11. května 2017 17:46

Polyméry a ich kompozity aplikované pri konštruovaní automobilov

Konštrukčné materiály používané na výrobu automobilov

Automobily sú skonštruované až z 50 rôznych materiálov, pričom pozostávajú približne z 10 tisíc súčiastok. Hlavné konštrukčné prvky automobilu sú vyrobené z ocele a liatiny. Polymérne materiály disponujú výrazne nižšou hustotou ako kovy. Na porovnanie možno uviesť, že oceľ má hustotu 7 850 kg/m3 a hliník 2 700 kg/m3, pričom polyméry dosahujú hustotu od 1 000 do 2 000 kg/m3 v závislosti od druhu polyméru. Dôležitým dôvodom použitia polymérov pri konštrukcii automobilov je nižšia teplota ich spracovania. Oceľ sa taví pri teplote 1 350 °C (hliník pri teplote 658 °C), v prípade plastov je teplota ich tavenia 140 °C až 260 °C. Teplota tavenia polymérnych materiálov v porovnaní s kovmi prináša veľkú energetickú úsporu pri výrobe dielcov automobilu. Dôležitou je úspora pohonných látok pri použití plastov na výrobu automobilov. Zníženie hmotnosti automobilu o 100 kg umožňuje zníženie spotreby paliva o 0,4 litra na 100 km. Priaznivým argumentom pre používanie plastov pri výrobe automobilov je recyklovateľnosť prakticky všetkých termoplastov. V súčasnosti sa až 90 % vyťaženej ropy využíva na výrobu pohonných látok a len 10 % ropy sa spracováva pri výrobe plastov. Plasty predstavujú ekologické riešenie výroby automobilov a podstatnou mierou prispievajú k redukcii emisií CO2.
Konštrukčné materiály používané pri stavbe automobilov sa vyrábajú až z 20 % zo syntetických polymérov a gumy a 80 % dielcov je z kovových materiálov (ocele, hliníka) a iných materiálov. Plasty umožňujú zníženie nákladov potrebných na energiu pri spracovaní. Používanie plastových konštrukčných dielcov znižuje spotrebu pohonných látok v automobile, pretože polymérne materiály sú podstatne ľahšie ako materiály na báze kovov. Zníženie hmotnosti automobilu pri použití polymérov o 100 kg spôsobuje pokles spotreby pohonných hmôt o 0,4 l/100 km. Polymérne konštrukčné materály v kompozitnom prevedení dosahujú vysoké pevnosti, disponujú vysokou chemickou a tepelnou odolnosťou a tiež odolnosťou proti pôsobeniu UV žiarenia. Na konštrukciu automobilov sa používajú nehorľavé alebo samozhášavé polyméry, ktoré zvyšujú v prípade požiaru bezpečnosť posádky vozidla. V interiéri vozidiel sa aplikujú polymérne materiály, ktoré sú netrieštivé a v prípade havárie eliminujú riziko možného poranenia posádky vozidla.

Karoséria automobilu Porsche Carrera GT obsahuje
polymérny kompozit na báze uhlíkových vlákien s vysokou tepelnou odolnosťou

Druhy používaných polymérov
Zo syntetických polymérov sa pri konštruovaní automobilov najviac používa polypropylén, polyuretány a polyamidy, ktoré sa používajú na konštrukciu automobilov podstatne menej. Pri výrobe automobilov sú používané aj iné polyméry, polyetyléntereftalát, polybutyléntereftalát, polykarbonáty, polyoxymetylén a polyfenylénoxid. Z polymérov si udržiava popredné zastúpenie polyetylén a akrylonitril­‑butadién­‑styrénový (ABS) terpolymér, polyvinylchlorid a aj polymetylmetakrylát. Polymérne materiály sa používajú na aplikácie v interiéri a aj exteriéri automobilu, na výrobu konštrukčných dielcov motora alebo protivibračných a protihlukových dielcov. Do automobilov sa často používajú v menších množstvách podstatne drahšie špeciálne polymérne materiály so zvýšenou tepelnou a chemickou odolnosťou. Zo špeciálnych plastov možno uviesť polysulfóny, polyéterketón, polyéteréterketón, polysulfidy, polyimidy, ktoré odolávajú vysokým teplotám. Používajú sa aj biodegradovateľné polymérne materiály a polymérne materiály vyrobené z obnoviteľných zdrojov. Zvyšuje sa podiel prírodných výstužných materiálov na báze ľanu alebo konope v polymérnych konštrukčných kompozitoch.

