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Composti: Sulla buona forma

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Un allineamento dei materiali compositi ora è disponibile ai veicolo-creatori

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Anche se i vantaggi dei composti del polimero sono ben noti nell'industria automobilistica, il loro uso è stato impedetto dagli alti costi materiali, dai tassi di produzione lenti, dalle preoccupazioni sopra riciclabilità e dalla mancanza generale dell'industria di esperienza e dalla comodità con il materiale in paragone ai metalli. I produttori ed i fabbricanti automobilistici dei composti ora stanno lavorando febbricitante per risolvere questi problemi, anche se molto lavoro rimane essere fatto.

Un composto è una combinazione di due o più materiali che possiede le migliori proprietà meccaniche che le relative diverse componenti. Contrariamente alle leghe metalliche, ogni materiale mantiene le relative proprietà fisiche e meccaniche separate del prodotto chimico. I due costituenti di un composto del polimero sono un rinforzo fibroso - basato sui materiali di vetro o naturali del carbonio, quale lino - e una tabella del polimero. Il rinforzo fornisce al composto la relative resistenza e rigidezza, mentre la tabella tiene insieme il materiale.

Le fibre del carbonio esibiscono generalmente la resistenza alla compressione di tensione ed eccellente, dimostrano l'alto modulo (rigidezza), hanno caratteristiche eccellenti di affaticamento e non corrodono. Sono state utilizzate in Formula 1 dal 1981 ma fino a poco tempo fa sono state considerate troppo costose per qualche cosa tranne le automobili ad alto rendimento della strada.

Il punto di partenza per la produzione della fibra del carbonio è il precursore - polyacrylonitrile in genere termoplastico (VASCHETTA), a causa del relativo alto livello di orientamento molecolare, di punto ad elevato punto di fusione e di alto rendimento. In un processo complicato ed energy-intensive, gli elementi costituenti di questo precursore sono rimossi ad un ad uno, finalmente rendenti una fibra che consiste del carbonio virtualmente puro con una struttura stabile della grafite.

Il prezzo della VASCHETTA è legato al prezzo di olio, che è alto ed è stato instabile negli ultimi anni. Ancora, la produzione della fibra del carbonio rappresenta una tal piccola quantità dell'acrilonitrile prodotto ogni anno e venduto che l'industria ha poca potenza d'una leva in termini di negoziazione dei prezzi più favorevoli con i produttori del termoplastico.

In breve, la produzione della fibra del carbonio è un processo costoso e - nei termini ambientali - sporco in paragone alla produzione dei metalli. Attualmente, l'unica automobile prodotta in serie per caratterizzare l'uso intenso della fibra del carbonio è i3 del BMW citycar.

Fibra redditizia del carbonio

Nella relativa pianta nel lago Moses, Washington, le fibre automobilistiche del carbonio di SGL (ACF) produce le fibre del carbonio per i modelli di BMWi. La società a capitale misto fra elettricità di usi del gruppo di SGL e di BMW generata localmente usando idropotenza per ridurre significativamente i costi energetici e l'effetto del processo di produzione sull'ambiente.

Sfruttando le economie di massa, il costo della produzione della fibra del carbonio più ulteriormente sarà ridotto aumentando l'uscita della pianta. SGL-ACF progetta di triplicare la capienza della relativa pianta del lago Moses da 3kt un l'anno a 9kt un anno entro 2015, ad un costo intorno a €200m ($250m). L'espansione inoltre permetterà che BMW aumenti il soddisfare di plastica a fibra rinforzata del carbonio (CFRP) in relativi altri veicoli; in 2015, l'azienda comincerà utilizzare il materiale nei relativi modelli 7-Series.

Le fibre più poco costose del carbonio potrebbero anche essere prodotte usando i precursori alternativi PER FILTRARE, quale lignina, che attualmente sta studianda dai composti della tabella del polimero team al laboratorio nazionale di Oak Ridge (ORNL). I ricercatori inoltre stanno mettendo a punto un metodo di produzione delle fibre del carbonio dal polietilene (PE), che rende una maggior quantità di carbonio che la VASCHETTA (86% rispetto a 65%) e potrebbero essere originari da spreco riciclato alberino-consumatore.

