Час по материјал за во иднина
Лесната конструкција е вешта комбинација на материјали и структури со цел да се минимизира потрошувачката на енергија и суровина преку максимално заштеда на тежина. Особено тука посебна улога играат пластиките засилени со влакна, бидејќи се лесни, цврсти и силни. Процесите на производство за лесни компоненти кои се погодни за сериско производство сега се барани за да можат да добијат широко прифаќање.
Нашите подвижни подножници станаа значително полесни со текот на годините: Детска количка од шеесеттите години е значително потешка од модерниот модел на преклопување направен од CFRP и алуминиум. Пред 60 години, тркачките велосипедисти на Тур де Франс имаа многу поголема тежина за педалирање на Пиринеите отколку денешните спортисти, чии тркачки велосипеди често тежат само од осум до девет килограми и се направени целосно од јаглерод. А модерен автомобил - и покрај значително поголема удобност и безбедност - повеќе не тежи колку директниот наследник на автомобилот од Берта и Карл Бенц. Но, замената на металот со полесни материјали, по можност пластика, е само еден аспект на лесна конструкција. Помала тежина, исто така, може да се постигне со промена на структурите. Илустративни примери се саќеска структура во пчеларник или крилја на вилинско коњче: Тие сочинуваат само околу два проценти од телесната тежина, но издржуваат големи континуирани оптоварувања.
Иноватори во лесната конструкција се намалувањето на СО2 во транспортниот и автомобилскиот сектор, како и заштедата на суровини и енергија. Лесната конструкција е дете на нашето време и, меѓу другото, произлегува од трендот кон одржливост. Лесните концепти за конструкција може да се поделат на три пристапи. Материјалната и структурната лесна конструкција, структурната лесна конструкција и системската лесна конструкција. Лесната конструкција на ткаенина е стратегија со најголем потенцијал за заштеда. Конвенционалните материјали се заменуваат со полесни материјали или материјали со подобрени својства. Вторите овозможуваат намалување на тежината преку потенки wallsидови - со иста изведба. Структурата на некои материјали е променета за дополнително намалување на телесната тежина. Ова создавање на шупливи конструкции - на пример, пени - е сумирано под поимот структурна лесна конструкција. Друга стратегија на лесна конструкција е формата или структурната лесна конструкција. Станува збор за структурна оптимизација на компонента и дистрибуција на материјалот во самата компонента.
Додека првите два принципа ги разгледуваат одделните елементи или склопови, лесниот системски пристап го разгледува целиот систем. Со интегрирање на неколку функции во една компонента, вкупната тежина на системот може да се намали, иако тежината на одделни елементи или склопови може лесно да се зголеми преку интеграција на функциите. На пример, функцијата на акустична изолација може да се комбинира со структурна јачина (автомобилски инженеринг).
Во извештајот за напредокот на Националната платформа за електромобилност на Заедничката канцеларија за електромобилност на Сојузната влада (GGEMO), Берлин, лесната конструкција е една од петте предметни области што треба да обезбедат технолошко водство на Германија (видете во полето за инфо ДИРЕКТ). Обемот на субвенционираните лесни градежни проекти е 300 милиони евра.
Сепак, лесната конструкција не е само клучна технологија на иднината во конструкцијата на автомобили. Побарувачката за лесни материјали се зголеми за 300 проценти помеѓу 2002 и 2007 година. Метални лесни градежни материјали се алуминиум, магнезиум, челици со висока цврстина и титаниум. Покрај тоа, композитните материјали со влакна се сметаат за класични лесни градежни материјали. Се користат следниве влакна: стакло, јаглерод, керамика (претежно во керамичка матрица), арамид, бор, челик, природни и најлонски влакна.
