Автомобилите имат голямо тегло. В момента автомобилът от среден клас тежи между 1,2 и 1,5 метрични тона. Това е така, защото някои модерни механизми като въздушни възглавници, антиблокиращи спирачни системи, системи за подпомагане при паркиране, електрически стъкла, климатик и сервоуправление не само повишават безопасността и комфорта, но и добавят значително повече тегло. Обаче конвенционален лек автомобил от 70-те години тежи между 700 и 900 килограма.

отслабването

Колкото повече автомобил тежи, толкова повече гориво изразходва и толкова повече въглероден диоксид, който отделя в атмосферата, следователно изтъняването ще бъде от полза както за водачите, така и за околната среда. Чрез премахване на 100 килограма от автомобил, разходът на гориво намалява с между 0,3 и 0,6 литра на 100 километра, в зависимост от вида на автомобила и вида на шофиране, а освен това емисиите на въглероден диоксид се намаляват с между седем и дванадесет грама на километър . Той има и други предимства: по-леките автомобили ускоряват по-добре и предлагат по-добра стабилност при завиване.

„Във време, когато ресурсите намаляват и загрижеността за околната среда нараства, леката конструкция е една от най-важните технологии за бъдещето на самолетостроенето и автомобилното производство и машиностроенето“, подчертава проф. Д-р инж. Холгер Ханселка, говорител на новосъздадения Fraunhofer Alliance for Lightweight Construction, в който 14 института споделят своя опит (вж. Карето). „Леката конструкция означава намаляване на теглото на даден компонент, като същевременно се поддържа неговата правилна твърдост, динамична стабилност и здравина. Според Ханселка по този начин се гарантира, че разработените компоненти и конструкции изпълняват ефективно задачата си през целия си полезен живот. В допълнение, подходящият материал се използва на точното място, факт, който се постига чрез проектиране на хибридни материали. „Целта на алианса е следователно да обхване цялата верига на разработка, от разработването на материали и продукти до серийното производство на компоненти и системи за одобрение и внедряване на продукти“.

Fraunhofer Alliance за леко строителство

Четиринадесет института обединиха сили в Алианса на Fraunhofer за леко строителство (www.allianz-leichtbau.fraunhofer.de). Изследователите работят върху нови материали и композити, техники за производство и съединяване, интеграция на функции, инженеринг на проекти и неразрушаващи и разрушителни методи за изпитване за приложение в леката конструкция.

Членовете на Алианса са институтите на Фраунхофер на:

- Високоскоростна динамика, Институт Erns Mach, EMI, Фрайбург

- Химическа технология, ИКТ, Pfinztal

- Лазерни технологии, ILT, Аахен

- Производствено инженерство и приложни материали, IFAM, Бремен

- Silicate Research, ISC, Вюрцбург

- Индустриална математика, ITWM, Кайзерслаутерн

- Механика на материалите, IWM, Фрайбург, Хале

- Материал и техника на лъча, IWS, Дрезден

- Технология на машинни инструменти и обучение, IWU, Chemnitz

- Системи за транспорт и инфраструктури, IVI, Дрезден

- Неразрушаващо изпитване, IZFP, Саарбрюкен

- Структурна трайност, LBF, Дармщат

- Околна среда, безопасност и енергийни технологии, UMSICHT, Оберхаузен

- Интегрални схеми, IIS, Erlangen

Оптималните леки материали спомагат за намаляване на теглото и през последните години производителите на автомобили се фокусират основно върху леката конструкция от алуминий. Докато през 2000 г. една кола съдържаше около 100 килограма от този материал, днес това количество е 140 килограма. Магнезият тежи дори по-малко от алуминия, но за съжаление има многобройни недостатъци. Въпреки че е лек, той може да издържа само на ниски натоварвания и освен това ръждясва изключително бързо, намалявайки потенциала му за употреба. Фибропластичните композити (FCP) са особено леки и освен това много стабилни. Те се произвеждат чрез интегриране на фибростъкло, въглеродни влакна или други материали в пластмасова матрица. В зависимост от изискванията, влакната могат да се полагат едно върху друго в няколко слоя с различни подравнения, като по този начин позволяват оптимално да се съчетаят свойствата на компонентите с конкретното приложение.