Basso costo in grande quantità e

dovuto il loro basso costo, resistenza ad alta resistenza, alta resistenza all'urto e buona resistenza chimica, fibre di vetro sono utilizzati estesamente nelle applicazioni automobilistiche in grande quantità. Tuttavia, dimostrano il modulo relativamente basso e possiedono la resistenza a fatica inferiore in paragone ai loro cugini del carbonio.

I due tipi più comuni di fibre di vetro utilizzate nei composti automobilistici sono: E-Vetro, che è poco costoso e fornisce una buona combinazione di resistenza alla trazione e di modulo; e S-Vetro, che è più costoso ma 40% più forte del E-Vetro.

Il fornitore basato negli Stati Uniti AGY dei materiali sta tentando di colmare la lacuna fra queste due formulazioni con il relativo lo S-1 HM vetro. Impiegando una formulazione di vetro riservata ha progettato per elevare la prestazione mentre tenevano conto in grande quantità e la fabbricazione economica, le fibre del HM S-1 fornisce il modulo significativamente più alto e la prestazione aumentata di affaticamento in paragone aE-Vetro tradizionale. Per esempio, le fibre dimostrano un modulo di tensione di 90GPa - 20% superiore a quello di E-Vetro.

Il responsabile di sviluppo di affari del AGY, Tim Collins, dice: “Mentre i composti a fibra rinforzata del carbonio esibiscono l'alta rigidezza e la resistenza, è inoltre allineare che questi “riferimenti dell'alto modulo„ ai composti del carbonio sono spesso appena codice per “fragile„. È nell'effetto, nell'affaticamento, nella resistenza di danno e nella tolleranza di danno che i composti del HM S-1 oscurano costantemente i sistemi competitivi.„

Questi rinforzi possono essere compresi nei polimeri mentre le fibre tagliate per aumentare la resistenza delle parti hanno fatto usando la compressione e iniezione-modellando i processi.

Tessuti non tessuti

Tuttavia, completamente per sfruttare il potenziale di questi rinforzi di migliorare le proprietà meccaniche delle parti di plastica, devono essere comprese come prodotti intessuti o non tessuti. Questi tessuti sono prodotti dai convertitori quale Formax con sede in Gran-Bretagna.

Secondo il direttore dell'azienda di innovazione, Tom James, ci può essere costruzioni differire ma, peso areale lo stesso con dei tessuti nella prestazione meccanica di variazione larga in termini di lunghezza del punto, uno stile del punto ed orientamento della fibra. Un tessuto deve essere provato ed ottimizzato estesamente riguardo a resistenza, a rigidezza ed a facilità dell'infusione per determinare i migliori parametri per una componente data prima del funzionamento di produzione.

Copra e l'orientamento della fibra è particolarmente parametri importanti per la produzione degli oggetti semilavorati della fibra del carbonio utilizzati in resina-trasferisce i processi di modellatura (RTM) impiegati dai simili di BMW per il mass-production delle componenti strutturali del CFRP.

Tutte queste variabili presentano un'emicrania significativa per i progettisti dell'automobile di più usati al funzionamento con i metalli comparativamente diretti. Formax attualmente sta sviluppando il software che permetterà che simuli il comportamento dei tessuti asciutti durante la modellatura, che renderebbe la procedura di selezione del tessuto più diretta.

Il comportamento orthotropic della plastica di rinforzo (significato che hanno proprietà che sono differenti in tre sensi reciprocamente perpendicolari) può anche porre i problemi per i progettisti. James dice: “I composti convenzionali possono essere fabbricati essere quasi-orthotropic [con le fibre negli orientamenti multipli nei sensi di Y e di X] e quindi possono occuparsi dei carichi dell'in-aereo in un simile senso come metalli.

