Современные материалы в автомобилестроении: Новые материалы в автомобилестроении

Содержание

Новые материалы в автомобилестроении

Новые материалы в автомобилестроении

Государева Надежда Семеновна

Длительный период в своём развитии человеческое общество использовало для своих нужд ограниченный круг материалов: дерево, камень, волокна растительного и животного происхождения, обожжённую глину, стекло, бронзу, железо. Промышленный переворот 18 в. особенно создание паровых машин и появление в конце 19 в. двигателей внутреннего сгорания, электрических машин и автомобилей, усложнили и дифференцировали требования к материалам  их деталей, которые стали работать при сложных знакопеременных нагрузках, повышенных температурах и др.

 Основой конструкционных материалов стали металлические сплавы на основе железа,  меди, олова, свинца. Дальнейшее развитие техники, когда главным требованием, предъявляемым конструкционным материалам, стала высокая удельная прочность, предъявило новые требования.

Широкое распространение получили малолегированные стали, алюминиевые, титановые и  магниевые сплавы, жаропрочные сплавы на никелевой и кобальтовой основах.

В настоящее время в автомобилестроении основным направлением развития является создание легких, безопасных, комфортабельных и экологически чистых в эксплуатации моделей. Так в США средняя масса легкового автомобиля в 1975 году составила 1800 кг, в 1990 г – 1350 кг. Специальной программой PNGV намечено довести эту величину до 750 кг, создав модели с расходом топлива 3,5 литра на 100 км. Аналогичные программы разрабатываются и в Европе.

Для достижения этих целей должны широко использоваться легкие металлы (Al, Mg, Be) и их сплавы, металлические и неметаллические композиты, металлопены, керамика, интерметаллиды.

Широкое применение в автомобилестроении получили новые композиционные материалы на основе углеродных волокон.

Материалы из углеволокнаобладают рядом уникальных характеристик и свойств и имеют наилучшее соотношение «цены и качества». Наиболее важное достоинство углеволокна — необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия.

Углепластик (карбон) имеет невероятные свойства. По прочности он превосходит сталь в 12,5 раз.

В настоящие время материалы из углеволокна используются при создании практически любого узла автомобиля. Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементов внутренней отделки салона автомобиля: торпеда, декоративные панели салона; элементов защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля.

Наряду с углепластиком в автомобилестроении используется такой композитный материал как стеклопластик. Его широко применяют в производстве внешних панелей кузовов (передних и задних) автобусов, троллейбусов, элементов внутреннего интерьера, элементов аэродинамических обводов, подкрылок, бамперов автомобилей, багажников на крышу, приборных панелей.

Популярность применения стеклопластиков обусловлена его более высокими физико-механическими свойствами по сравнению с другими типами термопластов и пластмасс. Это и более высокая прочность и стойкость к образованию царапин; постоянность структуры материала при низких и высоких температурах; относительно небольшой вес стеклопластиковых изделий; стойкость к вибрационным нагрузкам и ударам.

Керамические композиты (керамокомпозиты)–имеют керамическую матрицу и содержат металлическую или неметаллическую волокнистую арматуру.
Достоинства керамических композитов определяются, в первую очередь, свойствами матрицы. Керамические матрицы обеспечивают наиболее высокий уровень рабочих температур композиционных материалов. Керамика является химически и термически стойким материалом, имеет высокий уровень прочностных свойств на сжатие.
Недостатком абсолютного большинства керамических материалов является очень низкий уровень трещиностойкости. Попытки приблизить керамику к металлическим материалам привели к разработке керметов,

т. е. материалов, имеющих комбинированную матрицу, полученную из порошков (более 50 % — керамика, а остальное — металл). Более эффективным является введение в керамическую матрицу металла в форме не порошка, а волокон. Наиболее часто для упрочнения керамики используются волок­на вольфрама, молибдена, ниобия, стали. Металлические волокна более пластичны по сравнению с керамикой. Они воспринимают значительную часть нагрузки, сдерживают развитие трещин в композите, выполняют функцию структурных элементов, повышающих трещиностойкость и термостойкость материалов.

Основным фактором, ограничивающим применение металлических волокон в керамических композитах, является их повышенная склонность к окислению при высоких температурах эксплуатации.
Поэтому в керамических композиционных материалов в качестве армирующих элементов часто используют керамические волокна. Достоинства волокон этого типа заключаются в следующем: малое различие модулей упругости и коэффициентов термического расширения материалов волокон и матрицы; химическое сродство компонентов композитов; жаростойкость керамических волокон. Эффективными армирующими элементами керамического типа в композиционных материалах являются волокна карбида кремния, углеродные волокна. Матрицами в углекерамических материалах могут служить боросиликатные, алюмосиликатные, литиевосиликатные стекла.

Армированные композиты с керамической матрицей применяются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, а также составляющих броневых элементов. Композиты, наполненные микро- и наночастицами специальных добавок, используются в режущих кромках инструментов, в качестве износостойких материалов, а также материалов пломб в стоматологии.

Интерметаллиды – новый класс материалов (химические соединения металлов), которые по своей структуре занимают промежуточное положение между металлами и керамикой. Они имеют сложную кристаллическую структуру с наличием в межатомных связях до 30% ковалентной связи, что и определяет их физико-механические свойства: высокую  жаропрочность, низкую плотность и возгораемость в кислороде, высокую  износостойкость.

Интерметаллидные сплавы называют материалами следующего поколения, так как этим сплавам присущ   эффект запоминания формы. Этот эффект  проявляется в том, что после придания образцу определенной формы при повышенной температуре ему придают новую форму пластической деформацией при более низкой температуре, а после нагрева исходная форма образца (детали) восстанавливается.

