Kompozity s termoplastickou matricí a automobilový průmysl, 1. část

Kompozity s termoplastickou matricí a automobilový průmysl, 1. část

Studie An Economic Assessment of Low Carbon Vehicles z března 2013, kterou vypracovali odborníci z konzultačních společností Cambridge Econometric a Ricardo - AEA, a kterou zadala skupina Nissan, Evropská asociace dodavatelů automobilového průmyslu, společnost General Electric, evropská odborová federace Industra All a organizace European Climate Foundation tvrdí, že snižování množství emisí vypouštěných osobními automobily a lehkými užitkovými vozidly prospěje evropské ekonomice.

Evropská komise schválila dvě nařízení. Podle prvního mají nově vyrobené osobní automobily do roku 2020 vypouštět maximálně 95 gramů CO2 na jeden ujetý kilometr - o 40 g CO2 / 1 km méně než dnes. V případě lehkých užitkových vozidel se mají emise do roku 2020 snížit na 147 g CO2 / 1 km - o 34 g CO2 / 1 km méně než v roce 2010.

Je pravděpodobné, že tato nová nařízení nastolí obrat v pohonu osobních automobilů, kde dnes začínají převažovat vznětové motory nad zážehovými. U vznětových motorů menších objemů bude velmi složité dosáhnout požadované emisní hodnoty.

Podle výpočtů Cambridge Econometric a Ricardo - AEA přinesou inovace potřebné ke snížení emisí do roku 2020 náklady ve výši cca 1 000, - EUR na jedno vyrobené vozidlo. Tyto vývojové a výrobní náklady by, podle uvedené studie, měly být vyváženy nižší spotřebou paliva - cca 400, - EUR na jeden automobil a rok.

Po dosažení uvedeného emisního standardu, země EU ušetří na provozu uvedených typů automobilů až 35 miliard eur ročně. V souvislosti se zavedením emisních limitů do roku 2020 studie též uvádí vytvoření nových pracovních míst, kterých by mohlo vzniknout až cca 440 000.

Automobilový průmysl snižování emisí nezpochybňuje, ale stejně jako v roce 2008, kdy vstoupily v platnost současné emisní limity platné do roku 2015, namítá například, že je obtížné specifikovat úspory z nižších nákladů na palivo, protože ceny paliv jsou závislé nejen na proměnlivé ceně ropy, ale zejména na politických rozhodnutích jako je výše spotřební daně, DPH a podobně.

Při nákupu osobních i užitkových automobilů bývá důležitější pořizovací cena, která v důsledku zavedení úsporných technologií bude navýšena, což potvrzuje i bývalý ředitel vnějších vztahů společnosti Škoda Auto Michal Kadera, když říká: Cíl patří v mezinárodním srovnání s USA, Japonskem, Čínou a dalšími automobilově vyspělými státy k nejvíce ambiciózním a jeho dosažení si vyžádá dodatečné náklady, které se neodvratně promítnou do ceny vozu pro zákazníka v zemích EU.

Emisní standardy jsou ve vyspělých zemích různé:

 - Austrálie - v roce 2005 byl zde zaveden dobrovolný národní průměr emise oxidu uhličitého pro lehká užitková vozidla 222 g CO2 / 1 km s termínem do roku 2010

 - Kanada - do roku 2010 pro osobní automobily platily stejná pravidla jako v USA, v roce 2016 má být dosaženo limitu 153 g CO2 / 1 km

 - Čína - v roce 2009 byl představen program Phase III, který do roku 2015 stanovil pro nové osobní automobily limitní spotřebu do 7 l / 100 km, což přibližně odpovídá 167 g CO2 / 1 km

 - Evropská Unie - v roce 2009 byl stanoven povinný požadavek na limit v roce 2015 na hodnotu 130 g CO2 / 1 km; tento závazek byl pro osobní automobily zpřísněn na 95 g CO2 / 1 km v roce 2020 a pro dodávkové automobily platí hodnoty 175 g CO2 / 1 km v roce 2017 a v roce 2020 147 g CO2 / 1 km

 - Japonsko - v roce 2007 byla stanovena norma spotřeby pro osobní automobily registrované v roce 2015 na 16, 8 km / l paliva, tj. cca 125 g CO2 / 1 km

 - Rusko - platí standardy EU

 - Jižní Korea - v roce 2010 byl pro rok 2015 stanoven standard spotřeby paliva pro rok 2015 na 17 km / l paliva nebo 140 g CO2 / 1 km

 - USA - pro rok 2016 platí limity 250 g CO 2 / 1 míle nebo 34, 1 míle / 1 galon paliva, čemuž odpovídá ekvivalent cca 172 g CO2 / 1 km

Uvedené údaje jsou zobrazeny na přiloženém grafu:

 

S výše uvedenými limity, o kterých, zejména v EU, zástupci automobilového průmyslu hovoří jako o velmi přísných a zdražujících vývoj a výrobu osobních a užitkových automobilů a zástupci zelených, ekologických organizací jako o málo ambiciózních, souvisí cesty jak předepsaných cílů dosáhnout.

