24. června 2019 10:34

Aplikácia polymérnych konštrukčných materiálov pri výrobe automobilov

História využívania polymérov pri konštruovaní automobilov
Polymérne konštrukčné materiály sa aplikujú prakticky vo všetkých moderných automobiloch v čoraz väčšej miere, pričom sú v porovnaní s tradičnými kovovými materiálmi ľahšie a odolnejšie. Uvádzam niektoré fakty z histórie aplikácií polymérov súvisiacich s konštruovaním automobilov. V roku 1909 sa na základe patentu belgického chemika Baekelanda začala výroba bakelitu. Odštartovalo to novú konštrukčnú éru, ktorá sa označuje aj ako „umelohmotná doba“. V roku 1938 bola vyrobená prvá epoxidová živica a v roku 1942 prvé epoxidové lamináty s výstužou zo sklených vlákien. Kompozitné materiály na báze epoxidov sa pri konštruovaní automobilov začali používať v prvej polovici 50. rokov. Významnú zmenu priniesla výroba termoplastických polymérov v 50. a 60. rokoch dvadsiateho storočia. Polyméry najskôr predstavovali náhradu klasických kovových konštrukčných materiálov, ktorých použitie nebolo vhodné pre veľkosériovú výrobu automobilov z dôvodov vysokej ceny a technologicky náročnej spracovateľnosti. Intenzívny rozvoj využívania polymérov v automobilovom priemysle nastal v 70. rokoch dvadsiateho storočia v dôsledku narastajúcich nárokov na pasívnu bezpečnosť pasažierov a hospodárnosť. V 90. rokoch dvadsiateho storočia pribudli ekologické hľadiská a požiadavka maximálnej recyklovateľnosti odpadových materiálov. Dôležitým impulzom pre rozšírenie aplikácií polymérov bolo po roku 2000 zavedenie nanotechnológií, ktoré nanokompozitným polymérnym materiálom umožnili získať úplne nové, často presne cielené vlastnosti.

Polyméry a nekovové materiály v automobile
Pre konštruktérov automobilov sa po náhrade kovových konštrukčných materiálov otvorili možnosti výroby presných plastových dielov najrôznejších tvarov. Polymérne diely často nepotrebujú povrchové úpravy ako kovové diely a už pri ich výrobe možno dosiahnuť požadované špeciálne vlastnosti. Polyméry si však často vyžadujú používanie iných spájacích technológií ako je napr. spájanie lepením namiesto bodového zvárania kovov.
V modernom automobile viac ako polovica hmotnosti pripadá na kovy (najmä oceľ, hliník a jeho zliatiny, liatina). Z hmotnosti automobilu pripadá približne 3 % hmotnosti na sklo a 5 % hmotnosti na prevádzkové kvapaliny. Z polymérnych materiálov (guma, reaktoplasty, termoplasty) sa v moderných vozidlách môžno najčastejšie stretnúť s termoplastami, ktorých hmotnostný podiel na materiálovom zložení osobného automobilu je približne 8–10 %. Celková hmotnosť sa mení podľa rôznych typov automobilov, ale všeobecne sa pri výrobe jedného auta využíva približne 130–150 kg polymérov. Najväčší podiel polymérnych dielov sa uplatňuje pri konštruovaní karosérie, najmenej ich obsahuje podvozok. Podľa druhu polyméru sú najviac zastúpené materiály na báze izotaktického polypropylénu (30 %), rôzne druhy polyamidov (14 %), polyetylén (10 %) a akrylonitril­‑butadién­‑styrénové terpolyméry (ABS) (10 %). Húževnatý polypropylén nachádza v automobiloch uplatnenie hlavne v prípade veľkoplošných, rázovo namáhaných dielov karosérie a to vonkajších dielov (nárazníky, spoilery) ako aj vnútorných dielov (panel prístrojovej dosky, obloženie kabíny). Polyamidové materiály tiež nachádzajú v konštrukcii automobilov široké využitie. Sú z nich vyrábané napr. ovládacie prvky, kľučky dverí, súčasti napínacieho mechanizmu bezpečnostných pásov a ďalšie drobné diely interiéru vozidiel. Pri konštrukcii motorov a pohonnej sústavy sa uplatňujú aj ďalšie nekovové tradičné materiály ako je napr. keramika.Výrobcovia s aplikáciami keramiky experimentujú napr. v brzdovom systéme špičkových vozidiel. Pri konštrukcii automobilov sa uplatňujú aj iné druhy nekovových materiálov (napr. bambus alebo kokosové vlákna, z ktorých sa vyrábajú ekologické bioplasty pre interiéry niektorých modelov automobilov (Hyundai) a nemožno jednoznačne povedať, že by ich aplikácia predstavovala slepú uličku vývoja konštruovania vozidiel. Príkladom môžu byť niektoré polymérne kompozitné materiály na báze uhlíka, ktoré boli ešte nedávno extravagantným výstrelkom pri malosériovej alebo kusovej výrobe drahých špeciálov. Rozvoj nanotechnológií a pokles ceny týchto materiálov s možnosťou priemyselnej výroby však túto situáciu výrazne zmenil.