К настоящему времени известно более  100 сплавов с эффектом памяти формы. Однако из этого общего числа только интерметаллид  NiTi и сплавы с легирующими элементами на его основе нашли наибольшее практическое применение.

  Интерметаллид NiTi хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии.  Из него можно получать всевозможные полуфабрикаты: листы, ленту и фольгу различных толщин, прутки, проволоку разных сечений, трубы. Эти полуфабрикаты можно получать с различными температурами восстановления формы: от -100; -180 С до +60, +120 С. Кроме этого, никелид титана обладает высокой демпфирующей способностью, хорошей износо- и коррозионной стойкостью.

Основное применение интерметаллиды  NiTi  и сплавов на его основе связано с приборо- и машиностроением, медициной, а  интерметаллидных сплавов на основе соединений Ti3Al, TiAl и NiAl во вновь создаваемых образцах новой техники, в том числе ракетно-космической, авиационной, автомобильной и др.

Новые материалы Lanxess для автомобилестроения!

Материалы Lanxess для автомобилестроения стали легче и экологичнее – компания презентовала новинки в рамках выставки K 2016. Информирует польское отраслевое издание Plastech.

pl.

В рамках выставки компания представила ряд легковесных и экологически чистых материалов и конструкций, предназначенных для автомобилестроения. Применение подобных материалов в данном направлении становится все более и более востребованным, так как это позволяет эффективно уменьшать массу автомобилей, что в свою очередь сказывается на их топливной эффективности. Как оказалось, конструкционные пластики отлично зарекомендовали себя в качестве материала для замены металлов при производстве автомобильных деталей, предлагая автопроизводителям отличные эстетические и эргономические свойства при сохранении высокой механической прочности.

Примером использования материалов компании Lanxess стала деталь, используемая в конструкции таких автомобилей, как Porsche Panamera NF и Bentley Continental GT – педаль тормоза, изготовленная из композиционного материала Tepex. Отмечается, что это первый случай использования композитов в изготовлении данного вида автомобильных деталей, отвечающих за безопасность водителя и пассажиров. Данный автомобильный компонент победил в конкурсе, организованном американской ассоциацией Society of Plastics Engineers (SPE).

Следует отметить, что Tepex идеально подходит для изготовления элементов отделки моторного отсека, крышек топливных баков, торпеды и ряда прочих автокомпонентов. Так, например, в апреле нынешнего года мы сообщали о применении материалов Lanxess в производстве автомобилей Honda.

Еще одним интересным примером использования материалов Lanxess для автомобилестроения является создание масляного поддона в Porsche 911 Carrera. В том случае был задействован материал Durethan BKV 30 h3.0 (PA 6). Было подчеркнуто, что данный материал позволил создать упомянутую деталь в полном соответствии с современными требованиями по весу, безопасности и экономичности производства.

В заключении напомним, что материалы Lanxess применяются не только для нужд автомобилестроения – так, в минувшем году упомянутый Tepex был использован при создании легковесной и прочной гондолы параплана Range X-Alps от компании Skywalk.


Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter

Применение композиционных материалов в автомобилестроении

Применение композиционных материалов в автомобилестроении.

Иринчеева Е.В.,

ОГОБУ СПО ИТТриС г. Иркутск

Развитие автомобильной промышленности, повышение требований к качеству и безопасности используемых материалов требует создания и применения новых композиционных материалов. В настоящее время композиционные материалы используются при создании практически любого узла автомобиля. Есть даже концепт-кары, корпус которых целиком состоит из композиционных материалов. На основе композитов разработано большое количество конструкций, которые широко применяются как в тяжелой, так и в легкой промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам композиты обеспечивают изделию и конструкции высокую прочность, износостойкость, жесткость и в то же время легкость и малый вес. В настоящее время в каждом современном доме найдутся предметы мебели, сделанные из композиционного материала – древесно-стружечных плит (ДСП), в которых матрица из синтетических смол наполнена древесными стружками и опилками. А наиболее известным на сегодняшний день композитом является железобетон. Сочетание бетона и железных прутьев дает материал, из которого сооружают конструкции (пролеты мостов, балки и т.п.), которые выдерживают большие нагрузки, вызывающие растрескивание обычного бетона. Интересно, что первыми применять железо в качестве арматуры стали древние греки, причем армировали они мрамор. Когда архитектору Мнесиклу в 437 до н.э. понадобилось перекрыть пролеты длиной в 4–6 м, он замуровал в специальных канавках в мраморных плитах двухметровые железные стержни, чтобы перекрытия справились с напряжениями. Компонентами композитов также являются самые разнообразные материалы – металлы, керамика, стекла, пластмассы, углерод и т.п. Известны многокомпонентные композиционные материалы – полиматричные, когда в одном материале сочетают несколько матриц, или гибридные, включающие в себя разные наполнители.

Что такое композиционные материалы?

Композицио́нный материа́л (КМ), компози́т — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с чёткой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу (или связующее) и включённые в неё армирующие элементы (или наполнители).

Композиционные материалы и изделия на основе непрерывных волокон и армирующих тканей широко используются для производства внешних деталей автомобиля. Чаще всего из них делают бамперы, обтекатели, спойлеры; элементы внутренней отделки салона автомобиля: декоративные панели салона; элементы защиты корпуса автомобиля, днища автомобиля.

Отдельно надо сказать о материалах из углеродного волокна. Углепластики – наполнителем в этих полимерных композитах служат углеродные волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т.д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление – 220° С, карбонизация – 1000–1500° С и графитизация – 1800–3000° С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5% по массе) углерода. В зависимости от режима обработки и исходного сырья полученное углеволокно имеет различную структуру. Такие материалы используются в автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем их применения значительно растет. Наиболее важное достоинство углеволокна — необычайно легкий вес и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали и в 1,8 раза легче алюминия. Экономия горючего достигается путем снижения массы автомобиля, а также благодаря повышению эффективности работы двигателя.

