Clasa materială pentru viitor
Construcția ușoară este combinația abilă de materiale și structuri cu scopul de a reduce la minimum consumul de energie și materii prime prin economii maxime de greutate. Plasticele întărite cu fibre joacă un rol deosebit aici, deoarece sunt ușoare, rigide și rezistente. Procesele de producție pentru componentele ușoare care sunt potrivite pentru producția de serie sunt acum solicitate, astfel încât să poată obține o acceptare largă.
Piedestalele noastre mobile au devenit semnificativ mai ușoare de-a lungul anilor: un cărucior din anii șaizeci este semnificativ mai greu decât un model pliabil modern din CFRP și aluminiu. În urmă cu 60 de ani, bicicliștii de curse din Turul Franței trebuiau să pedaleze mult mai mult pe Pirinei decât sportivii de astăzi, ale căror biciclete de curse cântăresc adesea doar opt până la nouă kilograme și sunt fabricate în întregime din carbon. Și un automobil modern - în ciuda mult mai mult confort și siguranță - nu mai cântărește la fel de mult ca succesorul direct al mașinii de către Berta și Carl Benz. Dar înlocuirea metalului cu materiale mai ușoare, de preferință din plastic, este doar o fațetă a construcției ușoare. Greutatea mai mică poate fi obținută și prin schimbarea structurilor. Exemple ilustrative sunt o structură de tip fagure într-un stup sau aripile unei libelule: Ele reprezintă doar două procente din greutatea corpului, dar rezistă la sarcini continue mari.
Motoarele inovatoare în construcția ușoară sunt reducerea CO2 în sectoarele transporturilor și auto, precum și economia de materii prime și energie. Construcția ușoară este, prin urmare, un copil al timpului nostru și, printre altele, rezultă din tendința către durabilitate. Conceptele de construcții ușoare pot fi împărțite în trei abordări. Construcția ușoară materială și structurală, construcția ușoară structurală și construcția ușoară a sistemului. Construcția de țesături ușoare este strategia cu cel mai mare potențial de economisire. Materialele convenționale sunt înlocuite cu materiale mai ușoare sau materiale cu proprietăți îmbunătățite. Acestea din urmă permit reducerea greutății prin pereți mai subțiri - cu aceeași performanță. Structura unor materiale a fost modificată pentru a reduce greutatea suplimentară. Această creație de structuri goale - de exemplu spume - este rezumată sub termenul de construcție ușoară structurală. O altă strategie a construcției ușoare este forma sau construcția ușoară structurală. Este vorba despre optimizarea structurală a unei componente și distribuția materialului în componenta însăși.
În timp ce primele două principii iau în considerare elemente sau ansambluri individuale, abordarea sistemului ușor are în vedere întregul sistem. Prin integrarea mai multor funcții într-o componentă, greutatea totală a unui sistem poate fi redusă, deși greutatea elementelor individuale sau a ansamblurilor poate crește cu ușurință prin integrarea funcțiilor. De exemplu, funcția de izolație acustică poate fi combinată cu rezistența structurală (inginerie auto).
În raportul de progres al Platformei Naționale de Electromobilitate a Biroului Comun de Electromobilitate al Guvernului Federal (GGEMO), Berlin, construcția ușoară este unul dintre cele cinci domenii care ar trebui să asigure conducerea tehnologică a Germaniei (a se vedea caseta infoDIRECT). Volumul proiectelor de construcții ușoare subvenționate este de 300 de milioane de euro.
Cu toate acestea, construcția ușoară nu este doar o tehnologie cheie a viitorului în construcția de automobile. Cererea de materiale ușoare a crescut cu 300% între 2002 și 2007. Materialele metalice ușoare de construcție sunt aluminiu, magneziu, oțeluri de înaltă rezistență și titan. În plus, materialele compozite din fibre sunt considerate materiale clasice de construcție ușoare. Se utilizează următoarele fibre: sticlă, carbon, ceramică (mai ales într-o matrice ceramică), aramidă, bor, oțel, fibre naturale și de nailon.
