Anyagosztály a jövő számára
A könnyű konstrukció az anyagok és szerkezetek ügyes kombinációja, amelynek célja az energia- és nyersanyagfogyasztás minimalizálása a maximális súlymegtakarítás révén. Különösen a szálerősítésű műanyagok játszanak itt különleges szerepet, mivel könnyűek, merevek és erősek. A sorozatgyártásra alkalmas könnyű alkatrészek gyártási folyamatai már keresettek, hogy széleskörű elfogadottságot nyerhessenek.
Mobil talapzataink az évek során észrevehetően könnyebbé váltak: A hatvanas évekbeli babakocsi lényegesen nehezebb, mint egy modern, összecsukható CFRP-ből és alumíniumból készült modell. 60 évvel ezelőtt a Tour de France versenykerékpárosainak sokkal erősebben kellett pedálozniuk a Pireneusokon, mint a mai sportolóknak, akiknek a versenymotorjai gyakran csak nyolc-kiló kilót nyomnak és teljes egészében szénből készülnek. És egy modern autó - a lényegesen nagyobb kényelem és biztonság ellenére - már nem akkora, mint Berta és Carl Benz közvetlen utódja. De a fém lecserélése könnyebb anyagokra, lehetőleg műanyagra, csak a könnyű konstrukció egyik aspektusa. A struktúra megváltoztatásával kisebb súly is elérhető. Szemléltető példák a méhkasban lévő méhsejtes szerkezet vagy a szitakötő szárnya: Ezek csak a test tömegének körülbelül két százalékát teszik ki, de ellenállnak a folyamatos folyamatos terhelésnek.
A könnyűszerkezetes építkezés innovációs mozgatórugói a széndioxid-kibocsátás csökkentése a közlekedési és autóipari ágazatokban, valamint a nyersanyagok és az energia megtakarítása. A könnyűszerkezetes építés ezért korunk gyermeke, és egyebek mellett a fenntarthatóság felé vezető tendenciából adódik. A könnyű konstrukciós koncepciók három megközelítésre oszthatók. Az anyagi és szerkezeti könnyűszerkezet, a szerkezeti könnyűszerkezet és a rendszer könnyűszerkezete. A könnyű szövetszerkezet a legnagyobb megtakarítási potenciállal rendelkező stratégia. A hagyományos anyagokat könnyebb vagy jobb tulajdonságú anyagokkal helyettesítik. Ez utóbbi lehetővé teszi a súly csökkentését a vékonyabb falakon keresztül - ugyanazzal a teljesítménnyel. Egyes anyagok szerkezetét megváltoztatták a további súlycsökkentés érdekében. Az üreges szerkezetek - például habok - létrehozását a szerkezeti könnyűszerkezet kifejezés alatt foglaljuk össze. A könnyűszerkezetes építés másik stratégiája a könnyű vagy a szerkezeti konstrukció. Ez egy alkatrész szerkezeti optimalizálásáról és az anyageloszlásról szól magában a komponensben.
Míg az első két elv az egyes elemeket vagy összeállításokat veszi figyelembe, a könnyű rendszer megközelítés az egész rendszert veszi figyelembe. Több funkció egyetlen komponensbe történő integrálásával a rendszer teljes súlya csökkenthető, bár az egyes elemek vagy összeállítások súlya a funkciók integrálásával könnyen megnő. Például az akusztikus szigetelés funkciója kombinálható a szerkezeti szilárdsággal (autóipar).
A szövetségi kormány közös elektromobilitási irodájának (GGEMO) berlini Országos Elektromobilitási Platformjának elért haladásáról szóló jelentésben a könnyűszerkezetes építés egyike azon öt tárgykörnek, amelyeknek biztosítaniuk kell Németország technológiai vezető szerepét (lásd az infoDIRECT mezőt). A támogatott könnyűszerkezetes építési projektek volumene 300 millió euró.
A könnyűszerkezetes konstrukció azonban nemcsak a jövő kulcsfontosságú technológiája az autóépítésben. A könnyű anyagok iránti igény 2002 és 2007 között 300 százalékkal nőtt. A fémes könnyű építőanyagok alumínium, magnézium, nagy szilárdságú acélok és titán. Ezenkívül a szálas kompozit anyagokat klasszikus könnyű építőanyagoknak tekintik. A felhasznált szálak: üveg, szén, kerámia (többnyire kerámia mátrixban), aramid, bór, acél, természetes és nejlon szálak.