Для повышения экономичности автомобиля на 0,0042 км/л необходимо снизить его массу приблизительно на 7 кг. Это означает, что для достижения контрольных цифр по расходу горючего только путем снижения массы автомобиля требовалось уменьшить ее за 7 лет приблизительно на 660 кг. Предполагается посредством замены деталей из стали и чугуна на детали из углепластиков и других конструкционных полимерных материалов снизить массу автомобилей за 10 лет приблизительно на 320 кг. Такое снижение массы автомобилей соответствует приблизительно лишь 50% ее величины, необходимой для достижения контрольных цифр по расходу горючего. Поэтому наряду с использованием новых перспективных материалов следует уменьшать размеры автомобилей, увеличивать эффективность использования энергии и осуществлять другие меры по снижению расхода горючего.

В 1977 году фирма «Форд» сообщила о плане разработки облегченного экспериментального автомобиля в котором будут использованы в основном углепластики и гибридные армированные пластмассы на основе углеродных и стеклянных волокон. Первый экземпляр такого автомобиля был создан в1979 году. В опытной модели «Форд LTD» 1979г. из углепластиков и других композитов на основе углеродных и стеклянных волокон были изготовлены кузов, шасси, двери, бампера. В результате использования конструкционных полимерных материалов масса автомобиля снизилась с 1698 до 1137 кг, т.е. примерно наь33%, а экономичность повысилась с 7,2 до 9,7 км/л, т. е. примерно на 35%.

Начало применению углеродных волокон в нашей стране было положено Министерством среднего машиностроения СССР в 70-х годах прошлого века, но в настоящее время это производство, по сравнению с мировым, выглядит скромно — мощность существующих заводов Росатома составляет только 500 тонн углеродного волокна в год. Новое предприятие сможет производить продукции, сопоставимой по качеству с зарубежными аналогами, в 3 раза больше. Россия намерена в ближайшие годы завоевать ведущие позиции на мировом рынке композиционных материалов. В первом квартале 2013-го будет пущен в эксплуатацию завод по переработке углеродного волокна «Алабуга-Волокно», который является совместным проектом ХК «Композит» и госкорпорации «Росатом».

Композиционные материалы — самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малый вес — эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы — дерево, металлы, камень. Композиционные материалы интенсивно входят в привычный мир каждого человека, ведь из них создаются многие предметы интерьера, детали бытовых приборов, спортивная экипировка и инвентарь, детали ЭВМ. Также применяются композиционные материалы в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики. Автомобилестроение, наука и техника, современные космические технологии и авиастроение — далеко не полный список применения композиционных материалов. Благодаря своим улучшенным физическим свойствам, технологичности изготовления, а также универсальности в применении, композиты уже нашли свою нишу в производстве многих товаров народного потребления. Этот список постоянно расширяется, что определяет постоянное развитие и поиск новых решений в применении композиционных материалов.

Литература:

  1. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) Текст: учебное пособие, серия начальное профессиональное образование / А.М.Адаскин, В.М.Зуев. – М.: Издательский центр Академия,2008. – 288 с

  2. Богодухов, С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах Текст: учебное пособие/ С.И.Богодухов, А.В.Синюхин, В.Ф.Гребенюк. – М.: Издательство Машиностроение, 2006 г.- 256 с.

  3. Заплатин, В.Н. Основы материаловедения (металлообработка) Текст: учебное пособие для НПО / В.Н. Заплатин, Ю.И. Сапожников, А.В. Дубов — Издательство: Академия, 2010 г., 256 с.

  4. Рогов, В.А. Современные машиностроительные материалы и заготовки Текст: Учебное пособие / В.А. Рогов, Г.Г. Позняк – ОИЦ «Академия», 2008. – 336 с.

  5. Стуканов, В.А. Автомобильные эксплуатационные материалы Текст: Учебное пособие. Лабораторный практикум / В.А. Стуканов — М.: ИД «ФОРУМ» ИНФРА-М, 2006.- 208 с.