Пазар на композитна пластика
Влакна композитни пластика (FRP) се под-група на влакна композитни материјали. Само околу три проценти од глобалното производство на пластика оди во примена со FRP - многу мал процент. Ова може да се објасни со фактот дека станува збор за специјални технички делови кои ретко се произведуваат во масовно или во големо производство. Кога станува збор за FRP, се прави разлика помеѓу пластика засилена со стаклени влакна (GRP) и армирана пластика со јаглеродни влакна (CFRP). Пластиките засилени со природни влакна растат, но сè уште не се значајни. Вкупниот обем на производство на GRP порасна умерено на нешто повеќе од милион тони во 2011 година и сега е повторно на ниво од 2008 година, според извештајот на пазарот од AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe, Франкфурт, од септември 2011 година. CFK повторно го достигна нивото од 2008 година. Аналитичарите претпоставуваат побарувачка од над 35.000 тони за 2011 година. Ова одговара на зголемување од околу 10 проценти. Според проценките, ова барање ќе биде двојно зголемено до 2015 година. Главниот удел на пазарот на CFRP може да се додели на композити со пластика. Како матрица се користат епоксидни, фенолни и полиестерски смоли, како и термопластични.
Високиот потенцијал на оваа класа на материјали е резултат на посебните карактеристики на FRP. FRP компонентите се особено лесни и многу крути. Тие се отпорни на корозија и медиум, отпорни на топлина, издржливи и трајни. Тие имаат добро амортизирање и се димензионално стабилни. Тие нудат висок степен на слобода на дизајнот и нивните својства можат да се прилагодат преку видот или количината на додатоци на влакна. Недостаток е што класичната постапка за развој на компоненти не може да се користи. Истражувачкиот фокус е симулацијата во производот, алатката и развојот на процесот.
Сериски предизвик за производство
Општо, може да се произведат и двата мали делови - на пример во медицинската технологија - компоненти од сериите во автомобилскиот сектор и големите компоненти - како што се лопатките за турбини на ветер - со должина од околу 60 метри. Најважните апликации може да се најдат во градежништвото и транспортот. Типични се цевки, резервоари, профили или плочи, како и надградби за камиони. FRP се користат и за производи во спортот и одмор, како и за електрична и електронска индустрија: за производство на тркачки велосипеди, скијачки чизми, стапчиња за одење или за ормани или прекинувачи.
Многу лесни компоненти се произведуваат само во мал број. Што не е проблем во воздушната индустрија, бидејќи во секој случај се потребни само неколку делови, го попречува триумфалното напредување на масовните пазари или за големите серии како што се електрониката и автомобилскиот инженеринг.
Значителен дел од современите авиони се изработени од FRP. Во Airbus A 380 беа користени четири различни варијанти: GFK, CFK, QFK (пластика зајакната со кварц) и отсјај (алуминиумски ламинат засилен со стакло). А350 има најголемо учество од 53%. Боингот 787 Dreamliner постигнува слични вредности со околу 50 проценти. Толку голем процент на FRP во авијацијата се исплати и за скапите компоненти: 10 кг помалку тежина заштедува 3 литри керозин на час на лет.
Во конструкцијата на возилата, инволвираните тековно пробуваат процеси соодветни за сериско производство и обработка на компоненти изработени од пластика засилена со влакна или нивни комбинации со алуминиум или челик. Посебните својства на FRP овозможуваат многу барања за автомобилот во иднина: Повеќе слободи во дизајнот овозможуваат намалување на коефициентот на влечење, автомобилите стануваат полесни без да прават компромиси за безбедноста.
Процесот на производство влијае на својствата на компонентата
Одлуката за производствен процес се одредува според соодветните барања за економичност (број на парчиња!) И технологијата. Процесите овозможуваат различни содржини на влакна, кои можат да се користат за да се влијае на јачината или модулот на еластичност, а со тоа и на својствата на компонентата. Се прави разлика помеѓу рачни, делумно автоматизирани, целосно автоматизирани и континуирани процеси.
Рачно ламинирање или прскање со влакна е еден од рачните процеси. Компонентите се направени по нарачка во мал број. Содржината на влакна е претежно ниска и обично е околу 20 до 40 проценти.