Подсилените с въглеродни влакна пластмаси (CFRP) имат голям потенциал за лека конструкция. Те са 60 процента по-леки от стоманата и около 30 процента по-леки от алуминия. Други предимства са, че те не ръждясват и могат да се използват в конструкции, склонни към удари. Подобрените с влакна пластмаси вече са добре установени в производството на самолети и в Airbus A380 например те представляват 20% от структурното тегло. Boeing изгражда първия самолет с голям капацитет, използвайки до голяма степен армирана с влакна пластмаса. Благодарение на олекотената конструкция, 787 - наричан още "Dreamliner" - ще тежи с около 20 процента по-малко от подобни конвенционални самолети. Фюзелажът на новия Airbus A350 XWB също ще бъде направен предимно от пластмаса, подсилена с въглеродни влакна.

Във Формула 1 те използват CFRP от години. В допълнение към двигателя, стойките на колелата и трансмисията, състезателните автомобили са направени почти изключително от въглеродни влакна. Общо се използват до 20 различни вида тъкани от въглеродни влакна. Сега също шлемовете на пилотите са произведени в CFRP; един от тях спаси живота на Фелипе Маса миналата година, когато 800-грамова стоманена пружина го удари по главата по време на квалификационната сесия за Гран При на Унгария. Каската, тежаща само 1,3 килограма, смекчи удара много добре.

Въглерод за масово произвеждани автомобили

Въпреки това все още има голяма нужда от изследвания и разработки, тъй като CFRP се произвеждат и обработват по напълно различен начин от металите. Материалите се тъкат, залепват и втвърдяват. Основното му предимство е, че дори и най-сложните компоненти могат да бъдат произведени на едно парче. За да се възползват от огромния потенциал, предлаган от олекотената конструкция на влакнести композити, изследователите от Fraunhofer работят върху концепции като проектиране на подходящи конфигурации за влакна и текстил, иновативни строителни методи, нови структурни концепции и материали и технологии. линии, които осигуряват висока степен на автоматизация в масовото производство.

„В машиностроенето и автомобилната индустрия ще бъде възможно масовото производство на композитни влакнести компоненти само когато тези високотехнологични материали могат да бъдат по-евтини“, подчертава професор д-р Франк Хенинг. Заместник-директорът на Института по химическа технология Fraunhofer (ICT) оглавява иновационния клъстер на технологии за хибридно светлинно строителство, разположен в Карлсруе, в допълнение към проектната група Fraunhofer Integrated Function Light Construction в Ausburg.

ИКТ извършват работа по производствени технологии за засилване на местното производство на термопласти, подсилени с дълги влакна (LFT), използващи непрекъснати влакна. С този процес е възможно да се произвеждат компоненти с интегрирана функция на ниска цена. Но дали компонентите, произведени след този процес, ще издържат ли на напреженията и натоварванията, възникващи в моторно превозно средство? Отговорът е категорично да. В сътрудничество с индустриални партньори учените от ИКТ изследванията са произвели скоба за преден монтаж, използвайки LFT технология по поръчка. Този скрит компонент поддържа фаровете, системата за заключване на капака и обтекателя на вентилатора и въпреки че няма никакъв метал, той отговаря на изискванията, определени от спецификациите за катастрофа при 40 mph.

Учените от Frauhofer, участващи в проекта Frauhofer WISA High Strength, изследваха дали композитите от влакна са подходящи за компоненти, които издържат на екстремно напрежение и са важни за безопасността, като автомобилни гуми. Те са направили джанти от формован композитен лист (SMS). SMC са пластмасови конструкции, подсилени с въглеродни влакна, които се произвеждат чрез компресия. Извършените тестове и изчисления показаха, че подсилените с влакна пластмаси са много толерантни към повреди и очевидно превъзхождат алуминиевите джанти.