Страница не найдена — Fagor Arrasate

__utma2 годаЭтот файл cookie устанавливается Google Analytics и используется для различения пользователей и сессий. Файл cookie создается при выполнении библиотеки JavaScript и отсутствии существующих файлов cookie __utma. Cookie обновляется каждый раз, когда данные отправляются в Google Analytics.
__utmb30 минутЭтот файл cookie устанавливается компанией Google Analytics. Cookie используется для определения новых сеансов/посещений. Файл cookie создается при выполнении библиотеки JavaScript и отсутствии существующих файлов cookie __utma. Cookie обновляется каждый раз, когда данные отправляются в Google Analytics.
__utmcЭтот файл cookie устанавливается Google Analytics и удаляется, когда пользователь закрывает браузер. Этот файл cookie не используется ga.js. Cookie используется для обеспечения совместимости с urchin.js, который является более старой версией Google Analytics и используется вместе с cookie __utmb для определения новых сессий/посещений.
__utmt10 минутЭтот файл cookie устанавливается Google Analytics и используется для дросселирования частоты запросов.
__utmz6 месяцевЭтот файл cookie устанавливается Google analytics и используется для хранения информации об источнике трафика или кампании, через которую посетитель попал на ваш сайт.
_ga2 годаФайл cookie _ga, установленный Google Analytics, подсчитывает данные о посетителях, сеансах и кампаниях, а также отслеживает использование сайта для составления аналитического отчета. Cookie хранит информацию анонимно и присваивает случайно сгенерированный номер для распознавания уникальных посетителей.
_ga_CM7H849ZF22 годаЭтот файл cookie установлен Google Analytics.
_gat_UA-16634808-11 минутаРазновидность куки _gat, устанавливаемая Google Analytics и Google Tag Manager для того, чтобы владельцы сайтов могли отслеживать поведение посетителей и определять эффективность работы сайта. Элемент шаблона в имени содержит уникальный идентификационный номер аккаунта или веб-сайта, к которому он относится.
_gcl_au3 месяцаПредоставляется Google Tag Manager для проведения экспериментов по эффективности рекламы на сайтах, использующих их сервисы.
_gid1 деньУстановленный Google Analytics, файл cookie _gid хранит информацию о том, как посетители используют сайт, а также создает аналитический отчет о работе сайта. Некоторые из собираемых данных включают количество посетителей, их источник и страницы, которые они анонимно посещают.
_lfa2 годаЭтот файл cookie устанавливается провайдером Leadfeeder. Этот файл cookie используется для определения IP-адреса устройств, посещающих веб-сайт. Cookie собирает такую информацию, как IP-адреса, время, проведенное на сайте, и запросы страниц для посещений. Эта собранная информация используется для ретаргетинга нескольких пользователей, маршрутизирующихся с одного IP-адреса.
_lfa_test_cookie_stored1 секундаLeadfeeder: хранится только до тех пор, пока мы не узнаем, можно ли сохранять файлы cookie
AnalyticsSyncHistory1 месяцОн используется LinkedIn для хранения информации о времени синхронизации файла cookie lms_analytics для пользователей, проживающих в указанных странах.

обзор передового опыта с выставки JEC World 2019

Часто в серийных решениях комбинируют детали

из термопластичных и термореактивных полимеров

с металлическими наружными панелями.

Вторичная переработка

Использование ПКМ в массовом автомобильном

производстве остро ставит вопрос вторичной перера-

ботки изделий. Композиты должны утилизироваться

и перерабатываться специальным образом, чтобы

не наносить вред окружающей среде.

Одним из самых популярных методов переработки

является пиролиз. В ходе этого процесса полимерная

матрица разрушается, а синтетические волокна могут

быть переработаны вторично, как правило, в ходе

производства SMC-препрегов.

Еще один тренд в массовом применении ПКМ — это

использование натуральных волокон.

При вторичной переработке армированных такими

материалами биокомпозитов существенно снижается

количество оставшихся вредных веществ.

Аддитивные технологии и ПКМ

Все шире применяются аддитивные технологии

в создании прототипов и мелкосерийных изделий.

Производители композитных материалов активно

включились в новое направление и предлагают

актуальные решения, например, из наполненных

углеволокном термопластов.

Современные материалы влекут за собой как новые

применения в высокопрочных конструкциях, так и

новые способы переработки.

Компания производитель ЧПУ-станков CMS SPA

совместно с Fraunhofer IWU готовит к выпуску систему

формования армированного термопласта с последу-

ющей его фрезеровкой — CMS Kreator. Оборудование

будет обеспечивать возможность создания как круп-

ногабаритных упрочненных полимерных изделий,

так и формообразующей оснастки. Разработчики

заявляют о производительности на уровне 20 кг/час.

При таком техпроцессе нет необходимости использо-

вать заготовки и болваны, склеенные из модельных

плит. Создание детали и её фрезерование проводят

непосредственно в рабочей зоне станка.

Система строится на базе ЧПУ и оснащается экстру-

дером, как в небольших ТПА (термопластавтоматах),

модельный материал — гранулы термопласта.

Аналогичный модуль предлагает компания CEAD.

Производительность данного решения порядка 10

кг/час. Устройство не привязано к производителю

станка, и может быть дополнительно оснащено су-

шилкой материала.

Вывод

Можно заметить, что многие передовые решения

и материалы в прямом смысле спускаются с небес на

землю, то есть новаторская технология первой нахо-

дит применение в авиации и космосе, и лишь потом

осваивается автомобилестроением, транспортным

Детали кузова автомобиля из переработанного углеволокна

Деталь сложной формы, технология SLS, материал HexPekk

от Hexcel (полиэфирэфиркетон + углеродное волокно)

Корпусные детали мотоцикла Yamaha

из биокомпозитов на основе натуральных волокон

Функциональные детали из материала Xstrand

(GF30-PP, полипропилен+стекловолокно)

от Owner Corning, технология FDM

67

Композитный мир | #2 (83) 2019

Применение

3.

5.4. Трудовая функция / КонсультантПлюс

Трудовые действия

Анализ новейших достижений в области автомобилестроения

Формирование среды для поддержания творческой инициативы персонала в области развития процессов сборки агрегатов и автомобиля

Организация работы по управлению инновационной деятельностью

Необходимые умения

Принимать участие в проведении политики модернизации производства

Осуществлять коллегиальное обсуждение и принимать решение о создании изделия с новыми характеристиками

Обеспечивать разработку технологической документации для эксплуатации нового оборудования

Анализировать и внедрять российский и зарубежный опыт в области автомобилестроения

Обеспечивать выполнение технологических процессов с учетом новых потребительских свойств продукта

Принимать решения по модернизации оборудования и технологических процессов на основе результатов мониторинга

Анализировать результативность модернизации оборудования и технологических процессов

Формировать квалификационные требования для подбора специалистов, осуществляющих инновационную деятельность

Формировать творческие группы для ведения инновационных проектов

Формировать информационную среду в области новейших достижений в автомобилестроении

Формировать систему координации инновационных проектов

Формировать систему мотивации, стимулирующую инновационную деятельность персонала