Výhody využitia polymérov pri výrobe automobilu
Podľa spoločnosti BASF je hlavným argumentom aplikácie polymérnych materiálov ich až o dve tretiny nižšia hmotnosť v porovnaní s kovmi a s ňou je spojená aj nižšia spotreba paliva. Polymérne diely pre automobily priniesli významnú úsporu energetickej spotreby v porovnaní s kovmi, pričom na rozdiel od iných materiálov prispievajú k znižovaniu emisií CO2. Napriek tomu, že polyméry dnes tvoria významnú položku v konštrukcií automobilov ich využitie naďalej rastie. V roku 1970 tvorili polyméry len 6 % hmotnosti vozidla, dnes však ich podiel dosahuje v priemere 12 až 15 %. Pokles 100 kg na hmotnosti automobilu spôsobuje zníženie spotreby pohonných látok až o 0,4 litra na 100 km. Rovnako tak výrazne nižšia teplota tavenia polymérov v porovnaní s kovmi prináša energetickú úsporu. Z princípu sú všetky termoplasty recyklovateľné. Polyméry predstavujú ekologické riešenia a prispievajú podstatnou mierou k redukcii emisií CO2. V provnaní s 1 m3 ocele s približnou hmotnosťou 7 850 kg alebo hliníka s hmotnosťou 2 700 kg dosahuje 1 m3 plastov hmotnosť v rozmedzí 1 000 až 2 000 kg. Teplota, pri ktorej sa taví oceľ je až päťkrát vyššia ako pri polyméroch. Podstatne nižšia teplota tavenia polymérov sa podľa BASF spája s významne vyššou energetickou úsporou. Vďaka hmotnostnej úspore pri aplikáciach polymérov môže byť automobil vybavený aj ďalšími prvkami, ktoré boli ešte pred niekoľkými rokmi len ťažko predstaviteľné.

Inovácie pri aplikáciach polymérov
Použitie polymérov sa spája aj s ďalšími inováciami, ktoré majú zvyšovať bezpečnosť, komfort a šetrnosť k životnému prostrediu. V súčasnosti ako aj v blízkej budúcnosti by mali byť aplikované špeciálne polymérne výstuhy v nárazníkoch automobilov, ktoré dosahujú až trikrát vyššiu tuhosť a absorpciu energie než obyčajný plast a tak sú vhodné na ochranu chodcov pred vážnymi zraneniami. K vyššej bezpečnosti pasažierov prispievajú polymérne opierky hlavy, ktoré v prípade spätného nárazu spúšťajú aktivátor umiestnený v opierke, pri ktorom pružina posunie prednú polovicu opierky dopredu, čím sa výrazne zredukuje riziko zranenia. Moderné trendy vo vývoji automobilov určujú aj vývoj nových materiálov zavádzaných v rôznych komponentoch automobilu. Použitie nových polymérnych materiálov si vyžaduje množstvo skúšok a testov ich efektívneho a účelného použitia.
Nové trendy vývoja automobilov sa orientujú na využívanie nových, odľahčených kompozitných materiálov, na špeciálne povrchové úpravy karosérií, ako aj na zvyšovanie podielu polymérov pre montáž vývojovo moderných typov automobilov. S rastom počtu vyrábaných vozidiel (za 50 rokov vzrast na 6násobok) vzrástla aj celková spotreba polymérnych materiálov (za 50 rokov vzrástla 5násobne). Od sedemdesiatych rokov klesá priemerná hmotnosť cestných motorových vozidiel, pričom za 30 rokov nastal pokles hmotnosti vozidiel o 40 %.

