Пластмаси в автомобілях

28.08.2015

Пластмаси в автомобілях

Пластмаси в автомобілях

Довгий час прогрес в автомобілебудуванні був безпосередньо пов’язаний з успіхами металургії. І хоча цей зв’язок залишається чинним і понині, частка полімерних матеріалів в конструкції автомобіля безперервно зростає і становить зараз близько 12% від загальної ваги автомобіля середнього класу. З пластмас виготовляються не тільки деталі салону (панелі приладів, рульові колеса, оббивка дверей, боковин, даху і підлоги), але і зовнішні панелі кузова (крила, капоти, кришки багажника), а також зовнішні декоративні елементи (бампера, спойлери, решітки радіатора).

Постійний ріст світового парку автомобілів веде до значного збільшення абсолютного обсягу використовуваних полімерних матеріалів. У зв’язку з тим, що сектор автомобілебудування є одним з провідних, дослідження, спрямовані на розширення використання пластмас і композитів, проводяться всіма найбільшими виробниками автомобілів (VW/Audi, DaimlerChrysler, GM, Ford, Renault і іншими).

Основними достоїнствами полімерів є корозійна стійкість, малу вагу, підвищена стійкість до утворення вм’ятин, ефективне шумопоглинання і економічні переваги, завдяки можливості об’єднання декількох елементів в одній деталі.

До недоліків слід віднести високу вартість полімерних матеріалів і труднощі повторної переробки деталей з них. Слід зазначити, що ці недоліки відносяться, в основному, до термореактивною полімерам — епоксидним, фенольним поліефірним смолам, прессматериалам, скло-, вугле — і органопластикам.

Термопластичні полімерні матеріали значною мірою вільні від вказаних недоліків, оскільки браковані і відслужили свій термін деталі після подрібнення високошвидкісними засобами, у тому числі на обладнанні для обробки металів, можуть перероблятися для повторного використання.

Наростаюча тенденція заміни металу на полімерні матеріали обумовлює гостру конкуренцію між використовуваними термопластами на основі поліпропілену (ПП) і традиційними пластмасами — полістирол (ПС), пінополіуретан (ППУ), полівінілхлорид (ПВХ), АБС-пластики, компаунди ПС/АБС. Використання ПП дозволяє зменшити вагу і знизити на 15-20% вартість виготовлених з нього компонентів автомобіля, полегшити повторну переробку, ввести модульне виготовлення різних агрегатів і розширює можливості для впровадження нових дизайнерських рішень.

Зміст виробів з поліпропілену в чотирьох нових моделях, що з’явилися в 1999 році на європейському ринку, склало (у % по відношенню до загального змісту пластмас): VW Passat — 41%, Mercedes A-Кlassе — 47%, Seat Arosa — 47%, Ford Ka — 52%. Частка інших термопластичних полімерів значно нижче. Зміст ППУ в даних моделях склало близько 8-14%, АБС — 4-15%, ПЕ — 3-11%, ПВХ — 0-7%. Розширення сфери використання ПП сприяють і прийняті в Європі і США заходи, спрямовані на витіснення ПВХ в оббивці салону іншими матеріалами.

Важливою областю застосування ПП в інтер’єрі автомобіля, де він поступово витісняє ПВХ, є панель приладів. З ПП виконані панелі приладів в таких моделях, як Ford Focus і Volkswagen Lupo. Фірма Opel відмовилася від використання ПВХ в приладовій панелі на користь термопластичного поліолефіну (ТПО). Останній являє собою ударостійкий сополімер, в якому 20-50% еластомірної фази (ЕПК — етиленпропіленовий каучук) вбудовано в ПП матрицю, і відрізняється від інших кополімерів підвищеною пластичністю і міцністю при низьких температурах.

Фірма Delphi також розробила нове покоління панелей приладів з термопластичного поліолефіну. Панелі приладів, виконані з цього сополімеру, краще, ніж з матеріалу ПВХ, схильної до утворення тріщин і викривлення. Фірма Delphi застосовує нову технологію в автомобілях Mercedes-Benz M-Кlassе 2000 року, забезпечуючи, крім підвищення якості, зниження ваги панелі приладів на 10%. Для виготовлення панелі складної форми та необхідного контуру була застосована технологія вакуумного формування.

Використання сополімеру ТВО передбачає можливість 100%-ної повторної переробки цього матеріалу. Інші європейські виробники для виготовлення панелей приладів широко застосовують високоміцні сорти ПП без додавання тальку. Як відомо, використання тальку в якості наповнювача негативно впливає на такі показники, як блиск, запах і опір до подряпин, що особливо важливо в компонентах внутрішнього оздоблення автомобіля. Використання високоміцних сортів ПП дозволило протягом п’яти останніх років більш ніж в 4 рази знизити потребу в тальке. Набирає чинності ця тенденція і в США, де ці пластики були вперше застосовані в автомобілі Chrysler Neon. Внутрішні бокові панелі, оздоблення дверей і задні облицювальні панелі зазвичай виготовляють з ливарних марок поліпропілену (Opel, Ford, Toyota) або АБС-пластиків (DaimlerChrysler, VW/Audi).

