Lekkie materiały przekształcają przyszłość projektowania samochodów

Co umożliwia samochodom pokonywanie większych odległości na drodze do oszczędzania energii i redukcji emisji? Odpowiedź może tkwić w trzech kluczowych materiałach, które stanowią współczesne pojazdy. Od narodzin Forda Modelu T po dzisiejsze prężnie rozwijające się pojazdy nowej energii, innowacje w zakresie materiałów pozostają głównym motorem postępu w przemyśle motoryzacyjnym. Niniejszy artykuł koncentruje się na odchudzaniu pojazdów, badając rolę stali, aluminium i tworzyw sztucznych w konstrukcji nadwozi samochodowych, analizując jednocześnie powiązane materiały i technologie przetwarzania.

W fali ciągłych innowacji technologicznych w motoryzacji materiały odgrywają kluczową rolę. Jako podstawa produkcji, tylko dzięki zaawansowanym technikom przetwarzania materiały mogą zostać przekształcone w funkcjonalne komponenty samochodowe. Konwencjonalny pojazd z silnikiem spalinowym składa się zazwyczaj z dziesiątek tysięcy części. Aby zwiększyć funkcjonalność komponentów i poprawić efektywność paliwową, zapotrzebowanie branży na zaawansowane materiały wciąż rośnie, napędzając pojawianie się nowych rozwiązań materiałowych.

Zgodnie z wczesnymi danymi z badań przeprowadzonych przez Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA), skład materiałów samochodowych uległ zmianom od czasu kryzysu naftowego. Materiały stalowe – w tym blachy stalowe, stal konstrukcyjna, stal nierdzewna i żeliwo – odnotowały niewielki spadek udziału z około 80% do około 70%. Niemniej jednak stal pozostaje dominującym materiałem w produkcji samochodów. Tymczasem wykorzystanie aluminium i tworzyw sztucznych wykazało tendencję wzrostową, przy czym aluminium i inne metale nieżelazne stanowią około 8%, a tworzywa sztuczne osiągają podobne poziomy. Chociaż dane JAMA sięgają tylko 2001 roku, szacunki branżowe sugerują, że tworzywa sztuczne stanowią obecnie prawie 10% materiałów samochodowych. Ta zmiana w składzie materiałowym wynika w dużej mierze z kwestii odchudzania, osiąganego przede wszystkim poprzez zastąpienie tradycyjnej stali alternatywami aluminiowymi i plastikowymi.

Zatem stal, aluminium i tworzywa sztuczne stanowią trzy filary materiałów konstrukcyjnych samochodów. Oczywiście skład pojazdu wykracza poza te trzy materiały – guma do opon, szkło bezpieczne do szyb przednich, ceramika do czujników i platyna do konwerterów katalitycznych – wszystkie służą jako niezbędne komponenty. Kompleksowe zastosowanie tych materiałów umożliwia powstanie nowoczesnych samochodów, a rozwój motoryzacji jednocześnie napędza optymalizację istniejących materiałów i badania nad nowymi.

W latach 80. materiały ceramiczne zyskały uwagę jako „trzeci materiał” po metalach i tworzywach sztucznych, głównie ze względu na ich doskonałą odporność na wysokie temperatury w porównaniu ze stopami metali. Przełomowa innowacja pojawiła się w 1985 roku, kiedy to model Nissan Fairlady Z zastosował wirnik turbosprężarki z azotku krzemu. Przy gęstości zaledwie 3,2 g/cm³ – znacznie niższej niż stop Inconel (8,5 g/cm³) powszechnie stosowany wówczas do łopatek turbin – materiał ten znacznie zmniejszył wagę wirnika i poprawił reakcję silnika.

Zawory silnikowe z azotku krzemu również przeszły szeroko zakrojone badania i osiągnęły etapy testów prototypowych. Technologia szlifowania tego materiału o wysokiej twardości – szczególnie opłacalna kontrola jakości – okazała się krytycznym wyzwaniem technicznym, co ponownie podkreśla znaczenie technik przetwarzania materiałów. Ceramika odgrywa również istotną rolę w zastosowaniach środowiskowych: ceramika cyrkonowa w czujnikach tlenu w pojazdach benzynowych, ceramika kordierytowa w podłożach konwerterów katalitycznych i ceramika węglika krzemu w filtrach cząstek stałych (DPF) do oczyszczania spalin.

DPF, po raz pierwszy zastosowane w 2000 roku w Peugeocie 607, wychwytują cząstki stałe (PM) ze spalin diesla za pomocą struktur o strukturze plastra miodu z porowatymi ściankami. Technologia ta wymaga precyzyjnej kontroli wymiarów mikroporów i zaawansowanych technik przetwarzania plastra miodu. Typowy DPF w pojeździe osobowym waży 3-6 kg, co nieuchronnie zwiększa ogólną masę pojazdu.

Odchudzanie pojazdów ma na celu przede wszystkim zmniejszenie zużycia paliwa i poprawę osiągów dynamicznych. W warunkach rosnącej presji środowiskowej poprawa efektywności paliwowej stała się szczególnie krytyczna. Istnieje wiele podejść do osiągnięcia niższego zużycia paliwa – w tym optymalizacja spalania w silniku, redukcja strat tarcia, poprawa wydajności przenoszenia mocy, zmniejszenie oporu aerodynamicznego i toczenia oraz zmniejszenie masy pojazdu. Spośród nich odchudzanie jest jednym z najważniejszych środków. Ponieważ nadwozie stanowi najcięższy element pojazdu, odchudzanie nadwozia okazuje się niezbędne dla oszczędności paliwa. W przypadku pojazdów elektrycznych redukcja masy dodatkowo zwiększa zasięg.