Сандвичи за висока стабилност

„Разработването и интегрирането на леки материали не е лесна задача, високоефективните материали трябва да бъдат хармонизирани с иновативни технологии за съединяване и производство“, казва професор Хенинг, подчертавайки предизвикателствата. В иновационния клъстер KITe hyLITE, Технологии за хибридно леко строителство, три института Fraunhofer (ICT, IWM и LBF) си сътрудничат с индустриални партньори, Университета в Карлсруе и Центъра за компетентност за леки автомобилни конструкции с цел анализ на нови материали, определяне необходимите комбинации от материали и разработване на прототипи. Те работят по подходящи техники за изчисление, за да предскажат поведението на компонентите и да оптимизират производствените процеси. Въз основа на експериментални резултати учените са създали числено моделиране и разработват тестови концепции, които са отлично подходящи.

Сандвич материалите предлагат оптимален потенциал за леки конструкции в конструкции с голяма площ, които са склонни да се деформират. Те са съставени от изключително твърди и здрави външни слоеве, които са разделени от лека сърцевина. В рамките на този съвместен проект изследователи от Fraunhofer IWM в Хале разработват високоефективни сандвич структури с външни слоеве от CFRP и опорна сърцевина от полимерна пяна за използване в първични конструкции, които поддържат високо напрежение и са важни за безопасността на самолетите. Изследователите работят по нови тестови концепции, за да проверят как тези конструкции толерират повреди и използват специални методи за изчисляване, за да анализират способността на компонентите да издържат на редуващи се механични и термични натоварвания, възникващи в самолетите.

По отношение на космическите приложения, всеки килограм по-малко структурно тегло е изключително важен. Материалите, използвани за задвижващи системи, са изложени на температури над 2000 ° C и тук специалните свойства на композитите от леки влакна с керамична матрица (Ceramic Matrix Composites - CMC) наистина доказват своята стойност. Те показват дори по-висока устойчивост при тези екстремни температури, отколкото при стайна температура, а също така са устойчиви на корозия и толерантни към повреди. Изследователите от IWM са в състояние да тестват свойствата на тези материали при 2000 ° C и да изчислят точно каква е оптималната подредба на армиращите влакна и тяхното поведение по време на експлоатация. Микроструктурните дефекти в материала също са взети под внимание, тъй като те са ключов фактор за постигане на добро ниво на толерантност към повреди. Освен това използваните методи служат за подобряване на други приложения като керамични спирачни дискове в автомобилите.

Изследователи от Института за структурна издръжливост и надеждност на системата (LBF) на Fraunhofer тестват дали леките строителни материали могат да издържат на редуващи се динамични натоварвания по време на експлоатация и как тези материали трябва да бъдат оразмерени. Освен това те разработват дизайнерски концепции, адаптирани към нови материали и структурни системи за мониторинг на здравето (например за крила на самолети) и изследват колко безопасни са материалите и дали функционират правилно. „Само чрез подходящи дизайнерски концепции ще бъде възможно да се произвеждат нови типове леки конструкции, които предлагат, наред с други, висока степен на функционална интеграция, например с помощта на философии на дизайна, базирани на биомиката“, обяснява професор Андреас Бютер, ръководител на центъра. Състезание за леки конструкции в LBF.

Леките, стабилни и устойчиви на корозия пластмаси, подсилени с влакна, са идеалният материал за самолети, автомобили и вятърни турбини, но имат недостатък: те са сложни и скъпи за обработка и голяма част от работата все още е ръчна. Днес учените от Fraunhofer работят за автоматизиране на производството си. Например инженерите от Института за производствени технологии на Фраунхофер (IPT) са разработили нов процес, чрез който пластмасите, подсилени с влакна, могат да се произвеждат напълно автоматично. При тази техника на полагане на панделки съставките падат от руло. Пластмасовите влакна са интегрирани в километрични пластмасови ленти, изработени от стопяем термопластичен материал. Лентите се подреждат една върху друга на няколко слоя, лазерно се сливат малко преди да се разпространят и след това се компресират в компактна структура. Това произвежда стабилни компоненти.

