Trieda materiálu pre budúcnosť
Ľahká konštrukcia je zručná kombinácia materiálov a štruktúr s cieľom minimalizovať spotrebu energie a surovín prostredníctvom maximálnej úspory hmotnosti. Osobitnú úlohu tu zohrávajú najmä plasty vystužené vláknami, ktoré sú ľahké, tuhé a pevné. Teraz je dopyt po výrobných procesoch pre ľahké komponenty, ktoré sú vhodné na sériovú výrobu, aby si získali široké prijatie.
Naše pojazdné podstavce sa rokmi výrazne zmenšili: kočík zo šesťdesiatych rokov je výrazne ťažší ako moderný skladací model vyrobený z CFRP a hliníka. Pred 60 rokmi museli pretekárski cyklisti na Tour de France na Pyrenejach šliapať oveľa viac ako dnešní športovci, ktorých závodné bicykle často vážia iba osem až deväť kíl a sú vyrobené výhradne z uhlíka. A moderný automobil - napriek podstatne vyššiemu komfortu a bezpečnosti - už neváži toľko ako priamy nástupca automobilu Berta a Carl Benz. Avšak nahradenie kovu ľahšími materiálmi, najlepšie plastom, je iba jednou stránkou ľahkej konštrukcie. Menšiu váhu je možné dosiahnuť aj zmenou štruktúr. Názorným príkladom je voštinová štruktúra v úli alebo krídla vážky: Tvoria iba asi dve percentá hmotnosti tela, ale odolávajú vysokému nepretržitému zaťaženiu.
Inovačnou hnacou silou v ľahkých konštrukciách je zníženie CO2 v dopravnom a automobilovom priemysle, ako aj úspora surovín a energie. Ľahká konštrukcia je preto dieťaťom našej doby a okrem iného vyplýva z trendu smerom k udržateľnosti. Koncepty ľahkej konštrukcie možno rozdeliť do troch prístupov. Materiál a konštrukcia ľahká konštrukcia, konštrukcia ľahká konštrukcia a systém ľahká konštrukcia. Ľahká tkaninová konštrukcia je stratégiou s najväčším potenciálom úspor. Bežné materiály sa nahrádzajú ľahšími materiálmi alebo materiálmi so zlepšenými vlastnosťami. Posledné menované umožňujú zníženie hmotnosti pomocou tenších stien - pri rovnakom výkone. Štruktúra niektorých materiálov bola zmenená kvôli ďalšej redukcii hmotnosti. Táto tvorba dutých štruktúr - napríklad pien - je zhrnutá pod pojmom štrukturálna ľahká konštrukcia. Ďalšou stratégiou ľahkej konštrukcie je tvarová alebo štrukturálna ľahká konštrukcia. Ide o štrukturálnu optimalizáciu komponentu a distribúciu materiálu v samotnom komponente.
Zatiaľ čo prvé dva princípy zohľadňujú jednotlivé prvky alebo zostavy, ľahký systémový prístup zohľadňuje celý systém. Integráciou viacerých funkcií do jedného komponentu možno znížiť celkovú váhu systému, aj keď sa váha jednotlivých prvkov alebo zostáv môže ľahko zvýšiť integráciou funkcií. Napríklad funkciu akustickej izolácie je možné kombinovať s pevnosťou konštrukcie (automobilové inžinierstvo).
V správe o pokroku Národnej platformy pre elektromobilitu Spoločného úradu pre elektromobilitu (GGEMO) spolkovej vlády v Berlíne je ľahká konštrukcia jednou z piatich tematických oblastí, ktoré by si mali zabezpečiť technologický náskok Nemecka (pozri rámček infoDIRECT). Objem subvencovaných ľahkých stavebných projektov je 300 miliónov eur.
Ľahká konštrukcia však nie je iba kľúčovou technológiou budúcnosti v automobilovom priemysle. Dopyt po ľahkých materiáloch sa medzi rokmi 2002 a 2007 zvýšil o 300 percent. Kovové ľahké konštrukčné materiály sú hliník, horčík, vysokopevnostné ocele a titán. Okrem toho sa vláknové kompozitné materiály považujú za klasické ľahké stavebné materiály. Používajú sa tieto vlákna: sklo, uhlík, keramika (väčšinou v keramickej matrici), aramid, bór, oceľ, prírodné a nylonové vlákna.
