicky rozlo�ite�né. Na karosárske a interiérové diely by sta�ili dve semienka, �alšie štyri na kolesá, ktoré by sa š�achtili. Taktie� by auto mohlo rás� pomocou integrovaného genetického kódu. Ako palivo by sa pou�ilo „BioNectar 4534“, ktorý by neprodukoval �iadne emisie.

Obr. 3 Automobil Mercedes - Benz z materiálu Biofibre

Kompozit vyrábajúci elektrickú energiu

V sú�asnosti sa dostávajú do popredia hybridné automobily vyu�ívajúce elektrickú energiu. Najvä�ší problém majú s výdr�ou batérie. Ak má ma� batéria dlhšiu výdr�,  je hne� o nie�o �a�šia alebo zaberá miesto v automobile. Prototyp kompozitu vyrábajúci elektrickú energiu je zlo�ený z uhlíkových vlákien a �ivice polyméru (obr. 4). Oproti klasickým batériám má vä�šiu kapacitu pre ukladanie elektrickej energie, rýchlos� pri nabíjaní, �i naplnení. Pri tomto procese je degradácia malá. Materiál je �ahký a silný a v pou�ití v karosérií automobilu sp��a všetky po�iadavky.

Podstata výroby energie spo�íva v tom, �e celá karoséria automobilu by bola vyrobená z pevného kompozitu uvo��ujúceho elektrickú energiu. Tá by sa usklad�ovala v batérií, �i priamo pohá�ala automobil. Tento kompozit by rovnako napájal aj ka�dú elektroniku, ktorá si vy�aduje elektrickú energiu a nebolo by potom pri nich potrebné ma� batériu.

Obr.4 Kompozit vyrábajúci elektrickú energiu

Pri �alšom vývoji tohto kompozitu sa bude klás� hlavný dôraz na zvýšenie kapacity pre výrobu energie. Bude to mo�né dosiahnu� pou�itím nanotrubíc. Tie sa budú pestova� na povrchu uhlíkových vlákien, �ím zvýšia povrchovú plochu na zvýšenie úlo�nej kapacity.

Materiál Buckypaper

Materiál Buckypaper je papier 500x silnejší a 10x �ahší ako oce�. Je zlo�ený z uhlíkových nanotrubíc a má mnoho neuverite�ných fyzikálnych vlastností. Trubice sú v tvare molekúl oxidu a sú 50 000x tenšie ako �udský vlas (obr.5). Materiál je ve�mi pru�ný, �ahký, silný, dobre vedie elektrický prúd a rýchlo rozpty�uje svetlo.

Obr. 5 Uhlíkové nanotrubice v materiáli Buckypaper

Doteraz sa Buckypaper vyu�íva len v minimálnych mno�stvách, nako�ko jeho výroba je nákladná a �a�ko sa vyrába vo vä�ších mno�stvách.

Techniky vylepšenia a vyrobite�nosti spo�ívajú v pou�ití:

• magnetov na posilnenie zladenia nanotrubíc a
• tvarovania povrchu nanotrubíc, ktoré zvyšujú lepiacu silu - obr.6.
  
  

Samoopravovací materiál

Nový materiál - uvádzaný ako samoopravovací plast by sa mal sám opravi� pôsobením svetla po jeho poškodení. Tento materiál má vlastnos� opravi� poškodenia svojej štruktúry. Vodné kopolyméry, na ktorých je plast zalo�ený v�aka svoje špeciálnej molekulárnej mrie�ke, vedia obnovi�, �i zaceli� poškodenia a spôsobené defekty. Oproti ostatným polymérom je tento plast ekologicky menej škodlivý. Okrem samoopravenia má plast aj praktickú vlastnos� tzv. „krváca" . Ak je poškodený, mení sa jeho farba na poškodenom mieste do �ervena ( obr.7). Tým poukazuje na poškodenie a prípadné skoré odstránenie chyby. Okrem toho sa plast opraví nie len raz, ale viac krát. Na to , aby sa plast za�al opravova�, sta�í prítomnos� svetla v rôznych prevedeniach – slne�né svetlo, �iarovka a pod.

Obr. 7 Postup samoopravenia materiálu

Vyu�itie pre tento plast by bolo aj v automobilovom priemysle. Pri poškodení napr. plastových nárazníkov by sme nemuseli navštívi� servis, �i kupova� nový nárazník, �ím sa dbá aj na ekológiu. Takto poškodený nárazník by sa rýchlo a jednoducho opravil napr. v gará�i pri zapnutom svetle. �alšie vyu�itie by bolo v leteckom priemysle. Poškodené �asti trupu by sa sami identifikovali a pod�a záva�nosti poškodenia by sa rozhodovalo o úplnej výmene dielu, �i samoopravení. Výroba tohto materiálu je v štádiu výskumu a je ve�mi drahá.