За да се обединят компоненти, изработени от композитни материали от влакна, са необходими оптимизирани, както и икономични техники за свързване, така че те да могат да издържат на големи натоварвания и да отговарят на изискванията на конкретното приложение. Експерти по адхезионни технологии от Института за производствено инженерство и приложни материали (IFAM) на Fraunhofer работят по него. Понастоящем FCP материалите обикновено се залепват след повърхностно активиране с филмови лепила или лепила за горещо втвърдяване. След това ставите се втвърдяват под налягане и топлина в автоклави. Проблемът е само един: размерът на автоклавите е ограничен, крилата на самолетите не пасват. Поради тази причина изследователите от IFAM разработват лепила, които се втвърдяват при по-ниски температури.

По-специално самолетите представляват изключително трудно предизвикателство за технологията на сцепление. В Stade, град между Хамбург и Бремен, е създаден нов изследователски център, CFRP North, в рамките на мрежата от компетенции на CFRP Valley Stade. Тук ще бъдат разработени строителни и автоматизирани производствени методи, както и процеси на сглобяване, ориентирани към бъдещето, и всичко това за разрастващ се пазар като армирани с въглеродни влакна пластмаси. IFAM подкрепя компетентната мрежа чрез новосъздадената Проектна група за присъединяване и сглобяване (FFM) на Fraunhofer и работи съвместно с индустрията за разработване на техники за сглобяване на CFRP компоненти в мащаб 1: 1, включително сегментите на фюзелажа за самолети с голям капацитет . Работата е фокусирана основно върху процесите на рязане и бързо свързване, подходящи за армирана с въглеродни влакна пластмаса.

Композитните влакнести компоненти могат да бъдат свързани заедно с помощта на лазери. На изложението JEC Composites Show (Париж, издание от 2010 г.) учени от Института за лазерни технологии Fraunhofer (ILT) представиха тази нова техника на залепване на пластмаси, подсилени с въглеродни влакна или стъкло. Инфрачервена светлина, излъчвана от лазер, топи повърхността на пластмасовите части, след което компонентите се компресират, за да се постигне изключително стабилна връзка. Ще отнеме известно време, преди тези влакнести композити да могат да се използват широко в производството на автомобили. Дотогава автомобилните производители ще използват интелигентен микс от материали, за да спестят тегло.

В рамките на проекта SuperLightCar на ЕС (www.superlightcar.com) промишлеността и изследователският сектор разработиха тяло, което е с една трета, или приблизително 180 килограма, по-леко от конвенционалните. Ключът беше да имаме специфичен подход: учените избраха за всеки от компонентите материала, с който биха спестили най-много тегло и също така поддържат необходимите натоварвания. Резултатът е корпус от стомана, алуминий и магнезий и композитни материали от влакна.

Комбинация от материали, която отваря нови пазари

Lotus Engineering прилага подобна стратегия. Миналата пролет компанията представи проучване за леката конструкция. Използвайки примера на Toyota Venza, инженерите показаха как теглото на автомобила може да бъде намалено с до 38 процента. Корпусът на този автомобил е изработен от алуминий (37%), магнезий (30%), композитни материали (21%) и високоякостна стомана (7%). Капакът на багажника, вратите и броните също са изработени от различни леки строителни материали. Това представлява допълнително 23% намаление на разхода на гориво.

Новите материали, техниките на залепване и леките конструктивни концепции ще бъдат успешни само ако са безопасни и надеждни. Те трябва да могат да издържат на натоварвания и стресове всеки ден и ден, също така в продължение на десетилетия. В момента състоянието на автомобилите, самолетите и вятърните турбини се изследва чрез периодични неразрушаващи тестове. Изследователите от Fraunhofer работят върху структурни методи за мониторинг на здравето, които могат да се използват за проверка на състоянието на компонентите по време на работа. Производството на автомобили и самолети, машиностроенето и машиностроенето са важни сектори на индустрията и създават много работни места в Германия. Използването на нови леки строителни материали може да спомогне за укрепването на позициите, които германските компании имат в международен план.