Анализировать рынок перспективных технологий

Подготавливать презентации

Владеть техническим иностранным языком (английским, немецким, французским по выбору организации)

Необходимые знания

Международные стандарты качества

Политика организации в области качества

Цели организации в области качества

Основы менеджмента

Основы управления проектами

Основы целеполагания

Основы маркетинга

Стратегический план социально-экономического развития организации

Принципы производственных систем

Потребительские требования к продукции современного автомобилестроения

Современные материалы, применяемые в автомобилестроении

Порядок разработки НИОКР

Российский и зарубежный опыт в области автомобилестроения

Технический иностранный язык (английский, немецкий, французский по выбору организации)

Основы межличностных отношений

Другие характеристики

Пластмассы в автомобилестроении – развитие технологий

Как ни трудно в это поверить, но пластмассы и автомобили – изобретения одной эпохи, 19 века. Сегодня они все чаще используются в конструкции современных автомобилей. В контексте их часто называют материалами будущего благодаря их легкому весу, прочности и простоте формования. Однако, современные пластмассы предлагают гораздо больше преимуществ.

Пластмассы были связаны с автомобильной промышленностью с самого начала. Самый ранний термопластичный материал, целлулоид, был изобретен в 1855 году, и только тридцать лет спустя было построено первое транспортное средство, которое можно считать автомобилем, — Carl Benz Patentwagen 1. 

Первая попытка построить автомобиль полностью из пластика была предпринята Генри Фордом в 1941 году из-за рационирования стали во время войны. Однако массовое использование пластика началось с производства модели Ford T в 1951 году. Сегодня считается, что среднестатистический автомобиль содержит от 40 до 100 кг различных пластмассовых деталей, которые составляют лишь 10% его веса. Благодаря динамичному развитию в технологиях переработки пластмасс, спектр применения в современном автомобилестроении продолжает расширяться, а у дизайнеров и конструкторов появляется все больше возможностей благодаря отличному качеству и оптимальным параметрам пластмассовых деталей.

Легкие пластмассовые автомобильные детали 

Передний бампер автомобиля, изготовленный из EPP.

Постепенная замена металлических компонентов на пластмассовые автомобильные детали всегда была обусловлена необходимостью снижения веса автомобиля и улучшения его эксплуатационных характеристик. Пластмассы имеют меньшую плотность, чем сталь, и при этом обладают не уступающими значениями механической прочности и долговечности. Изначально автомобильные пластмассы использовались в основном для внутренней отделки. Сегодня они также используются для изготовления наружных деталей автомобиля, традиционно изготавливаемых из листового металла и стали, таких как двери, крылья, капоты и даже бамперы. Неудивительно – по оценкам ACC, американские автомобили проезжают на литр бензина примерно на 1,5 километра больше, чем без пластика. Больший запас хода при меньших энергозатратах – ключевое преимущество, в частности, для сегмента электромобилей. 

Сегодня в автомобилях используются более новые виды пластмасс. Например, традиционные панели сидений и подголовников из пенополиуретана заменяются гораздо более легким и прочным вспененным полипропиленом (EPP), который также является возобновляемым материалом и поэтому лучше подходит для современных автомобильных тенденций.

Новые виды пластмасс в автомобилях 

Одной из причин, по которой пластиковые детали становятся все более важными в конструкции современных автомобилей, является быстрое развитие технологий переработки. Пластмассы, используемые в автомобилях, имеют потенциал для развития новых свойств, чтобы соответствовать быстро меняющимся потребностям автомобильной промышленности. Одной из важных тем является безопасность, которая в настоящее время обсуждается в основном в разрезе активных систем. Однако за развитием более сложной электроники в автомобиле должна следовать его обновленная конструкция с использованием новых материалов, которые лучше защищают не только пассажиров, но и чувствительные компоненты интеллектуальных систем.  

Вспененный полипропилен не только хорошо поглощает толчки и удары, но и изолирует кабели и электронные компоненты. Благодаря специальным добавкам он может противостоять возгоранию и температурам до 140°C, что подтверждено испытаниями UL 94. Более того, он уже успешно используется, например, в производстве батарей для электромобилей благодаря своей устойчивости к проколам, а также возможности придания ему антистатических свойств. Специализированные детали из этого пластика могут также обладать повышенной устойчивостью к ударам или механической усталости (разрушению и потере свойств с течением времени). Именно поэтому они так хорошо подходят, например, для изоляции колесных арок.

Возобновляемые пластики в автомобилях – современная тенденция 

Раньше интерьеры автомобилей премиум-класса отличались эксклюзивным дополнением из натуральной кожи, блестящего металла или дерева. Сегодня экология стала эталоном роскоши. По этой причине в автомобилях высокого класса не могут не присутствовать элементы из материалов, которые полностью возобновляемы, не истощают природные ресурсы и производятся с использованием экологических процессов. Их использование больше не является исключением, а стало правилом. В Европе производители даже обязаны использовать такие материалы в соответствии с директивами ЕС, которые постоянно повышают требования, связанные с пригодностью автомобилей к утилизации. Вспененный полипропилен EPP производства Knauf Industries полностью соответствует этим требованиям и предоставляет дизайнерам широкие возможности для индивидуального оформления интерьеров автомобилей высокого класса. 

Этот современный пластик на 100% пригоден для вторичной переработки и может быть повторно использован в последующих производственных процессах. Сам процесс компрессионного формования не приводит к образованию вредных выбросов в атмосферу, а технологическая вода, необходимая для получения пара, циркулирует в замкнутом цикле. Более того, благодаря современным технологиям 3D-визуализации, цветным гранулам и тактильным текстурам, пластиковые детали автомобиля могут иметь полностью индивидуальную эстетику. Все это делает данный материал частью будущего автомобильной промышленности. 