Lamborghini Gallardo je skonštruovaný z polymérnych
kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami

Dôvody aplikácie polymérnych materiálov
Aplikácie polymérnych materiálov na výrobu automobilov sú zamerané najmä na zníženie hmotnosti automobilov, hluku, elimináciu negatívnych vplyvov na životné prostredie a aj na zvýšenie tepelnej odolnosti automobilových dielcov pri pôsobení vyšších teplôt. Ľahšie tvarovanie polymérov a ich kompozitov v porovnaní s kovovými materiálmi umožňuje pri konštrukcii automobilov použiť zložitejší dizajn, ktorý je v prípade aplikácie kovových dielcov karosérie vzhľadom na ťažšie a zložitejšie tvarovanie kovov energeticky a finančne veľmi náročný. Z dôvodu ochrany životného prostredia sa nahrádzajú polymérne dielce, ktoré sú rizikové vzhľadom na možné uvoľňovanie halogénov (napr. polyvinylchlorid), inými polymérnymi materiálmi ako sú kopolyméry polyolefínov a kopolyméry polystyrénu s polyizoprénom alebo polybutadiénom. Tieto polymérne materiály disponujú vysokou elasticitou a aplikujú sa v interiéri automobilu na obklady zvyšujúce bezpečnosť posádky automobilu, na výrobu prístrojových dosiek a na výrobu povrchov s tzv. mäkkým dotykom.
Polymérne dielce sú dôležité aj na zníženie hlučnosti automobilu. Na tento účel sa využívajú termoplastické elastoméry, ktoré majú schopnosť odstrániť vibrácie vozidla v dôsledku ich absorbovania. Zvýšuje sa pritom pasívna bezpečnosť posádky vozidla. Za účelom znižovania hmotnosti automobilu sa nahrádza sklo polykarbonátom, ktorý disponuje vysokou transparentnosťou a odolnosťou proti nárazu.
Na výrobu dielcov vystavených pôsobeniu vysokých teplôt sa používajú fluórované polyméry. Polyméry sa aplikujú aj na výrobu dielcov automobilu dôležitých z hľadiska bezpečnosti, napr. olejovej vane a štruktúrnych dielcov nárazníkov. Polymérnymi kompozitmi na báze uhlíkových a aramidových vlákien sa nahrádzajú plechy karosérie pri výrobe rýchlych športových automobilov. Pre rast výkonu tohto typu automobilov je dôležité zníženie celkovej hmotnosti automobilu a zvýšenie merného výkonu, ktorý sa vzťahuje na jednotku hmotnosti vozidla.

Dvere automobilu automobilu Dodge Viper SRT-10
sú vyrobené z uhlíkových polymérnych kompozitov

Aplikácie polymérnych kompozitov
Pri výrobe polymérnych kompozitov sa využíva polymérna matrica, ktorá obsahuje vystužujúce plnivo. Ako vystužujúce plnivo sa používajú polyamidové, uhlíkové, sklené ale aj prírodné vlákna. Polymérne kompozity po vystužení sklenými, prírodnými a polymérnymi vláknami získajú vyššie mechanické vlastnosti ako mal pôvodný polymér. Používajú sa na výrobu mechanicky namáhaných častí karosérie, konštrukciu nárazníkov a na výrobu dielcov do interiérov automobilov slúžiacich na zvýšenie pasívnej bezpečnosti. Na výrobu odľahčených palivových nádrží sa aplikujú kompozity na báze polyamidu alebo polyacetálu, ktoré sa pôvodne vyrábali z kovov.
Polymérne kompozity majú v porovnaní s kovmi výhodné bariérové vlastnosti, ktoré umožňujú odstránenie prestupu pár pohonných hmôt cez stenu nádrže, pričom sa chráni životné prostredie.

Pontiac Solstice sa vyrába z polymérnych kompozitov, ktoré pozostávajú z polyesterovej živice vystuženej sklenými vláknami