Piața materialelor plastice compozite
Materialele plastice compozite din fibre (FRP) sunt un subgrup de materiale compozite din fibre. Doar aproximativ trei la sută din producția globală de materiale plastice intră în aplicații cu FRP - o proporție foarte mică. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că acestea sunt piese tehnice speciale care sunt rareori fabricate în producție în masă sau pe scară largă. Când vine vorba de FRP, se face distincția între materialele plastice armate cu fibră de sticlă (GRP) și materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP). Materialele plastice armate cu fibre naturale sunt în creștere, dar nu sunt încă semnificative. Volumul total al producției de GRP a crescut moderat la puțin peste un milion de tone în 2011 și este acum înapoi la nivelul anului 2008, conform raportului de piață al AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe, Frankfurt, din septembrie 2011. CFK a atins din nou nivelul anului 2008. Analiștii își asumă o cerere de peste 35.000 de tone pentru 2011. Aceasta corespunde unei creșteri de aproximativ 10%. Potrivit estimărilor, această nevoie va fi dublată până în 2015. Cota principală a pieței CFRP poate fi alocată compozitelor cu materiale plastice. Ca matrice sunt utilizate rășini epoxidice, fenolice și poliesterice, precum și termoplastice.
Potențialul ridicat al acestei clase de materiale rezultă din caracteristicile speciale ale FRP. Componentele FRP sunt deosebit de ușoare și foarte rigide. Sunt rezistente la coroziune și medii, rezistente la căldură, durabile și de lungă durată. Au un comportament bun de amortizare și sunt stabili dimensional. Acestea oferă un grad ridicat de libertate de proiectare și proprietățile lor pot fi adaptate în funcție de tipul sau cantitatea de amestecuri de fibre. Dezavantajul este că procedura clasică pentru dezvoltarea componentelor nu poate fi utilizată. Prin urmare, un accent de cercetare este simularea în dezvoltarea produsului, instrumentului și procesului.
Provocarea producției de serie
În general, pot fi fabricate atât piese mici - de exemplu în tehnologia medicală - componente de serie din sectorul auto, cât și componente mari - cum ar fi lame pentru turbine eoliene - cu o lungime de aproximativ 60 de metri. Cele mai importante aplicații pot fi găsite în construcții și transport. Țevile, rezervoarele, profilele sau plăcile, precum și suprastructurile pentru camioane sunt tipice. FRP sunt, de asemenea, utilizate pentru produse din sport și agrement, precum și din industria electrică și electronică: pentru producția de biciclete de curse, cizme de schi, bastoane de mers sau pentru dulapuri sau comutatoare.
Multe componente ușoare sunt fabricate numai în număr mic. Ceea ce nu este o problemă în industria aerospațială, întrucât oricum sunt necesare doar câteva piese, împiedică înaintarea triumfală pe piețele de masă sau pentru seriile mari, cum ar fi electronica și ingineria auto.
O proporție semnificativă de aeronave moderne sunt fabricate din FRP. Patru variante diferite au fost utilizate în Airbus A 380: GFK, CFK, QFK (materiale plastice armate cu cuarț) și orbire (laminat de aluminiu armat cu sticlă). A350 are cea mai mare pondere compozită, la 53%. Boeing 787 Dreamliner atinge valori similare cu aproximativ 50%. O proporție atât de mare de FRP în aviație se plătește și pentru componentele scumpe: cu 10 kg greutate mai mică economisește 3 litri de kerosen pe oră de zbor.
În construcția vehiculelor, cei implicați testează în prezent procese adecvate pentru producția de serie pentru fabricarea și prelucrarea componentelor din materiale plastice armate cu fibre sau combinațiile acestora cu aluminiu sau oțel. Proprietățile speciale ale FRP fac posibile multe cerințe asupra automobilului viitorului: o mai mare libertate de proiectare permite reducerea coeficientului de tracțiune, mașinile devin mai ușoare fără a fi nevoie să compromită siguranța.
Procesul de fabricație influențează proprietățile componentei
Decizia pentru un proces de fabricație este determinată de cerințele respective pentru economie (numărul de piese!) Și tehnologie. Procesele permit conținuturi diferite de fibre, care pot fi utilizate pentru a influența rezistența sau modulul de elasticitate și, astfel, proprietățile unei componente. Se face distincția între procesele manuale, parțial automatizate, complet automatizate și continue.
Laminarea manuală sau pulverizarea fibrelor este unul dintre procesele manuale. Componentele sunt personalizate în număr mic. Conținutul de fibre este în mare parte scăzut și este de obicei în jur de 20 până la 40%.