Trh s kompozitnými plastmi
Podskupinou vláknitých kompozitných materiálov sú vláknité kompozitné plasty (FRP). Iba asi tri percentá globálnej výroby plastov idú do aplikácií s FRP - veľmi malý podiel. To sa dá vysvetliť skutočnosťou, že ide o špeciálne technické diely, ktoré sa zriedka vyrábajú v hromadnej alebo vo veľkom meradle. Pokiaľ ide o FRP, rozlišuje sa medzi plastmi vystuženými sklenenými vláknami (GRP) a plastmi vystuženými uhlíkovými vláknami (CFRP). Plasty vystužené prírodnými vláknami sú na vzostupe, ale zatiaľ nie sú významné. Celkový objem výroby GRP mierne vzrástol v roku 2011 na niečo viac ako milión ton a podľa správy o trhu spoločnosti AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe z Frankfurtu zo septembra 2011 sa vrátil na úroveň roku 2008. CFK sa opäť dostala na úroveň roku 2008. Analytici predpokladajú pre rok 2011 dopyt viac ako 35 000 ton. To zodpovedá nárastu približne o 10 percent. Podľa odhadov sa táto potreba do roku 2015 zdvojnásobí. Hlavný podiel na trhu s CFRP možno pripísať kompozitom s plastmi. Ako matrica sa používajú epoxidové, fenolové a polyesterové živice, ako aj termoplasty.
Vysoký potenciál tejto triedy materiálov vyplýva zo zvláštnych charakteristík FRP. FRP komponenty sú obzvlášť ľahké a veľmi tuhé. Sú odolné voči korózii a médiám, odolné voči teplu, odolné a trvanlivé. Majú dobré tlmiace vlastnosti a sú tvarovo stále. Ponúkajú vysoký stupeň voľnosti v dizajne a ich vlastnosti je možné prispôsobiť podľa druhu alebo množstva prímesí vlákien. Nevýhodou je, že nemožno použiť klasický postup pri vývoji komponentov. Výskumným zameraním je preto simulácia vývoja produktu, nástroja a procesu.
Sériová výroba výzva
Spravidla sa dajú vyrobiť ako malé súčiastky, napríklad v lekárskej technike, sériové komponenty v automobilovom priemysle, tak aj veľké komponenty - napríklad lopatky pre veterné turbíny - s dĺžkou okolo 60 metrov. Najdôležitejšie aplikácie možno nájsť v stavebníctve a doprave. Typické sú potrubia, nádrže, profily alebo plechy, ako aj nadstavby pre nákladné vozidlá. FRP sa tiež používajú na výrobky v športe, vo voľnom čase, ako aj v elektrotechnickom a elektronickom priemysle: na výrobu závodných bicyklov, lyžiarskych topánok, vychádzkových palíc alebo pre rozvodné skrine alebo spínače.
Mnoho ľahkých komponentov sa vyrába iba v malom množstve. Čo nie je problém v leteckom priemysle, pretože aj tak je potrebných len niekoľko súčastí, bráni víťaznému postupu na masových trhoch alebo vo veľkých sériách, ako napríklad v elektronike a automobilovom priemysle.
Značná časť moderných lietadiel je vyrobená z FRP. U Airbusu A 380 boli použité štyri rôzne varianty: GRP, CFK, QFK (plasty vystužené kremeňom) a oslnenie (hliníkový laminát vystužený sklom). A350 má najvyšší zložený podiel na úrovni 53 percent. Boeing 787 Dreamliner dosahuje podobné hodnoty okolo 50 percent. Taký vysoký podiel FRP v letectve sa oplatí aj pre drahé komponenty: O 10 kg menšia hmotnosť ušetrí 3 litre petroleja za letovú hodinu.
V konštrukcii vozidiel zúčastnené strany v súčasnosti testujú procesy hromadnej výroby na výrobu a spracovanie komponentov vyrobených z plastov vystužených vláknami alebo ich kombinácií s hliníkom alebo oceľou. Špeciálne vlastnosti FRP umožňujú mnoho požiadaviek na automobil budúcnosti: Viac voľnosti v dizajne umožňuje zníženie hodnoty Cd, automobily sa stávajú ľahšími bez kompromisov v oblasti bezpečnosti.
Výrobný proces ovplyvňuje vlastnosti komponentu
Rozhodnutie o výrobnom procese je dané príslušnými požiadavkami na ekonomiku (počet kusov!) A technológiu. Procesy umožňujú rôzne obsahy vlákien, ktoré sa dajú použiť na ovplyvnenie pevnosti alebo modulu pružnosti, a tým aj vlastností súčasti. Rozlišuje sa medzi manuálnymi, čiastočne automatizovanými, plne automatizovanými a nepretržitými procesmi.