Aplikácie polymérnych materiálov a kompozitov v konštrukciách rôznych automobilov
Pre pretekárske auto Porsche Carrera GT vyvinuté firmou Porsche AG je z epoxidového kompozitu plneného uhlíkovými vláknami vyrobený podvozok, dvere, prahy dverí, podbehy kolies, veko kufra, kapota, podlahy, stredová konzola a sedadlá. Podvozok sendvičovej konštrukcie automobilu bol vyrobený z tkaných uhlíkových vlákien nachádzajúcich sa v pred-
impregnovaných laminátoch s plastovým jadrom vyrobeným z aramidu (Nomex). Exteriér automobile Porsche Carrera GT je vyrobený z predimpregnovaných laminátov. Týmto technologickým postupom sa môže znížiť hmotnosť dielca až o 40 % v porovnaní s dielcom vyrobeným z kovu.
Polymérne kompozitné dielce karosérie automobilov Lamborghini Gallardo, Maserati alebo Ferrari Spider F430 sú vyrobené zo špeciálnych kompozitov tvarovaním epoxidovej živice metódou RTM (z angl. Resin Transfer Molding). Uhlíkovo­‑epoxidové predimpregnované lamináty sa vyrábajú uzavretím kovových foriem v technologickom procese RTM. Po zostavení podvozka z RTM komponentov je celý systém vytvrdený v autoklávoch, aby sa zabezpečilo optimálne pôsobenie tlaku a tepla pri výrobe škrupinovej konštrukcie karosérie automobilu.
Uhlíkové vlákna impregnované epoxidovou živicou sa používajú na výrobu podvozku automobilu, čo umožňuje zníženie hmotnosti vozidla až o 35 % v porovnaní s dielcami vyrobenými z hliníka.
Dvere vyrábané pre automobil Dodge Viper SRT 10 z karbónových polymérnych kompozitov sú opracované špeciálnymi nástrojovými technikami. V spolupráci so spoločnosťami Meridian a Quantum Composites vyvinul Daimler Chrysler novú spájaciu technológiu, ktorá spočíva vo vzájomnom prekrývaní uhlíkových vlákien epoxidovou živicou. Pri aplikácii epoxidového kompozitu na báze vlákien uhlíka sa dosiahlo až 200%-né zvýšenie tuhosti dverí automobilu pri ohybe a 350%-né zvýšenie trvalej deformácie pri ohybe. Daimler Chrysler pre automobil Viper SRT-10 vyvinul nový kompozitný šesťkusový podporný systém blatníka, ktorým sa nahradila jeho montáž z pôvodných 20 kovových dielcov. Blatník vyrobený z polymérneho laminátu s uhlíkovými vláknami vyhovoval všetkým požadovaným konštrukčným zaťaženiam a splnil kritéria pre namáhanie v ohybe. Podporný systém blatníka vyrobeného z uhlíkového kompozitu umožnil okrem zníženia hmotnosti aj podstatné zníženie finančných nákladov. Nízke náklady a rast mechanických vlastností kompozitov zvyšuje atraktívnosť prírodných vlákien pre aplikácie v automobilovom priemysle.
Podľa vyjadrenia spoločnosti Flexform Technologies, ktorá je dodávateľom termoplastických fólií vystužených rastlinnými vláknami, dosahujú kompozity na báze prírodných vlákien nižšiu hmotnosť a predstavujú ekologicky prijateľnejšiu alternatívu ku polymérom s drevnou múčkou ako plnivom. Dosahuje sa pritom až 25%-né zvýšenie pevnosti takých dielcov automobilu ako sú výplne dverí, vložky, odkladacie priestory, operadlá, sedadlá, bočnice, stĺpy a stredové konzoly. Dvere automobilu Jeep SUV boli vyrobené vďaka vynikajúcim tvarovacím vlastnostiam kompozitov na báze prírodných vlákien. Daimler Chrysler využíva prírodné kompozity pri výrobe výplni dverí v prípade automobilov Mercedes M­‑Class SUV a Mercedes R­‑Class Sport Tourer. Polymérny kompozit pozostáva z 50 hmotnostných % polypropylénu a z 50 hmotnostných % zmesi prírodných vlákien zmesi konope a ľanu v rôznych kombináciách.
Výplne dverí automobilov vyrobené z vrstiev prírodných zosilnených vlákien sa využívajú v rôznych značkách automobilov ako je Ford Expedition, Audi A8, Mitsubishi Space Star Minivan, BMW 7, Jeep SUV a Iveco Heavy Truck Line. Zadný nákladový priestor podlahy Porsche Cayenne je zhotovený z konštrukčných vrstiev prírodných kompozitov vyrobených z expandovaného penového polypropylénu. Túto konštrukciu podlahy využívajú automobily Volkswagen Touareg a športovo­‑úžitkové vozidlá Audi Q7. Kryt rezervného kolesa Mercedesu triedy A sa vyrába z kompozitu obsahujúceho polypropylén a dlhé abakové vlákna miešané v polymérnej tavenine, ktorá je potom vytvarovaná tlakom v chladiacom zariadení.
Z automobilov obsahujúcich konštrukčné dielce na báze uhlíkových polymérnych kompozitov je možné uviesť model Porsche 911 Turbo ladený firmou Sportec. Model Sportec SP 800 R má spoilery pod predným nárazníkom a na časti má umiestnené dielce, ktoré sú vyrobené z uhlíkových kompozitov. Automobil dosahuje výkon 800 HP (588 kW) a dosahuje rýchlosť 370 km/h. Rýchlosť 100 km/h dosahuje tento automobil za 3,1 s vďaka odľahčeniu konštrukcie s využitím polymérnych kompozitov.
Podobne stuttgartský Mercedes­‑Benz S 500 s výkonom 420 HP je v prevažnej miere skonštruovaný z polymérnych uhlíkových kompozitov, ktoré sú použité pri výrobe nárazníkov a karosérie vozidla.

Záver
Neustály vývoj pri konštruovaní automobilov úzko súvisí s vedeckým výskumom nových typov polymérnych materiálov, ich mikrokompozitov a nanokompozitov a tiež plnív, napr. grafénu, ako aj s rozšírením nových aplikácií termoplastických elastomérov. Poznatky zo štúdia kompozitných polymérnych materiálov vystužených polymérnymi alebo prírodnými vláknami umožňujú navrhovať nové konštrukčné materiály, ktoré sa môžu využiť na výrobu zdokonalených typov automobilov.

Igor Novák, Ondrej Žigo,
Ústav polymérov SAV