“Tuttavia, le proprietà di attraverso-spessore dei composti convenzionali sono governate generalmente dalle proprietà più basse della tabella, dovuto mancanza di fibre nel senso di Z e quindi questo è considerato come il tallone di Achilles dei composti. Formax attualmente sta lavorando a parecchi progetti di collaborazione per provare a superare questo problema.„

Che cosa fa la tabella?

La tabella che dà a componenti composite la loro figura può essere termoindurente o termoplastica in natura. Thermosets diventa sostanzialmente non fusibile ed insolubile una volta curato attraverso i mezzi del prodotto chimico e/o del thermal. Dopo il trattamento, un thermoset non può essere restituito alla relativa condizione fresca.

Thermosets è relativamente costoso, ma dimostra ad alta resistenza. Come tale, sono ampiamente usati nella produzione dei residui a fibra rinforzata di vetro discontinui del modanatura alla rinfusa e dello strato (SMCs e BMCs). Questi residui possono essere usati per il modanatura in grande quantità di compressione e dell'iniezione di varie parti automobilistiche non-structural.

Ancora, la viscosità bassa di alcuni thermosets quale epossidico li rende altamente adatti ad uso in ad alta pressione resina-trasferisce i processi di modellatura (HP-RTM), in cui una testa di mescolanza inietta la resina in una cavità di muffa chiusa e satura l'oggetto semilavorato asciutto della fibra all'interno nell'ambito di alta pressione. Effettivamente, gli epossidici attualmente sono preferiti per la produzione delle componenti strutturali.

Per produrre il i3 a monoguscio, BMW utilizza il sistema a resina epossidica di Araldite LY 3585/Hardener XB 3458 dei materiali avanzati del Huntsman per la produzione del CFRP a monoguscio nel i3. Il Huntsman sostiene che la viscosità bassa del sistema svolge un ruolo importante nel processo completo, dal dosaggio e dalla mescolanza a destra attraverso ad impregnazione ed accerta la buona fibra bagnata-fuori nella muffa. Il sistema può curare in appena cinque minuti a 100°C.

Contrariamente ai thermosets, per cui la reazione della cura non può essere invertita, la termoplastica si indurisce una volta raffreddato tuttavia mantenga la loro plasticità; rifonderanno e possono essere rimodellati riscaldandoli sopra la loro temperatura d'elaborazione. La termoplastica tende ad essere più poco costosa ed offre la resistenza all'urto aumentata, così come l'indurimento rapidamente alle temperature relativamente insufficienti, significanti che le parti termoplastiche di rinforzo possono essere prodotte velocemente con i brevi tempi di ciclo.

La termoplastica a fibra rinforzata discontinua, quale polipropilene (pp), è comunemente usata iniezione-modella gli elementi portanti a fine frontale, gli elementi portanti quadro portastrumenti, i supporti di pannello del portello, le sezioni comandi ed i pedali. Tuttavia, il di grande viscosità della termoplastica li ha impedetti usando per la produzione di serie delle componenti strutturali, poichè le rende incompatibili con i processi di RTM.

Tempi di ciclo ridotti

Questa situazione ha potuto cambiare velocemente. Teijin ed il relativo socio General Motors stanno lavorando ai materiali ed ai processi che potrebbero permettere alla premere-formazione delle componenti strutturali termoplastiche di rinforzo continuo-fibra nei tempi di ciclo al di sotto di un minuto. Sereebo denominato, la tecnologia è stato protetto dalla segretezza dal relativo annuncio nel marzo 2011.

In sviluppo al centro di applicazione dei composti di Teijin (TCAC) negli S.U.A., la gamma di Sereebo contiene tre materiali intermedi. Il primo, denominato serie di U, è un mediatore unidirezionale che offre l'alta resistenza direzionale. Il secondo, serie di I, è un mediatore isotropo che offre un equilibrio di figura, facilità di modellatura e la resistenza orientabile, dice Teijin. Il terzo, serie di P, è una pallina termoplastica a fibra rinforzata lunga (LFT) fatta dalla fibra ad alta resistenza del carbonio ed è adatto ainiezione-modellatura delle componenti complicate.