Rozważmy 2,0-litrowy sedan osobowy o masie własnej 1214 kg: jego stalowe nadwozie waży 343 kg, na co składa się 261 kg nadwozia w stanie surowym (rama konstrukcyjna) plus 82 kg na drzwi i maski. Zatem nadwozie stanowi około 30% całkowitej masy pojazdu. Dla porównania, silnik waży 141 kg, w tym 41 kg żeliwnego bloku cylindrów. Zastąpienie go aluminium zmniejsza wagę o 15 kg – klasyczny przykład substytucji materiałowej w celu odchudzania.

Miniaturyzacja komponentów oferuje kolejne ważne podejście do odchudzania. Zmniejszenie rozmiarów silnika i elementów komory silnika nie tylko zwiększa przestrzeń w kabinie, ale także zwiększa strefy buforowe w przypadku zderzenia, poprawiając bezpieczeństwo w razie kolizji. Miniaturyzacja zwiększa również elastyczność konstrukcji nadwozia. Na przykład współczesny lekki pojazd (masa własna 718 kg) ma nadwozie o masie 206 kg – zachowując podobny stosunek masy nadwozia do masy pojazdu jak sedan 2,0-litrowy (patrz Tabela 1).

Nadwozia samochodowe stanowią jedne z największych i najbardziej złożonych konstrukcji pojazdów, co czyni je głównymi celami odchudzania. Konstrukcja nadwozia musi spełniać wiele wymagań dotyczących wydajności – w tym wytrzymałość, sztywność, trwałość, odporność na korozję, działanie NVH (hałas, wibracje i szorstkość) oraz bezpieczeństwo w razie wypadku – bez kompromisów wynikających z wysiłków związanych z redukcją masy.

Stal o wysokiej wytrzymałości (HSS) służy jako kluczowy materiał do odchudzania. Zwiększając wytrzymałość stali, producenci mogą zmniejszyć zużycie materiału bez poświęcania wydajności konstrukcyjnej. Zaawansowane stale o wysokiej wytrzymałości (AHSS) – w tym stale dwufazowe (DP), o transformacji plastycznej (TRIP), o złożonej fazie (CP) i martenzytyczne (MS) – charakteryzują się coraz szerszym zastosowaniem w motoryzacji. Materiały te oferują wyższą wytrzymałość i lepszą formowalność dla lżejszych i bezpieczniejszych konstrukcji nadwozi.

Najnowszy model jednego z producentów samochodów wykorzystuje szeroko AHSS, aby zmniejszyć masę nadwozia o 15% przy jednoczesnej poprawie sztywności i bezpieczeństwa w razie wypadku. Stal formowana na gorąco jest również powszechnie stosowana do wzmacniania krytycznych elementów konstrukcyjnych, takich jak słupki A i słupki B, w celu zwiększenia odporności na zderzenia.

Stopy aluminium stanowią kolejne ważne rozwiązanie w zakresie odchudzania. Dzięki gęstości około jednej trzeciej gęstości stali, zastąpienie aluminium znacznie zmniejsza masę nadwozia. Doskonała formowalność i odporność aluminium na korozję ułatwiają procesy produkcyjne. Obecne zastosowania obejmują panele nadwozia, elementy konstrukcyjne, układy zawieszenia i części silnika.

Audi A8 jest przykładem konstrukcji nadwozia w pełni aluminiowej, osiągając około 40% redukcji masy w porównaniu z konwencjonalnymi stalowymi nadwoziami. Tesla Model S również w dużej mierze wykorzystuje aluminium, aby zmniejszyć wagę i zwiększyć zasięg.

Tworzywa sztuczne i kompozyty oferują dodatkowe możliwości odchudzania. Ich znacznie niższa gęstość w porównaniu z metalami umożliwia znaczne oszczędności masy, a doskonała elastyczność konstrukcji i odporność na korozję pasują do elementów o złożonych kształtach. Obecne zastosowania obejmują zderzaki, błotniki, panele wykończeniowe drzwi i deski rozdzielcze.

Kompozyty z włókna węglowego stanowią wysokowydajne lekkie materiały o wyjątkowej wytrzymałości i sztywności. Pomimo wyższych kosztów ich zastosowanie w pojazdach premium, takich jak BMW i3 i i8, wciąż się rozszerza.

• Stale o wyższej wytrzymałości i wyższej ciągliwości: AHSS nowej generacji umożliwią lżejsze i bezpieczniejsze konstrukcje nadwozi.
• Tańsze stopy aluminium: Rozwój technologii produkcji rozszerzy zastosowania aluminium.
• Kompozyty o wysokiej wydajności: Włókno węglowe i podobne materiały będą szerzej stosowane.
• Hybrydyzacja wielomateriałowa: Przyszłe nadwozia będą łączyć materiały w celu optymalizacji odchudzania.

Odchudzanie w motoryzacji stanowi systematyczne wyzwanie inżynieryjne wymagające skoordynowanych postępów w zakresie materiałów, projektowania i produkcji. Wraz z postępem technologii przyszłe pojazdy staną się lżejsze, bardziej wydajne i bardziej przyjazne dla środowiska.