Prírodné vlákna

Výsledky výskumu vo svete poukazujú na to, �e plnivo do kompozitov mô�e by� aj prírodné vlákno napr. z konope, bambusu, kokosu, �anu, juty, banánovníka, z vlny kôz, oviec. Príprava kompozitu z prírodných vlákien je znázornená na obr. 8.

Obr. 8 Postup výroby kompozitu z prírodných vlákien

Výskumy dokázali, �e prírodne plnivá v plastových dieloch zvyšujú tuhos� a hú�evnatos� a tak sa mô�u pou�i� na st�piky v aute, výplne do dverí a iné diely auta. Na rozdiel od prírodných vlákien �ivo�íšne vlákna ( ov�ia a kozia srs� alebo hodváb ) vplývajú na �a�nos� dielov z plastu. Takto pou�ité prírodné plnivá bambusu, je mo�né vidie� na koncepte automobilu, ktorý je na obr. 9.

Obr. 9 Auto Rinspeed Bambo s karosériou z plastu / plnivo – vlákno bambusu/

Medzi automobilky, ktoré chcú zvýši� pou�itie recyklovaných a obnovite�ných prírodných zdrojov patrí aj automobilka Ford. Vývojári firmy chcú aplikova� kokosové vlákna do rôznych druhoch plastov pre zní�enie mno�stva potrebnej ropy na ich výrobu. Kokosové vlákna s plastom by mali by� �ahšie a pevnejšie, taktie� mo�no budú odolné proti oh�u. Nako�ko sú kokosové vlákna zle hor�avé, je to výhoda pre ich pou�itie najmä z bezpe�nostného h�adiska. Z estetického h�adiska by chcela automobilka vyu�i� vidite�nos� dlhých kokosových vlákien, ktoré sú v plaste vidite�né. Dodávalo by to interiéru vozidla prírodnejší dizajn. Pri výrobe by vznikal odpad z kokosov, ktorý by bol následne pou�ívaný napr. pri výrobe odkladacích zásuvkách, priehradkách, oblo�enia dverí alebo ako tlmenie.

Nové vystu�ené plasty sú vo vývoji nanocelulózy, ktorá mô�e ma� zdroj v stonke, �i liste rastlín alebo stromov. Vlákna nanocelulózy vynikajúco spoja plast, sú �ahšie, odolnejšie vo�i chemikáliám, teplu  a ekologicky menej škodlivé. Sú o 30% �ahšie a 4x pevnejšie ako doteraz známe plasty, ale ich výroba je i v dnešnej dobe drahá. Tento argument bude hlavným pre �alší vývoj týchto plastov. U� v blízkej budúcnosti sa mo�no budú pou�íva� na nárazníky automobilov, prístrojové dosky a iné �asti karosérie automobilu.

Hi-tech látka

Plechové alebo hliníkové �asti karosérie sú pre koncept automobilu nazývaný Gina nepodstatnou sú�as�ou. Karoséria tohto automobilu je potiahnutá Hi-tech látkou (polyurethane–coated Spandex), ktorá zakrýva všetky �asti karosérie ako sú vytiahnuté blatníky, zadný spojler a pod. Zadné prítla�né krídlo sa vysunie len pri vysokých rýchlostiach, no pri tých ni�ších nie je ho vidie�, preto�e je ukryté pod látkou (obr. 10).

Obr. 10 Odkrývanie �asti karosérie na automobile Gina

Zapínanie predných svetiel sa realizuje odkrytím látky na mieste. Gina nemá �iadne �asti karosérie ako napr. kapota motora, �i dvere. Všetko je zakryté jednou látkou a pod�a potreby sa daná �as� odkryje. Ak chceme nastúpi� do vozidla, látka na  mieste dverí zvráskavie a dvere sa otvoria do 45° uhla, ako mô�eme vidie� na obr. 11.

Obr. 11 Otváranie dverí na automobile BMW Gina

Prístup k motoru nie je chránený kapotou. Ak chceme vymeni� vodu do ostrekova�ov, alebo vymeni� olej, sta�í  „odzipsova� " ur�enú �as� a prístup je vo�ný (obr. 12). Pri prehrievaní motora sa automaticky otvoria nasávacie otvory pre vzduch a motor bude ma� dostatok chladného vzduchu na chladenie.

Obr. 12 Otvorenie kapoty automobilu BMW Gina

Ka�dá �as� karosérie je ukrytá pod Hi-tech  látkou a len pod�a potreby sa odkryje. V skuto�nosti sa látka delí na štyri �asti, aj ke� pôsobí ako celok. Látka bola testovaná proti silnému da��u �i mrazu. Oce�ová konštrukcia, ktorá sa skrýva pod látkou vychádza z modelu BMW Z4 a je vystu�ená karbónom. V sú�asnosti má látka praktické vyu�itie na strechách kabrioletov.