Поліпропілен знаходить все більшого поширення при виготовленні бамперів. В даний час більше 80% випущених у світі бамперів виконані з ТВО. Даний матеріал забезпечує зниження ваги бампера при хорошому співвідношенні ціна/якість. Характерною особливістю сучасних бамперных систем є інтегрування з корпусом машини і повторення її контуру в єдиній кольоровій гамі. Як результат, автовиробники прагнуть зменшити зазор між бампером і корпусом (концепція «нульового зазору»). Якщо в якості матеріалу для бампера використовується термопласт, він повинен мати низький коефіцієнт термічного розширення і в той же час бути стійким до механічних деформацій. Ці вимоги можуть бути задоволені при використанні усталених тальком сумішей ПП з этиленпропиленовым каучуком.

Інженери фірми Plastic Omnium вважають, що конструкція капота в майбутньому суттєво спроститься і буде представляти невелику знімну панель без петель. Вартісний аналіз показав, що вузол відкривання капота в масовому виробництві обходиться занадто дорого, беручи до уваги, скільки часу капот відкритий протягом усього терміну служби автомобіля. Враховуючи тенденцію зростання пробігу автомобіля до капітального ремонту двигуна (160000 км і більше), питання про доцільність кріплення капота на петлях стає все більш актуальним. Проблема фарбування панелі капота поза складальної лінії вирішується завдяки застосуванню минералонаполненного ПП і несучої системи із стеклонаполненного ПП. Фарбування капота на складальної лінії може здійснюватися з застосуванням матеріалу Noryl GTX (сплаву поліаміду і полифенилена) і несучої системи з листових реактопластів SMC, розроблених фірмою Plastic Omnium.

Склався стереотип, ніби застосування великих деталей кузова з пластмаси доцільно лише для дрібносерійного виробництва автомобілів. Однак за твердженням керівника відділу пластмас фірми General Electric, полімерні матеріали можуть бути економічно ефективними і для кузовів масового виробництва, якщо враховувати сукупні виробничі витрати. Прикладом тому служать автомобілі Renault Megane, Scenic, Clio 2, Mercedes-Benz A-Klasse, Rover Freelander, VW New Beetle, всі крила яких виготовлені з пластмаси Noryl GTX.

Встановлено, що зовнішні панелі кузовів (капоти, крила) значно швидше виготовляти штампуванням з листової сталі, ніж формуванням з пластмаси. Однак для отримання сталевих панелей необхідної форми потрібні кілька технологічних операцій. Тому при розрахунку собівартості необхідно враховувати всі ці операції, тобто час виготовлення та капітальні витрати на обладнання і оснащення.

Оснастка для виготовлення великих кузовних деталей з пластмаси коштує від 1 до 2 млн. дол. тоді як витрати на виготовлення аналогічних автомобільних деталей із сталі можуть досягати 3-6 млн. дол. в залежності від складності форми деталі.

У деяких випадках оснащення коштує ще дорожче. Вартість оснастки для виготовлення крил автомобіля New Beetle могла б скласти 7-8 млн. дол. у разі їх штампування із сталевого листа. Недоліком панелей кузова з пластмаси є те, що вони погано витримують високі температури (205 o с) у камерах для нанесення первинних покриттів на «чорний» кузов. Тому пластмасові панелі монтують на кузов після його первісної гарячої электрофорезной обробки, але до нанесення шарів ґрунту і фарби, або фарбують окремо від сталевого корпусу кузова, після чого монтують на корпус. Це вимагає застосування різних технологічних процесів для різних матеріалів, що призводить до подорожчання виробництва. З метою усунення цього недоліку концерном General Electric розроблено і поставляється на ринок новий сорт пластмаси Noryl GTX, здатний витримувати температуру технологічного процесу нанесення покриття 205 o с.

останнім часом ряд фірм робить успішні спроби розробити технологію масового виробництва пластмасових кузовних панелей.

Фахівці DaimlerChrysler, взялися за нову технологію, розробили спосіб впровадження особливим чином переплітаються між собою міцних ниток прямо в литну форму, так що вони опиняються всередині панелі і служать своєрідним каркасом.

Потім отримані деталі (від 4 до 12 складальних одиниць) склеюються в єдине ціле. У загальній складності на виготовлення пофарбованого кузова йде 6,5 годин, тоді як загальноприйнятою нормою для металевого аналога вважається 19 годин при використанні 80-120 складальних одиниць. Нова технологія отримала назву LIMBT (технологія великих формованих деталей кузова). Навчитися робити такі виливки вдалося далеко не відразу.