Konštrukcia automobilu
Konštrukčný materiál predstavuje dnes 30 % z celkových kalkulácií pri tvorbe ceny automobilu, preto je veľká snaha výrobcov automobilov o znižovanie jeho spotreby. Automobil tvorí niekoľko modulov, viac systémov a veľa súčiastok z niekoľko tisíc komponentov spolu tvoriacich v zásade tri väčšie celky – karosériu, hnací agregát a mechanické a podvozkové komponenty s interiérovou a exteriérovou výbavou. Uvádza sa, že automobil v priemere obsahuje približne 50 rôznych materiálov a 10 000 súčiastok. Z plastov sú vyrábané rôzne časti automobilu: nárazníky, blatníky, čelo vozidla, prístrojová doska, vnútorné obloženie, kostra a vnútro sedadiel, kryty kolies, držiaky motora, puzdro akumulátora, tepelný štít katalyzátora, tesnenie, izolácia, pérovanie, trysky topenia a klimatizácia, fólie na displej, svetelné zdroje. Z polymérov sa uplatňujú predovšetkým termoplasty vystužené sklenými vláknami, pričom sa v špeciálnych prípadoch používajú uhlíkové vlákna. Konkrétne ide o polykarbonáty, modifikované polyfenolenoxidy, akrylnitrilbutadienstyroly, polyeterimidy, polyetylensulfidy, termoplastické elastomery a polyestery a pod.

Polyméry sú stále dôležitejšie pri výrobe automobilov
Termoplasty, termosety, elastoméry, textil a kompozity zosilnené vláknami patria dnes v modernej konštrukcii automobilov k bežným materiálom. Tento druh materiálov trvalo napomáha ľahkej konštrukcii vozidiel, ich aktívnej a pasívnej bezpečnosti a optickému a hmatovému aspektu konštrukčných prvkov. Polyméry a ich kompozitné materiály sa používajú vo všetkých komponentoch na výrobu motorových vozidiel. Často umožňujú, v porovnaní s kovovými materiálmi, nákladovo výhodnejšie stvárnenie konštrukčných prvkov. Ich použitím sa dajú vytvárať také priestorové tvary častí, ktoré sa kovy nedajú zhotoviť, alebo veľmi nákladne. Tiež napomáhajú väčšiemu pohodliu v interiéri vozidiel, pričom zvyšujú hodnotu vnútorného priestoru vozidla. Karosérie z polymérov sú vo veľkosériovej výrobe známe od 80. rokov. Spočiatku polyméry slúžili ako obloženie nárazníkov, neskôr sa používali ako doplnkové časti karosérií – bočné steny, dvere. Diely karosérie sa vyrábali živicovým pretláčaním (napr. pre BMW Z1), pričom sa sklolaminátový polotovar napúšťal epoxidovou živicou. Neskôr sa bočné časti karosérie automobilu vyrábali vstrekovaním termoplastov, ktoré sa katodicky lakovali ponorením. Polymérne diely sa už vyrábajú aj z nového materiálu vyvinutého na báze polymérneho kompozitu – zmesi polyamidu a ABS plneného minerálmi. K výhodám tohto konštrukčného materiálu patrí malá tepelná rozťažnosť a malé nasiakovanie vlhkosti, nízke výrobné náklady a možnosť využitia existujúcich výrobných štruktúr. Novšie systémovo technické riešenie termoplastu vo vonkajších prvkoch vozidiel zahŕňa tvarovanie výklopné zadku, strechy a podvozku vozidla. Aktuálnym použitím technológie CFK (polymér spevnený uhlíkovým vláknom) je konštrukcia strechy na vozidla BMW M6. V porovnaní s teoreticky možným riešením z kovu sa pritom zníži o 6 kg hmotnosť a v dôsledku toho sa zníži ťažisko a zvýši akcelerácia vozidla.