Хотите получить более специализированные знания?

(PDF) Современные материалы для автомобилестроения

Кузов нового электромобиля BMW i3

в значительной степени выполнен из углеродного волокна, что позволило увеличить вес аккумулятора

на 250–350 кг. На самом деле корпус

выполнен из синтетического материала, армированного углеволокном

. В терминологии BMW новый материал

называется пластик, армированный углеродным волокном (CFRP). Это

очень прочный и легкий, но дорогой композитный материал

с пластиком, армированным стекловолокном.Некоторые композиты

содержат как углеродные волокна, так и другие волокна, такие как кевлар,

алюминий и армирование стекловолокном. Реже используются материалы

, такие как графит, армированный стекловолокном

, или милилиграфитовые волокна, армированные пластиком (стекловолокном).

Кузов автомобиля из этого материала на 50 % легче стали

и на 30 % легче алюминия. Элементы конструкции из нового материала

легко комбинируются с кузовными панелями из алюминия

или металлизируются [34].

На данный момент карбон используется для легких спортивных моделей

и для очень дорогих автомобилей. Процесс изготовления кузова автомобиля и других моделей из углепластика или

с содержанием углепластика занимает много времени, а

поэтому этот способ дорог. Однако изучение

этого материала позволяет усовершенствовать технологию изготовления

деталей из него в сторону сокращения

времени изготовления.Это позволит организовать серийный выпуск

и соответственно снизить цену.

Компания ZF Friedrichshafen AG разработала заднюю подвеску

для автомобилей малого класса, где упругий элемент

представляет собой поперечные однолистовые рессоры, изготовленные из синтетического материала

, а не армированного углеродным волокном. Листовая рессора

называется поперечной композитной листовой рессорой, а также

выполняет функцию направляющей подвески.Такая подвеска

может применяться и для электромобилей. Как известно, широкое распространение имеет подвеска McPherson

, состоящая из единого блока, включающего в себя пружину

, пружины и амортизатор, и довольно мощное крепление

и фиксирующие элементы.

Материалы полимерные, изготавливаемые преимущественно в виде литых

изделий, пленок и технического текстиля, высоко ценятся в

областях современного хозяйства во многом благодаря своей теплостойкости

термостойкости, термостойкости, механической прочности, ди-

— механическая стабильность, стойкость к химическим реагентам,

— огне- и влагостойкость, малая удельная плотность и

— другие потребительские свойства.

Наряду с этим важнейшим направлением являются конструктивные детали, где будут использоваться длинноволокнистые

армированные материалы, такие как

Vertron от GE Plastics Deutschland, обладающие отличными

ударными свойствами и термостойкостью. Аналогичными характеристиками обладает длинноволокнистый термопластик

Celstran

, который нашел применение во внешнем интерфейсе

и в дверном модуле автомобиля Jaguar.

Сегодня в связи с удобством использования оборудования полимеры

требуется использовать даже там, где они

дороже. Например, производство

светильников из поликарбоната дороже минерального стекла в 2,5 раза;

тем не менее, он покидает этот автомобильный сектор. Новые виды

покрытий и технологии формования сложных трехмерных деталей из поликарбоната

позволяют получать не только легкие, но и чрезвычайно прочные изделия

.Экономичное двухкомпонентное литье под давлением

позволяет использовать полимеры в экстерьере автомобиля.

Таким образом, потребителю в скором времени будут доступны облегченные

весовые панорамные крыши, крышки багажника

со встроенными замками и ручками и т.д. необходимо заменить

. Этот полимер, используемый в центральном редукторе

переключателя

, заменяет обычный алюминий.Такой материал

стабилен по размеру и износу, выдерживая высокие давления

и температуры с максимальными значениями значительно выше 200 °C.

Возможны длительные нагрузки при температуре до 160 °C

. По сравнению с алюминиевыми конструкционными элементами

, которые требуют восьми технологических операций, полифетамидный компонент

можно изготовить за две операции.

Автоэксперты прогнозируют, что к 2040 году половина всех новых автомобилей

, сошедших с конвейера, будут гибридными.Однако в гибридном автомобиле есть одна проблема: аккумулятор

энергия которого расходуется на работу электродвигателя очень

громоздка и сложна, даже при нынешнем развитии литий-

аккумуляторов . В Европе группа из

девяти автопроизводителей в настоящее время тестирует кузовные панели, которые

могут накапливать энергию и заряжаться быстрее, чем обычные аккумуляторы. Изготовлены из полимерного углеродного волокна

и смолы; батареи прочные, но гибкие.Благодаря разработке

масса автомобиля может снизиться на 15 % [35].

К новинкам можно добавить следующие [35]:

1. Безвоздушные шины. Специфическая конструкция шин, изготовленных из термопластичной смолы

, позволяет выдерживать вес

автомобиля благодаря изогнутым спицам.

2. Умное освещение. Исследователи из Университета Карнеги-Меллона

разработали систему фар, которая сочетает в себе камеру, проектор, сплит-призму и процессор,

, что неожиданно уменьшает количество капель в поле зрения водителя; камера обнаруживает капли, процессор

определяет их будущее местонахождение, проектор в свою очередь «обходит» частицы, освещая только то, что

находится за ними; при этом весь процесс занимает около

13 мкс.

3. Гидрофобные окна. Свойства водоотталкивания реализованы в модели KIA CADENZA 2014 года. быстрый и безопасный автомобиль. За счет

инновационного развития автомобильной промышленности возможна реализация

конкурентоспособной продукции как на национальном, так и на международном рынках

, что обеспечит

вхождение страны в международное экономическое сообщество

.Это приводит к тому, что при производстве автомобилей

используются все более новые материалы, отвечающие современным требованиям

.