Piccolo altrimenti è conosciuto circa Sereebo fuori di TCAC (almeno da coloro che non ha firmato un accordo di non-disclosure) e rimane essere veduto come la tecnologia si evolverà.

Riciclaggio delle sfide

Nella teoria, il fatto che la termoplastica può essere rifusa le rende molto più facili riciclare che i thermosets. Gli indirizzamenti di fine-de-vita di Unione Europea (UE) stipulano che 80% dei materiali utilizzati in una nuova automobile devono essere riciclabili. Ci è un senso relativamente diretto del riciclaggio dei composti: possono essere frantumati giù ed essere utilizzati come riempitore in calcestruzzo. Per la plastica riempita di basso valore, questo metodo è possibile, ma per CFRPs d'alto valore non è una soluzione elegante. Se le fibre del carbonio potessero essere separate dalle loro tabelle del polimero, potrebbero essere utilizzate come alternativa più poco costosa alle fibre vergini del carbonio nelle applicazioni non-structural.

La riutilizzazione delle fibre e dei tessuti residui del carbonio è ragionevolmente affermata, con i tessuti resi dalle fibre riciclate del carbonio disponibili nel commercio. Formax vende un rinforzo, denominato riforma, che fabbrica interamente dallo spreco multiaxial di produzione per varie applicazioni, compreso quelle strutturali, attraverso una gamma delle industrie. Formax dice che il tessuto dimostra il livello copre e permeabilità, proprietà meccaniche quasi-isotrope e la stabilità termica per le applicazioni della lavorazione con utensili.

Separando le fibre dalle tabelle thermoset curate e fresche in modo che loro da riutilizzare è sensibilmente più provocatoria, ma parecchie aziende stanno facendo appena quella.

La funzione del MIT-RCF nella città del lago, Carolina del Sud, usa la pirolisi - in quale scarto del CFRP è riscaldato a 400-500°C in assenza di ossigeno, rendente una fibra pulita del carbonio che effettua 90-95% delle relative proprietà meccaniche originali - per riciclare le parti del CFRP e può procedare 1.36-2.27kt del materiale un l'anno. Come pure producendo le fibre tagliate del carbonio, il MIT usa il materiale ripreso per fabbricare gli oggetti semilavorati complicati per i fornitori della parte via il relativo tridimensionale riservato (3D) costruiti esegue il processo (3-DEP).

Il vice presidente esecutivo dell'azienda, il contrassegno Housley, dice: “Per le parti strutturali modeste, la transenna principale [al riciclaggio] è quella fibra del carbonio, persino fibra riciclata del carbonio, costi più per libbra che l'alluminio, l'acciaio e vetroresina. Nella forma tagliata, il carbonio ripreso è già disponibile in una vasta gamma ragionevolmente dei residui termoplastici, in modo da il disegno della parte ed i sistemi di fabbricazione sono già sul posto. Così è un programma abbastanza diretto.„

Continua: “In parti derivate dal tessuto del carbonio lo formatta è più complesso. CAE/FEA [analisi elemento limitato/di progettazione assistita dal computer] modella per l'utilizzazione del tessuto non tessuto del carbonio, disposizioni non è mentre sviluppato mentre sono per tessuta continua e legano i tessuti con un nastro, in modo da sia progetta che i gruppi di dati di verifica devono essere sviluppati su una base della parte-da-parte.„

Così allora, i materiali compositi propongono un insieme vario delle sfide per i fabbricanti automobilistici ed i loro fornitori; tuttavia, le loro proprietà meccaniche ed occasioni leggere e eccellenti per integrazione della parte rendono loro un'alternativa coercitiva ai metalli in una gamma delle applicazioni strutturali e non-structural.

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