Клас на материала за бъдещето
Леката конструкция е интелигентната комбинация от материали и конструкции с цел минимизиране на консумацията на енергия и суровини чрез максимално спестяване на тегло. Тук специална роля играят особено подсилените с влакна пластмаси, тъй като те са леки, твърди и здрави. Сега се търсят производствени процеси за леки компоненти, които са подходящи за серийно производство, за да могат да получат широко признание.
Нашите мобилни пиедестали станаха забележимо по-леки през годините: Количка от шейсетте години е значително по-тежка от модерен сгъваем модел, изработен от CFRP и алуминий. Преди 60 години състезателните колоездачи в Тур дьо Франс трябваше да въртят педали много по-силно на Пиренеите, отколкото днешните спортисти, чиито състезателни велосипеди често тежат само осем до девет килограма и са изцяло от въглерод. И модерен автомобил - въпреки значително по-голям комфорт и безопасност - вече не тежи толкова, колкото прекият наследник на автомобила от Berta и Carl Benz. Но замяната на метала с по-леки материали, за предпочитане пластмаса, е само един аспект от леката конструкция. По-малко тегло може да се постигне и чрез смяна на конструкциите. Илюстративни примери са структура от пчелна пита в кошер или крила на водно конче: Те съставляват само около два процента от теглото на тялото, но издържат на големи непрекъснати натоварвания.
Двигатели на иновациите в олекотеното строителство са намаляването на CO2 в транспортния и автомобилния сектор, както и спестяването на суровини и енергия. Следователно леката конструкция е дете на нашето време и, наред с други неща, произтича от тенденцията към устойчивост. Концепциите за лека конструкция могат да бъдат разделени на три подхода. Материална и структурна лека конструкция, структурна лека конструкция и система лека конструкция. Леката конструкция от плат е стратегията с най-голям потенциал за спестяване. Конвенционалните материали се заменят с по-леки материали или материали с подобрени свойства. Последните позволяват намаляването на теглото чрез по-тънки стени - със същата производителност. Структурата на някои материали е променена за допълнително намаляване на теглото. Това създаване на кухи конструкции - например пяна - се обобщава под термина структурна лека конструкция. Друга стратегия на леката конструкция е форма или структурна лека конструкция. Става въпрос за структурната оптимизация на даден компонент и разпределението на материала в самия компонент.
Докато първите два принципа разглеждат отделни елементи или сглобки, лекият системен подход разглежда цялата система. Чрез интегриране на няколко функции в един компонент, общото тегло на системата може да бъде намалено, въпреки че теглото на отделни елементи или възли може лесно да се увеличи в резултат на интегрирането на функции. Например функцията на акустичната изолация може да се комбинира със структурна якост (автомобилна техника).
В доклада за напредъка на Националната платформа за електромобилност на Съвместната служба за електромобилност на федералното правителство (GGEMO), Берлин, олекотената конструкция е една от петте предметни области, които трябва да гарантират технологичното предимство на Германия (вж. Карето infoDIRECT). Обемът на субсидираните леки строителни проекти е 300 милиона евро.
Леката конструкция обаче е не само ключова технология за бъдещето в автомобилното строителство. Търсенето на леки материали се е увеличило с 300 процента между 2002 и 2007 година. Леките метални строителни материали са алуминий, магнезий, високоякостни стомани и титан. Освен това композитните материали от влакна се считат за класически леки строителни материали. Използват се следните влакна: стъклени, въглеродни, керамични (най-вече в керамична матрица), арамидни, борни, стоманени, естествени и найлонови влакна.
Пазар на композитни пластмаси
Подгрупа на композитните материали от влакна са композитните пластмаси от влакна (FRP). Само около три процента от световното производство на пластмаси отива в приложения с FRP - много малък дял. Това може да се обясни с факта, че това са специални технически части, които рядко се произвеждат в масово или мащабно производство. Що се отнася до FRP, се прави разлика между подсилените със стъклени влакна пластмаси (GRP) и подсилените с въглеродни влакна пластмаси (CFRP). Естествените пластмаси, подсилени с влакна, се увеличават, но все още не са значителни. Общият обем на производството на ВРП нараства умерено до малко над един милион тона през 2011 г. и сега се връща на нивото от 2008 г., според пазарния доклад на AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe, Франкфурт, от септември 2011 г. CFK отново е достигнал нивото от 2008 г. Анализаторите предполагат, че търсенето на повече от 35 000 тона за 2011 г. Това съответства на увеличение с около 10 процента. Според изчисленията това търсене ще се удвои до 2015 г. Основният дял на пазара на CFRP може да бъде разпределен на композити с пластмаси. Като матрица се използват епоксидни, фенолни и полиестерни смоли, както и термопласти.
Високият потенциал на този клас материали е резултат от специалните характеристики на FRP. FRP компонентите са особено леки и много твърди. Те са устойчиви на корозия и среда, устойчиви на топлина, трайни и дълготрайни. Те имат добро амортизиращо поведение и са стабилни по размер. Те предлагат висока степен на свобода на дизайна и техните свойства могат да бъдат съобразени с вида или количеството на добавките от влакна. Недостатъкът е, че не може да се използва класическата процедура за разработване на компоненти. Следователно фокусът на изследванията е симулацията при разработването на продукта, инструмента и процеса.
Предизвикателство за серийно производство
По принцип могат да се произвеждат както малки части - например в медицинската технология - серийни компоненти в автомобилния сектор, така и големи компоненти - като лопатки за вятърни турбини - с дължина около 60 метра. Най-важните приложения могат да бъдат намерени в строителството и транспорта. Типични са тръбите, резервоарите, профилите или плочите, както и надстройките за камиони. FRP се използват и за продукти в спорта и свободното време, както и в електрическата и електронната промишленост: за производството на състезателни велосипеди, ски обувки, тротоари или за шкафове или суичове за превключване.