Будущие процессы производства автомобилей и материалы

Чтобы повысить безопасность автомобиля, его стоимость, экономию топлива и уровень шума, необходимо создать новые и инновационные материалы. В то время как автомобили прошлого полностью изготавливались из стали, теперь производители перешли на алюминий, магний и композитные материалы, которые обеспечивают улучшенные характеристики.Чтобы приспособиться к этим новым материалам, также внедряются новые технологии производства.

Эта статья является второй в серии из трех частей, посвященных автомобильным тенденциям:

Как указано в отчете о дорожных картах технологий Центра автомобильных исследований (CAR), это одни из самых важных тенденций в автомобильном производстве, за которыми следует следить в ближайшие годы. Новые автомобильные материалы, инновационное производство деталей и автоматизированные процессы сборки быстро переопределяют то, как работает отрасль поставщиков автомобилей.

Однако в автомобильной промышленности существует некоторая неопределенность, которая может повлиять на то, как быстро эти передовые автомобильные технологии станут рыночным стандартом. Новые материалы должны быть безопасными, экономически эффективными и коммерциализированными, если они, вероятно, будут использоваться для большего количества компонентов транспортных средств. Но для достижения этих производственных стандартов в первую очередь необходимо усовершенствовать сам производственный процесс.

Какие наиболее часто используемые автомобильные материалы?

Отчет

CAR Technology Roadmaps определяет современные материалы и производственные технологии, используемые в 42 транспортных средствах, охватывающих четыре сегмента транспортных средств (автомобили, внедорожники, легкие грузовики) с модельного года 2015/2016. 42 выбранные модели составляют примерно 50% продаж легковых автомобилей в США

.

Неудивительно, что исследование показало, что современные автомобили представляют собой преимущественно стальные конструкции с некоторым использованием алюминия. Каркасы транспортных средств, включая полы, двери, крыши, боковые панели кузова и крылья, обычно изготавливаются из стали. Поскольку эти компоненты в наибольшей степени отвечают за безопасность водителя, для них труднее всего использовать другие материалы. С материалами, используемыми для других менее важных компонентов, таких как капот автомобиля, люк на крыше, бампер или опора двигателя, часто экспериментируют, поскольку они дают возможность снизить общий вес автомобиля.

Источник изображения: CAR Research – Automotive Technology Roadmaps (2017)

Сегодня и в обозримом будущем наиболее часто используемые автомобильные материалы включают:

  • Мягкая сталь : Мягкие стали легко формуются, что делает их лучшим выбором для производителей автомобильных деталей, использующих холодную штамповку и другие устаревшие производственные процессы. Их максимальная прочность на растяжение составляет 270 МПа.
  • Высокопрочная сталь (HSS) : Высокопрочные стали используют традиционные стали и удаляют углерод во время цикла обжига.Это означает, что более мягкие стали можно формовать, а затем запекать в более твердые металлы. Типичные классы прочности на растяжение находятся в диапазоне от 250 до 550 МПа.
  • Высокопрочный низколегированный сплав (HSLA) : HLSA представляют собой углеродистые марганцевые стали, упрочненные добавлением микролегирующего элемента, такого как титан, ванадий или ниобий. Они имеют предел прочности при растяжении до 800 МПа и все еще могут подвергаться штамповке.
  • Усовершенствованная высокопрочная сталь (AHSS) : Усовершенствованные высокопрочные стали обычно дают уровни прочности свыше 550 МПа.Они представляют собой композиты, изготовленные из нескольких металлов, которые затем нагреваются и охлаждаются на протяжении всего производственного процесса, чтобы соответствовать спецификациям детали.
  • Сверхвысокопрочная сталь (UHSS) : Обладает такими же свойствами, что и AHSS, но сохраняет уровень прочности не менее 780 МПа.
  • Бор/мартенсит : Мартенсит — самая твердая и прочная форма стали, но она также наименее поддается формованию. Он имеет те же свойства, что и бор, предел прочности при растяжении которого составляет от 1200 до 1800 МПа.Они обычно комбинируются с более мягкими сталями для формирования композитов.
  • Алюминий 5000/6000 (AL 5000/6000) : Алюминий серии 5000 легирован магнием. Алюминий серии 6000 содержит как кремний, так и магний, который образует силицид магния и делает алюминиевый сплав поддающимся термообработке.
  • Магний : Магний является привлекательным материалом для использования в автомобилях из-за его легкого веса. В сплаве магний имеет самое высокое отношение прочности к весу среди всех конструкционных металлов.
  • Пластик, армированный углеродным волокном (CFRP) : CFRP — чрезвычайно прочный, легкий пластик, содержащий углеродное волокно для повышения прочности. Они дороги в производстве, но спрос на них в автомобильной промышленности будущего будет расти по мере снижения затрат.
Источник изображения: CAR Research – Дорожные карты автомобильных технологий (2017 г.)

Как показано выше, состав транспортных средств быстро меняется и становится невероятно разнообразным.

Инновационные методы производства автомобильных деталей

Холодноформованная сталь

по-прежнему является отраслевым стандартом для производства автомобильных деталей, но, как подробно описано в приведенных выше инновационных материалах, будущее за высокопрочными материалами.Высокопрочные стали плохо поддаются холодной штамповке, что привело к недавнему развитию горячей штамповки/штамповки, где можно разрабатывать более прочные, тонкие и легкие компоненты.