Делумно автоматизираните процеси вклучуваат, на пример, процеси на инјектирање - RTM, вакуумско вбризгување, вбризгување притисок - како и шприцеви со смола со влакна и процеси со низок притисок. На овој начин може да се произведат мали компоненти до лопати на турбина на ветер. Бројот на парчиња е обично значително поголем, но обично сè уште не ги достигнува количините потребни за големо производство. Содржината на влакна е во средниот опсег од околу 30 до 50 проценти.
Големи серии се произведуваат со употреба на целосно автоматизирани процеси. Процесите тука главно вклучуваат методи на притискање - влажно, ладно, топло притискање и неколку други. Бидејќи наместо суровини може да се користат полупроизводи - маси, плочи, преформи - може да се произведат големи количини. Апликациите во сериско производство, на пример во автомобилската индустрија, секогаш работат со целосно автоматски преси. Содржината на влакна е многу широка, но може да се реши во средниот опсег.
Процесот на истурање или истиснување е еден од постојаните процеси. Во ова се произведуваат профили од секаков вид. Влакната се влечат преку алатка за обликување со голема сила. Поради високите притисоци, највисоката содржина на влакна - теоретски над 80 проценти - може да се постигне тука.
Процесите на ликвидација, плетење и предење се посебни процеси. Со нивна помош се произведуваат производи со специфични својства во однос на обликот или оптоварувањето: во центрифугален процес, на пример, силоси со голем дијаметар или во садови под притисок за ликвидација за автомобилскиот сектор и цевки за хемиската индустрија и во рамки за плетење за тркачки велосипеди. Содржината на влакна е обично во средниот опсег.
Намалете ги трошоците за производство
Истражувањата се вршат првенствено за да се направи производството и понатамошната обработка на компонентите поекономични. Ова не е само за самиот процес на производство, туку и за пост-обработка или подготовка на полу-готови производи. Проектот на ЕУ „FibreChain“ и проектот „InProLight“ финансиран од BMBF си поставија за цел развој на различни интегративни процесни ланци од софистицирани специјални решенија за масовно производство на термопластични компоненти FRP. Fraunhofer ILT, Ахен, ја презема делумната задача за оптимизирање на спојувањето и сечењето на компонентите. Почнувајќи од суровината, Андреас Роснер и неговите колеги развија процес за структурно придружување. Досега, лесните компоненти беа поврзани со лепење или заковување. Двете се скапи и траат долго. За да го заобиколи ова, Rösner ги поврзува компонентите со ласер. Енергијата се внесува директно во зоната на спојување, што значително го скратува времето на процесот. Со ласерско спојување, двете сложени компоненти може да се произведат од одделни делови и да се создадат структури прилагодени на оптоварување преку селективно зацврстување.
Во многу точки од ланецот на процеси, полупроизводите исто така треба да се исечат, исечат или да се исечат дупки. Оштетувањето на работ на материјалот треба да се намали на минимум. Френк Шнајдер и неговите колеги, исто така во Fraunhofer ILT, развиваат нови процеси на сечење, вклучително и со ласер CO2 со краток пулс. Термичкото оштетување на материјалот може значително да се намали како резултат на малата влезна топлина. Работи без скоро никакви термички оштетувања при употреба на ултра кратки пулсни ласери со голема моќност. Со моќност до 500 W, овие ласери можат да се користат за спроведување на чекори на економски процес дури и на високо чувствителни комбинации на материјали во воздушната индустрија.
Користените процеси на ласерско заварување и сечење треба да го направат производството на компоненти FRP значително полесно, автоматско и, пред сè, брзо и економично. И тоа е токму клучот за да се осигура дека лесните компоненти исто така можат да добијат широко прифаќање во автомобилската конструкција, електрониката и во секторот за одмор.
Технолошко знаење
Што е… ? - Кратенки и технички термини во лесна конструкција