Много леки компоненти се произвеждат само в малък брой. Това, което не е проблем в авиокосмическата индустрия, тъй като така или иначе са необходими само няколко части, възпрепятства триумфалното напредване на масовите пазари или за големи серии като електроника и автомобилна техника.
Значителна част от съвременните самолети са направени от FRP. В Airbus A 380 са използвани четири различни варианта: GFK, CFK, QFK (подсилени с кварц пластмаси) и отблясъци (алуминиев ламинат, подсилен със стъкло). A350 има най-високия композитен дял от 53 процента. Boeing 787 Dreamliner постига подобни стойности с около 50 процента. Толкова висок дял на FRP в авиацията се отплаща и за скъпите компоненти: с 10 кг по-малко тегло се спестяват 3 литра керосин на полетен час.
В конструкцията на превозни средства в момента участниците тестват процеси, подходящи за серийно производство за производство и обработка на компоненти от армирани с влакна пластмаси или техни комбинации с алуминий или стомана. Специалните свойства на FRP правят много изисквания към автомобила от бъдещето възможно: По-голямата дизайнерска свобода позволява намаляване на коефициента на съпротивление, автомобилите стават по-леки, без да се налага компромис с безопасността.
Производственият процес влияе върху свойствата на компонента
Решението за производствен процес се определя от съответните изисквания за икономичност (брой бройки!) И технология. Процесите позволяват различно съдържание на влакна, което може да се използва за въздействие върху якостта или модула на еластичност и по този начин свойствата на даден компонент. Прави се разлика между ръчни, частично автоматизирани, напълно автоматизирани и непрекъснати процеси.
Ръчното ламиниране или пръскането с влакна е един от ръчните процеси. Компонентите са изработени по поръчка в малък брой. Съдържанието на фибри е предимно ниско и обикновено е около 20 до 40 процента.
Частично автоматизираните процеси включват например инжекционните процеси - RTM, вакуумно инжектиране, инжектиране под налягане - както и спринцовки с фибро-смола и процеси с ниско налягане. По този начин могат да бъдат произведени малки компоненти до лопатките на вятърните турбини. Броят на парчетата обикновено е значително по-голям, но обикновено все още не достига количествата, необходими за мащабно производство. Съдържанието на фибри е в средния диапазон от около 30 до 50 процента.
Големи серии се произвеждат с помощта на напълно автоматизирани процеси. Процесите тук включват основно методите на пресоване - мокро, студено, горещо пресоване и няколко други. Тъй като полуфабрикати - маси, плочи, заготовки - могат да се използват вместо суровини, могат да се произвеждат големи количества. Приложенията в серийно производство, например в автомобилната индустрия, винаги работят с напълно автоматични преси. Съдържанието на фибри е много широко, но може да бъде уредено в средния диапазон.
Процесът на пултрузия или екструзия е един от непрекъснатите процеси. В това се произвеждат профили от всякакъв вид. Влакната се изтеглят чрез оформящ инструмент с голяма сила. Поради високото налягане тук може да се постигне най-високо съдържание на фибри - теоретично над 80 процента.
Процесите на навиване, сплитане и предене са специални процеси. С тяхна помощ се произвеждат продукти със специфични свойства по отношение на формата или натоварването: в центробежния процес, например, силози с голям диаметър или в съдове за навиване под налягане за автомобилния сектор и тръби за химическата промишленост и в оплетки за състезателни велосипеди. Съдържанието на фибри обикновено е в средния диапазон.
Намалете производствените разходи
Изследванията се извършват главно, за да направят производството и по-нататъшната обработка на компонентите по-рентабилни. Тук става въпрос не само за самия производствен процес, но и за последваща обработка или подготовка на полуфабрикатите. Проектът на ЕС „FibreChain“ и финансираният от BMBF проект „InProLight“ са си поставили за цел да разработят различни интегративни вериги от процеси от сложни специални решения до масовото производство на термопластични FRP компоненти. Fraunhofer ILT, Аахен, поема частичната задача да оптимизира свързването и рязането на компонентите. Започвайки със суровината, Андреас Реснер и колегите му разработиха процес за структурно съединяване. Досега леките компоненти са били свързани чрез залепване или занитване. И двете са скъпи и отнемат много време. За да заобиколи това, Rösner свързва компонентите с лазер. Енергията се вкарва директно в зоната на присъединяване, което значително съкращава времето на процеса. С лазерно свързване и двата сложни компонента могат да бъдат произведени от отделни части, а конструкциите, адаптирани към натоварването, могат да бъдат създадени чрез селективно закрепване.
В много точки от технологичната верига полуфабрикатите също трябва да бъдат изрязани, изрязани или изрязани дупки. Повреждането на ръба на материала трябва да бъде намалено до минимум. Франк Шнайдер и неговите колеги, също от Fraunhofer ILT, разработват нови процеси на рязане с лазер C02 с къс импулс, наред с други неща. Термичното увреждане на материала може да бъде значително намалено поради ниската топлинна мощност. Той работи почти без термични повреди, когато се използват мощни ултракъси импулсни лазери. С мощност до 500 W, тези лазери могат да се използват за реализиране на икономични стъпки на процеса дори на високочувствителни комбинации от материали в космическата индустрия.
Използваните процеси на лазерно заваряване и рязане са предназначени да опростят значително производството на FRP компоненти, да ги автоматизират и най-вече да бъдат бързи и рентабилни. И това е именно ключът към гарантирането, че леките компоненти също могат да получат широко признание в автомобилното строителство, електрониката и в развлекателния сектор.
Технологични познания
Какво е… ? - Съкращения и технически термини в леката конструкция