Велика литьевая машина, виготовлена фірмою Husky, розвиває зусилля 8000 тонн, але і сама важить понад 900 тонн. Розплавлена маса поліетилентерефталату (ПЕТ), з якого, до речі, робляться пластикові пляшки, впорскується в форму під великим тиском, обтікаючи численні підігріваються «перемички», перешкоджають передчасному охолодженню. Через дві хвилини половинки прес-форми масою по 200 тонн роз’єднуються, звільняючи готову деталь для подальшого охолодження вже на повітрі. Потім, у вільному стані, деталі приймають остаточні форму і розмір. Конструкторам довелося чимало поморочитися, щоб внести спеціальні поправки в розміри форми, що забезпечують кінцеву точність деталі ±0,5 мм!

Далі деталі гігантським маніпулятором переносяться на спеціальний кондуктор, де краю «половинок» кузова обробляються клеєм і стискаються на 2-3 хвилини. Одержуваний клейовий шов практично непомітний, чому допомагають спеціальні «виштамповки», маскують його.

Сьогодні за технологією LIMBT виготовляється пробна партія жорстких дахів для джипу Wrangler. Вони складаються всього з двох деталей, замість звичайних п’яти, важать на 30% менше і коштують на 10% дешевше. А це вже вселяє надію на реалізацію всього проекту. Мова йде про розпочатої в 1994 році розробці невеликого автомобіля для китайського ринку. Він так і називався спочатку — CCV (China Concept Vehicle). Але потім з’ясувалося, що нова технологія придатна і для виготовлення повнорозмірних автомобілів, і та ж абревіатура зазвучала по-новому: Composite Concept Vehicle. І ось що показово: незважаючи на величезні розміри ливарних машин і прес-форм, загальна вартість організації виробництва кузовів за технологією LIMBT в 10 разів менше, ніж виробництво сталевого кузова. Хоча потрібні великі і дорогі штампи, однак не треба ні зварювального, ні гальванічного виробництва.

У 2000 році DaimlerChrysler представив концепт-кар Dodge ESX3, виготовлений за технологією LIMBT. Несуча система кузова Dodge ESX3 складається всього з 12 полімерних деталей замість більш ніж ста металевих панелей в звичайному кузові. Низька вартість і мала маса матеріалів дали можливість знизити вагу і ціну гібридної силової установки, яка включає 3-циліндровий, 1,5-літровий дизельний двигун з генератором і електродвигун потужністю 15 кВт. Вага полімерного кузова знижений на 46%, а вартість виробництва — на 15% у порівнянні з металевими аналогами, при цьому середня витрата палива становить 3,27 л/100 км.

На Вазі технологія виготовлення пластмасових кузовів поки застосовується тільки в макетах і концепткарах. У 1998 році на Паризькому автосалоні був виставлений дуже привабливий, виконаний у біонічної стилі концепт-кар «Рапан» з кузовом зі склопластику (див. заставку). У 2000 році з композитних матеріалів на основі поліефірних смол були виготовлені кузова для концепткарів «Лада Родстер» і «Пітер-Турбо». Публіка прихильно і захоплено поставилася до появи нових моделей.

Вдалі рішення та ідеї, втілені в цих концепткарах, вже почали частково реалізовуватися в серійних автомобілях. У найближчі роки, швидше за все, почнеться розробка нових технологій виробництва пластмасових крил, капотів і інших панелей кузова. У більш віддаленій перспективі ОПП ВАЗа не виключається можливість дрібносерійного виробництва автомобілів з повністю композитними кузовами.

Полімерні матеріали завойовують міцні позиції у всіх без винятку галузях промисловості і продовжують витісняти інші матеріали, перевершуючи їх по цілому ряду властивостей. На зростання використання пластику в автомобілях впливає, насамперед, необхідність зниження ваги витрат на виготовлення деталей, можливість переробки пластмас для повторного використання і підвищення міцності панелей при невеликих ударах.

Те, що пластмасові панелі кузова дійсно міцніше сталевих і менш схильні до утворення вм’ятин в результаті зіткнень на швидкості менше 8 км/год, в найближчому майбутньому стане основною причиною, по якій автобудівники звернуться до використання пластику у виробництві крил автомобіля. Та ж сама ситуація і з виробництвом бамперів.

Що стосується більш віддалених перспектив застосування пластмас і композитів, то фахівці фірми Exel (Фінляндія) вважають, що через 20-30 років більшість автомобілів масового виробництва будуть цілком виготовлятися з різних пластмас: кузов з композитів, колеса з поліуретану, деталі салону з термопластів нового покоління, двигун з керамічного композиційного матеріалу, а еластичні елементи підвіски зі склопластику. Так що, можливо, скоро ми всі будемо свідками справжньої «пластикової» революції в автомобілебудуванні.

Короткий опис статті: пластмаси

Джерело: Пластмаси в автомобілях

Також ви можете прочитати