Aplikácia polymérov v interiéri vozidla
Cieľom použitia polymérov vo vnútri vozidla je dosiahnutie čo najlepších optických a hmatových vlastnosíi a zvýšenie pasívnej bezpečnosti. V poslednom čase sa venuje veľká pozornosť povrchovej úprave materiálov na prístrojovej doske a polymérnym kompozitným materiálom používaným na obloženie interiéru. Pri tvorbe povrchov prístrojových dosiek sa v závislosti od ich geometrie a v závislosti od ďalších požiadaviek používajú penové fólie a tvarované povlaky vyrábané rozprašovacou technikou a rotačným odlievaním (vratným výklopným liatím). Aktuálnym použitím rotačného odlievania je tzv poťahovanie vo forme, ktoré sa používa pri výrobe automobilu BMW X5. Pri použití technológie poťahovania technológie sa v prvom kroku nanesie do odlievacieho zariadenia farebná polyuretánová vrstva s hrúbkou niekoľkých milimetrov. Potom sa výklopným liatím vyrobí vlastný tvarovací povlak z termoplastického polyvinylchloridu. Výsledkom je vysoká hospodárnosť výroby, široké spektrum dosiahnutých farebných odtieňov, cielené nastavovanie dotykových vnemov a cielená tvorba priehlbín. Pri výrobe obloženia a výplní (napr. výplň dverí vrátane nosnej štruktúry) sú dôležité optické vlastnosti dielov pri ich minimálnej hmotnosti. Z výrobno­‑technického hľadiska sa najlepšie osvedčili plastové konštrukcie v kombinácii s prírodnými vláknami. Na výrobu dverí vozidiel BMW radu 3 sa používa ľan, bavlna a sisal, pričom sa dosiahne vysoká tvarová stabilita a vysoká bezpečnosť pri náraze pri minimálnych emisiach v interiéri.

W. E. Sattich zo spoločnosti Chevron Phillips Chemical Company v súčasnosti pracuje na aplikáciach polymérneho konštrukčného materiálu na báze polyfenylénsulfidu (PPS) pre aplikácie v automobilových motoroch. PPS je odolný voči chemikáliam a spoločnosť zistila, že pri teplote nižšej ako 200 °C nemôže žiadne organické rozpúšťadlo PPS rozpustiť. Tento polymér odoláva aj zriedeným kyselinám a hydroxidom. PPS sa môže aplikovať aj v kombinácii s plnivami, pričom vytvorený kompozit dosahuje vysoké mechanické vlastnosti. Boli otestované kompozitné PPS materiály s obsahom 40 až 65 % prírodných vlákien, pričom boli úspešne aplikované ako výplňový materiál.

P. Schmieg a M. Pilarski zo spoločnosti DSM Engineering Plastics vyvinuli nový polymérny konštrukčný materiál označený ako vysokoteplotný polyamid PA 46. Bola otestovaná jedna verzia uvedeného materiálu, ktorú označili ako Stanyl Diablo. Tento systém vykazoval dobré mechanické vlastnosti aj po tepelnom zaťažovaní viac ako 5 000 hodín pri teplote 210 °C. Bolo navrhnuté nahradenie kovových častí motora ako sú komponenty turbo dieselového systému materiálom na báze PA 46, pričom predchádzajúce aplikácie termoplastov neboli úspešné. Boli odskúšané aj iné polymérne materiály, ktoré sa môžu používať do teploty 210 °C. Ide o polyamid 66 (PA 66) a polyftalamid (PPA), ktoré však pri prekročení teploty nad 210 °C vykazujú výrazný pokles mechanických vlastností. Nový polymérny materiál PA 46 si aj nad uvedenou teplotou zachováva pôvodné mechanické vlastnosti. Polymérne materiály PA 66 a PPA strácajú väčšinu fyzikálnych vlastností po tepelnom zaťažení počas 2 000 hodín pri teplote 210 °C, konštrukčný polymérny materiál Stanyl Diablo si po počiatočnej malej strate mechanických vlastností vlastností pri zaťažení 2 000–7 000 hodín zachovávava mechanické parametre a vďaka vysokej teplotnej stabilite je tak sľubným konštrukčným materiálom pre ďalšie aplikácie pre konštruovaní automobilov.

Igor Novák, Štěpán Florián
Ústav polymérov SAV, Bratislava, www.polymer.sav.sk