Отслабването пести енергия - Пластмаса
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.
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.