Kompozit műanyagok piaca
A szálkompozit anyagok egy alcsoportját képezik a szálkompozit műanyagok (FRP). A globális műanyagtermelésnek csak körülbelül három százaléka kerül alkalmazásra FRP-vel - ez nagyon kicsi. Ez azzal magyarázható, hogy ezek speciális műszaki alkatrészek, amelyeket ritkán gyártanak tömeg- vagy nagyüzemi gyártásban. Ami az FRP-t illeti, megkülönböztetünk üvegszállal erősített műanyagot (GRP) és szénszállal erősített műanyagot (CFRP). A természetes szálerősítésű műanyagok növekszik, de még nem jelentősek. A teljes GRP-termelés volumene mérsékelten, alig több mint egymillió tonnára nőtt 2011-ben, és most visszatért a 2008-as szintre - derül ki a frankfurti AVK Industrievereinigung Reinkte Kunststoffe 2011. szeptemberi piaci jelentéséből. A CFK ismét elérte a 2008. évi szintet. Az elemzők feltételezik, hogy 2011-re több mint 35 000 tonna a kereslet. Ez körülbelül 10 százalékos növekedésnek felel meg. Becslések szerint ez az igény 2015-re megduplázódik. A CFRP piac fő részesedése műanyag kompozitokhoz rendelhető. Mátrixként epoxi-, fenol- és poliésztergyantákat, valamint hőre lágyuló műanyagokat használnak.
Ennek az anyagosztálynak a nagy potenciálja az FRP különleges tulajdonságainak köszönhető. Az FRP alkatrészek különösen könnyűek és nagyon merevek. Korrózió- és közegállóak, hőállóak, tartósak és tartósak. Jó csillapító viselkedésűek és méretükben stabilak. Nagyfokú tervezési szabadságot kínálnak, és tulajdonságaik a száladagolások típusa vagy mennyisége alapján testre szabhatók. Hátránya, hogy a komponensek fejlesztésére szolgáló klasszikus eljárás nem alkalmazható. A kutatási fókusz tehát a termék-, eszköz- és folyamatfejlesztés szimulációja.
A sorozatgyártás kihívása
Általában mindkét apró alkatrész - például az orvostechnika területén - sorozatú alkatrészek az autóiparban, valamint a nagy alkatrészek - például a szélturbinák lapátjai - 60 méter hosszúságúak. A legfontosabb alkalmazások megtalálhatók az építőiparban és a szállításban. Jellemzőek a csövek, tartályok, profilok vagy lemezek, valamint a teherautók felépítményei. Az FRP-t a sport- és szabadidős, valamint az elektromos és elektronikai ipar termékeihez is használják: versenymotorok, sícipők, sétabotok gyártásához vagy kapcsolószekrényekhez vagy kapcsolókhoz.
Sok könnyű alkatrészt csak kis számban gyártanak. Ami nem jelent problémát a repülőgépiparban, mivel amúgy is csak néhány alkatrészre van szükség, akadályozza a diadalmas előrelépést a tömegpiacokon vagy a nagy sorozatokban, például az elektronikában és az autóiparban.
A modern repülőgépek jelentős része FRP-ből készül. Négy különböző változatot alkalmaztak az Airbus A 380-ban: GFK, CFK, QFK (kvarcerősített műanyagok) és tükröződés (üveggel megerősített alumínium laminátum). Az A350 részesedése a legmagasabb, 53 százalék. A Boeing 787-es Dreamlinerje hasonló értékeket ér el körülbelül 50 százalékkal. A repülésben az FRP ilyen magas aránya megtérül a drága alkatrészek esetében is: 10 kg-mal kisebb súly 3 liter petróleumot takarít meg repülési óránként.
A járműgyártásban az érintettek sorozatgyártásra alkalmas folyamatokat tesztelnek szálerősítésű műanyagokból vagy ezek kombinációinak alumíniummal vagy acéllal történő gyártásához és feldolgozásához. Az FRP különleges tulajdonságai számos igényt támasztanak a jövő autóival szemben: A nagyobb tervezési szabadság lehetővé teszi a vontatási együttható csökkentését, az autók könnyebbé válnak anélkül, hogy kompromisszumokra lenne szükségük a biztonság terén.
A gyártási folyamat befolyásolja az alkatrész tulajdonságait
A gyártási folyamatra vonatkozó döntést a gazdaságosságra (darabszámra!) És a technológiára vonatkozó követelmények határozzák meg. A folyamatok lehetővé teszik a különféle rosttartalmakat, amelyek felhasználhatók az összetevő szilárdságának vagy rugalmassági modulusának és ezáltal a tulajdonságainak befolyásolására. Megkülönböztetnek manuális, részben automatizált, teljesen automatizált és folyamatos folyamatokat.
A kézi laminálás vagy a szálpermetezés az egyik manuális folyamat. Az alkatrészek egyedi gyártmányúak, kis számban. A rosttartalom többnyire alacsony és általában 20-40 százalék körüli.