Ručná laminácia alebo striekanie vlákien je jedným z manuálnych procesov. Komponenty sú vyrábané na mieru v malom počte. Obsah vlákniny je väčšinou nízky a zvyčajne sa pohybuje okolo 20 až 40 percent.
Medzi čiastočne automatizované procesy patria napríklad injekčné procesy - RTM, vákuové vstrekovanie, tlakové vstrekovanie -, ako aj injekčné striekačky z vlákien a živice a nízkotlakové procesy. Týmto spôsobom je možné vyrábať malé súčasti až po listy veterných turbín. Počet kusov je zvyčajne výrazne vyšší, zvyčajne však ešte nedosahuje množstvo potrebné na výrobu vo veľkom. Obsah vlákniny je v strednom rozmedzí okolo 30 až 50 percent.
Veľké série sa vyrábajú pomocou plne automatizovaných procesov. Procesy tu zahŕňajú hlavne metódy lisovania - lisovanie za mokra, za studena, za tepla a niekoľko ďalších. Pretože namiesto surovín je možné použiť polotovary - hmoty, taniere, predlisky -, je možné ich vyrobiť vo veľkom množstve. Aplikácie v sériovej výrobe, napríklad v automobilovom priemysle, vždy pracujú s plne automatickými lismi. Obsah vlákniny je veľmi široký, dá sa však usadiť v strednom rozmedzí.
Proces pretláčania alebo vytláčania je jedným z nepretržitých procesov. Vyrábajú sa v ňom profily všetkých druhov. Vlákna sú ťahané cez tvarovací nástroj s veľkou silou. Vďaka vysokým tlakom sa tu dá dosiahnuť najvyšší obsah vlákniny - teoreticky nad 80 percent.
Procesy navíjania, pletenia a spriadania sú špeciálne procesy. S ich pomocou sa vyrábajú výrobky so špecifickými vlastnosťami z hľadiska tvaru alebo zaťaženia: v odstredivom procese, napríklad v silách s veľkým priemerom alebo vo vinutiach tlakových nádob pre automobilový priemysel a v potrubiach pre chemický priemysel a v opletení rámov pre závodné bicykle. Obsah vlákniny je zvyčajne v strednom rozmedzí.
Znížte výrobné náklady
Výskum sa vykonáva predovšetkým s cieľom zvýšiť efektívnosť výroby a ďalšieho spracovania komponentov. Nejde len o samotný výrobný proces, ale aj o následné spracovanie alebo prípravu polotovarov. Projekt EÚ „FibreChain“ a projekt BMBF „InProLight“ si stanovili za cieľ vyvinúť rôzne integračné procesné reťazce od sofistikovaných špeciálnych riešení až po hromadnú výrobu termoplastických komponentov FRP. Fraunhofer ILT, Aachen, preberá čiastočnú úlohu optimalizácie spojovania a rezania komponentov. Počnúc surovinou vyvinuli Andreas Rösner a jeho kolegovia proces štrukturálneho spájania. Doteraz boli ľahké komponenty spojené lepením alebo nitovaním. Oba sú drahé a trvajú dlho. Aby ste sa tomu vyhli, Rösner spája komponenty pomocou laseru. Energia sa privádza priamo do spojovacej zóny, čo výrazne skracuje čas procesu. Pomocou laserového spájania je možné vyrobiť obidve zložité súčasti z jednotlivých dielov a selektívnym spevnením vytvoriť štruktúry prispôsobené zaťaženiu.
Na mnohých miestach výrobného reťazca musia byť tiež polotovary rezané, orezávané alebo vyrezávané otvory. Poškodenie okraja materiálu by malo byť znížené na minimum. Frank Schneider a jeho kolegovia, tiež v spoločnosti Fraunhofer ILT, vyvíjajú nové procesy rezania vrátane laseru s krátkym pulzom CO2. Tepelné poškodenie materiálu je možné výrazne znížiť vďaka nízkemu tepelnému príkonu. Pri použití vysoko výkonných ultrakrátkych pulzných laserov pracuje takmer bez tepelného poškodenia. S výkonmi do 500 W môžu byť tieto lasery použité na realizáciu ekonomických krokov procesu aj na vysoko citlivých kombináciách materiálov v leteckom priemysle.
Použité procesy laserového zvárania a rezania majú výrazne zjednodušiť výrobu komponentov FRP, zautomatizovať ich a predovšetkým byť rýchle a nákladovo efektívne. A to je práve kľúč na zabezpečenie toho, aby si ľahké komponenty mohli získať široké uznanie aj v automobilovej konštrukcii, elektronike a vo voľnom čase.
Technologické znalosti
Čo je… ? - Skratky a technické výrazy v ľahkých konštrukciách