Jednou z cest je další využití plastů a kompozitních materiálů s termoplastickou matricí v jejich konstrukci.


Historie použití plastů v automobilech

S určitou nadsázkou lze říci, že plasty a automobily spolu prožívají již cca 150 letou historii. Plasty v současném slova smyslu byly vynalezeny o 27 let dříve, než byl postaven první automobil pánů Daimlera a Benze a to v roce 1862. V tomto roce Angličan Alexander Parkes modifikoval celulózu do tvárného materiálu a tím vznikl první termoplastický materiál - parkesin a položil základy k vývoji celuloidu.

Ten v roce 1870 patentovali Američani bratři John a Isaich Hyattové pod obchodním názvem Celluloid. S bratry Hyattovými je také spjata historie vstřikování termoplastů, postavili první pístový vstřikovací stroj.

První termoplasty byly hořlavé, a proto se do tehdejších automobilů s příliš mnoha rozžhavenými součástkami nehodily.

V roce 1907 jako první připravil belgický chemik Leo Hendrik Baekeland fenolformaldehydový polykondenzát, který se stal prvním průmyslově vyráběným plastem, který se nejdříve prosadil jako izolátor do elektroinstalací - pojistkové skřínky, rozdělovače apod. V roce 1917 byl tento materiál pod názvem Bakelite, respektive Bakelit, což jsou do dneška ochranné známky německé společnosti Bakelite AG, Duisburg, použit pro výrobu knoflíku na rychlostí páce luxusního automobilu Rolls - Royce. Po vypršení platnosti základního patentu v roce 1926 se stal reaktoplast „bakelit“ nejpoužívanějším plastem před druhou světovou válkou.

Stejně jako v jiných odvětvích automobilového průmyslu byl průkopníkem v oblasti použití plastů a i dnes velmi často diskutovaných bioplastů Henry Ford. Ten, původem z farmářského prostředí, podporoval i biopaliva - lihobenzin. V roce 1915 osazoval vozy Ford T pouzdry zapalovacích cívek vyrobenými z rostlinné bílkoviny vyztužené skleněnými vlákny. Nejrozšířenější bioplasty do vozů Ford kombinovaly sójový protein - obsah 10 až 20 % - s vlákny z konopí - až 70 %. Jako pojivo byl použit fenolformaldehydový polykondenzát. Z takovýchto materiálů se technologií lisování a přetlačování vyráběly přístrojové desky, ovladače, části výplní dveří, volanty a další díly.

S postupným vývojem dalších plastů, třicátá léta minulého století PVC a PE, na bázi ropy a derivátů uhlí se staly uvedené materiály cenově nevýhodnými. I přes určitý pokrok ve vývoji bioplastů je uvedené konstatování stále platné.

V roce 1942, 13. ledna, přihlásil Henry Ford patent na karosérii z plastů. Předvedl ji na podvozku velkého kupé Ford V8. Byla sestavena ze 14 panelů a měla hmotnost pouhých 113 kg. Díky ní klesla celková hmotnost automobilu v porovnání s ocelovou o 30 % na 1 043 kg. Bohužel, v důsledku probíhající světové války a vysokým nákladům potřebným na změnu výrobních technologií (a snad i intrikám chemického koncernu DuPont) se tehdy plastové karosérie do sériové výroby neprosadily.

Po 2. světové válce na experimenty nebyla správná doba a navíc od padesátých let minulého století se začíná sledovat i bezpečnostní hledisko konstrukce automobilů a tehdejší plastové konstrukce neumožňovaly vytváření deformačních zón.

Bez ohledu na bezpečnostní požadavky - deformační zóny - byl v NDR vyvinut a sériově vyráběn osobní automobil Trabant s plastovou karosérií. Prvních 50 prototypů bylo veřejnosti představeno 7. 11. 1957, od roku 1964 do června 1990 se prakticky bez velkých změn vyráběl typ Trabant 601, výroba Trabantů byla ukončena 30. 4. 1991.

Lisované díly karosérie Trabantů byly vyrobeny z reaktoplastu o obchodním názvu Duroplast, lisovací teplota byla 170 °C, měrná hmotnost materiálu 1, 38 g / cm3. Duroplast byl vyroben na bázi fenolových pryskyřic, vyráběných z odpadního dehtu z chemického zpracování hnědého uhlí, kterého bylo v tehdejší NDR více než dost a z odpadní sovětské bavlny nepoužitelné v oděvním průmyslu.

V současné době kdy je automobilový průmysl vystaven stále přísnějším ekologickým omezením - emise, recyklovatelnost, atd. - a požadavkům na bezpečnost je aplikace plastů v konstrukci automobilů ekonomicky nejefektivnější.