A részben automatizált folyamatok közé tartoznak például az injektálási folyamatok - RTM, vákuuminjekció, nyomásinjekció -, valamint rostgyanta fecskendők és alacsony nyomású eljárások. Kis alkatrészeket a szélturbina lapátjaig lehet ilyen módon előállítani. A darabszám általában lényegesen magasabb, de általában még nem éri el a nagyüzemi gyártáshoz szükséges mennyiséget. A rosttartalom a középső tartományban van, 30-50 százalék körül van.
A nagy sorozatokat teljesen automatizált folyamatok felhasználásával állítják elő. Az itteni folyamatok főként a préselési módszereket tartalmazzák - nedves, hideg, meleg préselés és még néhány más. Mivel az alapanyagok helyett félkész termékeket - tömegeket, lemezeket, előformákat - lehet használni, nagy mennyiségeket lehet előállítani. A sorozatgyártás alkalmazásai, például az autóiparban, mindig teljesen automatikus présekkel működnek. A rosttartalom nagyon széles, de a középső tartományban rendezhető.
A pultróziós vagy extrudálási folyamat a folyamatos folyamatok egyike. Mindenféle profil készül ebben. A szálakat nagy erővel húzzuk át egy alakító eszközön. A magas nyomás miatt itt érhető el a legmagasabb - elméletileg 80 százalék feletti - rosttartalom.
A tekercselési, fonási és fonási folyamatok speciális folyamatok. Segítségükkel olyan termékeket gyártanak, amelyek sajátos formájúak vagy terhelhetőséggel rendelkeznek: a centrifugális folyamatban például nagy átmérőjű silók vagy tekercselő nyomástartó edények az autóipar számára és a csövek a vegyipar számára, valamint a fonókeretek a versenymotorok számára. A rosttartalom általában a középső tartományba esik.
Csökkentse a gyártási költségeket
A kutatás elsősorban az alkatrészek gyártásának és további feldolgozásának költséghatékonyabbá tétele. Ez nemcsak magáról a gyártási folyamatról szól, hanem az utólagos feldolgozásról vagy a félkész termékek előkészítéséről is. Az EU "FibreChain" projektje és a BMBF által finanszírozott "InProLight" projekt azt a célt tűzte ki maguk elé, hogy különböző integratív folyamatláncokat fejlesszenek ki a kifinomult speciális megoldásoktól a hőre lágyuló FRP alkatrészek tömeggyártásáig. Az Aacheni Fraunhofer ILT vállalja az alkatrészek összekapcsolásának és vágásának optimalizálásának részleges feladatát. Az alapanyagból kiindulva Andreas Rösner és kollégái kidolgozták a strukturális csatlakozás folyamatát. Eddig könnyű alkatrészeket ragasztással vagy szegecseléssel kötöttek össze. Mindkettő drága és sokáig tart. Ennek elkerülése érdekében Rösner lézerrel köti össze az alkatrészeket. Az energiát közvetlenül a csatlakozó zónába vezetik be, ami jelentősen lerövidíti a folyamat idejét. Lézeres csatlakozással mindkét összetett alkatrész különálló alkatrészekből állítható elő, és szelektív merevítéssel a terheléshez igazodó szerkezetek hozhatók létre.
A folyamatlánc sok pontján a félkész termékeket is le kell vágni, le kell vágni vagy lyukakat kell kivágni. Az anyag élkárosodását a lehető legkisebbre kell csökkenteni. Frank Schneider és munkatársai, szintén a Fraunhofer ILT munkatársai, új vágási folyamatokat dolgoznak ki, többek között rövid impulzusú CO2 lézerrel. Az anyag hőkárosodása az alacsony hőbevitel miatt jelentősen csökkenthető. Szinte hőkárosodás nélkül működik, ha nagy teljesítményű ultrarövid impulzusú lézereket használ. Az 500 W teljesítményig ezek a lézerek gazdaságos folyamatlépések megvalósítására használhatók még a rendkívül érzékeny anyagkombinációk esetében is a repülőgépiparban.
Az alkalmazott lézeres hegesztési és vágási folyamatoknak jelentősen meg kell könnyíteniük az FRP alkatrészek gyártását, automatizálhatóságukat, és mindenekelőtt gyors és költséghatékony munkát. És pontosan ez a legfontosabb annak érdekében, hogy a könnyű alkatrészek széles körben elnyerjék az autóipari, az elektronikai és a szabadidős szektorban is.
Technológiai ismeretek
Mi a… ? - Rövidítések és szakkifejezések a könnyű konstrukcióban