Procesele parțial automatizate includ, de exemplu, procesele de injecție - RTM, injecția sub vid, injecția sub presiune - precum și seringile din fibră-rășină și procesele de presiune scăzută. Componentele mici până la palele turbinei eoliene pot fi fabricate în acest fel. Numărul de piese este de obicei semnificativ mai mare, dar de obicei nu atinge încă cantitățile necesare pentru producția pe scară largă. Conținutul de fibre este în intervalul mediu, în jur de 30 până la 50 la sută.
Seriile mari sunt produse folosind procese complet automatizate. Procesele de aici includ în principal metodele de presare - presare umedă, rece, caldă și câteva altele. Deoarece semifabricatele - mase, foi, preforme - pot fi utilizate în locul materiilor prime, se pot produce cantități mari. Aplicațiile în producția de serie, de exemplu în industria auto, funcționează întotdeauna cu prese complet automate. Conținutul de fibre este foarte larg, dar poate fi stabilit în intervalul mediu.
Procesul de pultruziune sau extrudare este unul dintre procesele continue. Profiluri de tot felul sunt produse în acest sens. Fibrele sunt trase printr-un instrument de modelare cu mare forță. Datorită presiunilor ridicate, cel mai ridicat conținut de fibre - teoretic peste 80% - poate fi atins aici.
Procesele de înfășurare, împletitură și filare sunt procese speciale. Cu ajutorul lor, se fabrică produse cu proprietăți specifice în ceea ce privește forma sau sarcina: în procesul centrifugal, de exemplu, silozuri cu diametru mare sau în vase sub presiune pentru bobina pentru sectorul auto și țevi pentru industria chimică și în cadre de împletitură pentru biciclete de curse. Conținutul de fibre este de obicei în intervalul mediu.
Reduceți costurile de fabricație
Cercetările sunt efectuate în primul rând pentru a face producția și prelucrarea ulterioară a componentelor mai rentabile. Nu este vorba doar despre procesul de fabricație în sine, ci și despre post-procesare sau pregătirea semifabricatelor. Proiectul UE „FibreChain” și proiectul finanțat de BMBF „InProLight” și-au stabilit obiectivul de a dezvolta diferite lanțuri de proces integrative de la soluții speciale sofisticate până la producția în masă a componentelor din FRP termoplastic. Fraunhofer ILT, Aachen, își asumă sarcina parțială de optimizare a îmbinării și tăierii componentelor. Începând cu materia primă, Andreas Rösner și colegii săi au dezvoltat un proces de îmbinare structurală. Până în prezent, componentele ușoare au fost conectate prin lipire sau nituire. Ambele sunt scumpe și durează mult. Pentru a evita acest lucru, Rösner conectează componentele cu un laser. Energia este introdusă direct în zona de îmbinare, ceea ce scurtează semnificativ timpul procesului. Odată cu îmbinarea cu laser, ambele componente complexe pot fi fabricate din piese individuale, iar structurile adaptate la sarcină pot fi create prin rigidizare selectivă.
În multe momente ale lanțului de proces, semifabricatele trebuie, de asemenea, tăiate, tăiate sau tăiate găuri. Deteriorarea marginii materialului trebuie redusă la minimum. Frank Schneider și colegii săi, de asemenea la Fraunhofer ILT, dezvoltă noi procese de tăiere cu un laser C02 cu impuls scurt, printre altele. Deteriorarea termică a materialului poate fi redusă semnificativ datorită aportului redus de căldură. Funcționează cu aproape nici o deteriorare termică atunci când se utilizează lasere cu impuls ultra-scurt de mare putere. Cu puteri de până la 500 W, aceste lasere pot fi utilizate pentru a implementa etape de proces economic chiar și pe combinații de materiale extrem de sensibile din industria aerospațială.
Procesele de sudare și tăiere cu laser utilizate ar trebui să facă fabricarea componentelor din FRP semnificativ mai ușoară, automatizabilă și, mai presus de toate, rapidă și rentabilă. Și aceasta este tocmai cheia pentru a se asigura că componentele ușoare pot obține, de asemenea, o acceptare largă în construcțiile de automobile, electronice și în sectorul de agrement.
Cunoștințe tehnologice
Ce este… ? - Abrevieri și termeni tehnici în construcția ușoară