Současné široké uplatnění termoplastů při konstrukci a výrobě automobilů je výsledkem sladění specifických požadavků konstrukce a a technologie výroby automobilů se specifickými materiálovými vlastnostmi plastů a technologiemi jejich zpracování.

Se zavedením výroby nových termoplastických polymerů v padesátých a šedesátých letech minulého století se i pozornost automobilových konstruktérů začíná na ně zaměřovat. V tomto období plní plasty roli náhradních materiálů k materiálům běžně v konstrukcích automobilů používaných. Razantní vzestup používání plastů nastal v sedmdesátých letech a byl odstartován zvyšujícími se požadavky na pasivní bezpečnost automobilů a požadavky na jejich hospodárnost v souvislosti s ropnými krizemi.

Obecně platí, že osobní automobil se skládá ze tří základních konstrukčních skupin. Podíl jednotlivých konstrukčních podskupin na celkové hmotnosti je možno určit takto:

  • hnací jednotka - cca 28 %
  • podvozek - cca 27 %
  • karosérie, včetně výbavy - cca 38 %
  • do sta procent jsou díly, které není možno jednoznačně zahrnout do některé z uvedených skupin

Jednotlivé druhy materiálů jsou v osobním automobilu zastoupeny procentuálně takto:

 


Do cca 13 % zastoupení plastů patří jak termoplasty, tak i reaktoplasty mezi něž se počítají i pěnové polyuretany na čalounění sedaček, interiéru karosérie a zvuk izolujících dílů karoserie a guma.

Podíl termoplastů na materiálovém složení osobního automobilu je zhruba 8 %. Podíl je samozřejmě závislý na typu automobilu, jeho technické úrovni a velikosti. Pro výrobu střední třídy osobních automobilů se použije cca 130 až 150 kg termoplastů.

Největší podíl plastových dílů je obsažen ve skupině karosérie a nejméně jich obsahuje podvozek. Podle druhu plastů jsou nejvíce zastoupeny materiály na bázi polypropylenu ( cca 35 %), následují různé typy polyamidů ( cca 14 %), polyetylen ( cca 10 %) a ABS ( cca 7 %). 

Konstrukce automobilu vyžaduje, pro jednotlivé konstrukční skupiny, materiály se specifickými užitnými i zpracovatelskými vlastnostmi a to jak vzhledem k požadavkům na bezpečnost, komfort posádky, design a hospodárnost provozu spolu s ekologickými požadavky.

Samotné termoplasty svými vlastnostmi obvykle požadavkům na materiály vhodné ke konstrukci automobilových dílů nevyhovují. Proto, že je druhový vývoj plastů více méně ukončen, je technicky nejschůdnější a ekonomicky nejpřijatelnější cesta k široké škále materiálů s vlastnostmi vhodnými pro konstrukci a výrobu automobilových dílů modifikace vlastností standardních termoplastů.

Pod pojmem modifikace zde rozumíme modifikaci vlastností plastů jejich mícháním s vhodnými aditivy - polymerními, organickými i anorganickými - měnícími požadovaným směrem jejich vlastnosti.

Pro potřeby automobilových aplikací se zejména jedná o zvýšení:

  • houževnatosti - zejména díly karosérií
  • estetických vlastností - vnitřní vybavení karosérie
  • tuhosti - ovládací prvky, držadla, úchyty
  • tepelné odolnosti - díly světlometů, chladící soustavy, topení a klimatizace, konektory v motorovém prostoru
  • kluzných vlastností - samomazná pouzdra a kluzná ložiska
  • nepropustnosti pro páry uhlovodíků - palivová nádrž a potrubí


Podstatnou roli hraje i specifická hmotnost používaných materiálů se snahou o její co nejnižší hodnotu - zde nabývá na významu modifikace polypropylénu a kompozitní materiály na bázi plniva s uhlíkových vláken.

Aplikace kompozitů s uhlíkovými vlákny nabývá na významu s rozvojem hybridních a plně elektrických automobilů.

Podle ředitele Centra pro automobilový výzkum na Duisbursko - Essenské universitě v Německu, profesora Ferdinanda Dudenhöffera do roku 2025 klesne celosvětově podíl nových aut s motory na klasické pohonné hmoty o 35 %. Podle jeho dalších odhadů se během příštích 10 let ročně prodá dvacet čtyři miliónů hybridních a elektrických osobních automobilů.

To přinese pro každou automobilku další problém - zvýšení hmotnosti aut. Hmotnost elektromobilu s instalovanou baterií se zvýší o cca 250 kg, v případě hybridních automobilů s elektrickým pohonem o cca 200 kg.

Výše uvedené požadavky mohou splnit kompozitní materiály s termoplastickou matricí.

• pokračovanie článku bude uverejnené 22.12.2014.

  • autor:
  • Lubomír Zeman, foto: Borealis


    Mohlo by vás také zajímat



     

    Archiv článků