Некоторые из инновационных производственных процессов, которые изменят представление об автомобильных деталях, включают:

  • Горячедеформированная сталь : Повышение температуры стали повышает пластичность и помогает формировать сложные формы без образования трещин.
  • Алюминий горячей штамповки : Алюминий требует меньше тепла, но следует той же логике, что и нагревание стали.Алюминий нагревают и формуют примерно при 200-300 градусах Цельсия для улучшения гибкости, а затем охлаждают для повышения прочности.
  • Литье под давлением тонкостенного алюминия под высоким давлением : Высокие температуры плавления и затвердевания алюминия означают, что тонкие алюминиевые формы должны быть заполнены быстро, прежде чем температура остынет. Это создает потребность в производственных процессах с высокой температурой и высоким давлением.
  • Трансферное формование смолы : Смолы закачиваются под высоким давлением в формы, где они встречаются с предварительно вставленной волокнистой заготовкой.Это превращает легкие преформы в высокопрочные автомобильные детали.
  • 3D-печать : 3D-печать дает производителям возможность разрабатывать прототипы и детали в натуральную величину, которые значительно сложнее, чем это возможно при формовании или литье. Детали можно печатать с использованием различных материалов, от высокопрочного пластика до алюминия и некоторых более прочных металлов.
Источник изображения: CAR Research – Дорожные карты автомобильных технологий (2017 г.)

Поскольку холодное формование и традиционное прессование/формование становятся менее популярными, это приведет к появлению новых, более инновационных технологий, представленных выше.Горячая штамповка в настоящее время является самой популярной и будет по-прежнему превосходить другие методы производства автомобилей из-за ее способности создавать более прочные и легкие стали.

Процессы сборки автомобилей: настоящее и будущее

Ручная и автоматизированная точечная сварка соединяет соприкасающиеся металлические поверхности с экстремальным нагревом, создаваемым электрическим током. Это был стандартный способ соединения стали на протяжении десятилетий в автомобильной промышленности, но он будет неэффективен при интеграции деталей на неметаллической основе.

Автомобильные сборщики должны искать в будущем новые варианты, которые могут соединять несколько типов материалов вместе. Некоторые включают:

  • Клеи : Содержит широкий спектр веществ типа клея, которые в настоящее время могут соединять ковры, ветровые стекла и т. д., но вскоре будут иметь дополнительные применения, поскольку ожидается увеличение количества пластиковых деталей.
  • Сварные/катаные заготовки по индивидуальному заказу и заготовки, полученные лазерной сваркой (TWB/TRB/LWB) : Сочетает в себе несколько марок, толщин и покрытий стали для размещения лучшего материала в лучших местах.
  • Заклепки/самопроникающие заклепки (SPR) : Использует высокоскоростной процесс механического крепления для точечного соединения листового материала, обычно из стали и алюминиевых сплавов.
  • Болтовое соединение : Использует предварительно просверленные отверстия для вставки болта и гайки, которые можно затянуть и зафиксировать, чтобы соединить два одинаковых или разных материала.
  • Лазерная точечная сварка (LSW) : использует передовые лазерные системы для создания точки сварки, которая сплавляет металлы в жесткое соединение.
  • Шурупы Flow Drill (FDS) : Использует самопроникающий и выдавливаемый крепеж для соединения слоев листового металла. Это сочетает в себе свойства сверления трением и нарезания резьбы, поскольку винт действует как крепежный элемент и как инструмент для сверления и нарезания резьбы.
Источник изображения: CAR Research – Automotive Technology Roadmaps (2017)

Точечная сварка, уже находящаяся в упадке, по популярности быстро уступит место специализированным клеям, которые смогут максимально эффективно соединять пластиковые и металлические детали.Сварка заготовок и клепка также могут стать одними из самых популярных методов сборки по мере появления новых материалов.

Как будут развиваться материалы и процессы автомобильного производства?

Графики производства автомобилей или «дорожные карты», представленные в отчете CAR, представляют собой расчетный взгляд на будущее, основанный на текущих материалах и тенденциях процессов. Хотя прогнозы никогда не могут быть сделаны с полной точностью, они предлагают расчетный подход, учитывающий технологические и стоимостные препятствия для конкурентоспособности.

Каждая инновационная технология производства и материал имеют факторы, которые могут повлиять на прогнозируемые сроки. В зависимости от этих факторов широкое внедрение в отрасли может быть ускорено или отложено.

Стимулирующие факторы

  • Экономия топлива : Использование более легких материалов позволит создавать более легкие транспортные средства, требующие меньше топлива для движения. Экономия топлива является привлекательной характеристикой для покупателей, поэтому автопроизводители постараются удовлетворить этот спрос.
  • Сокращение выбросов транспортных средств : Законодательные требования могут заставить производителей автомобилей повысить экономию топлива в качестве средства снижения выбросов парниковых газов (ПГ).
  • Автономные транспортные средства : Беспилотные транспортные средства имеют значительно больше компонентов, чем транспортные средства, требуемые водителем. Этот дополнительный вес и пространство необходимо компенсировать за счет облегчения других частей.
  • Электрическая трансмиссия : Электрические двигатели и батареи весят больше, чем современные двигатели внутреннего сгорания. Переход на электрические силовые агрегаты требует, чтобы другие материалы были легче, чтобы компенсировать это.
  • Добавленный контент : Водители ожидают улучшения характеристик автомобиля с каждым модельным годом.Для этого компоненты должны со временем становиться легче, иначе пострадает экономия топлива.

Угрожающие факторы

  • Соединение смешанных материалов : Различия в температурах плавления между материалами означают необходимость обновления традиционных методов сварки.
  • Коррозия : Воздействие влаги может со временем разрушить новые материалы, что приведет к выходу из строя систем автомобиля.
  • Тепловое расширение : Когда детали попадают в покрасочные печи, детали, изготовленные из некоторых материалов, могут расширяться или иметь покрытие, отличное от других материалов.
  • Время цикла : Детали, изготовленные из инновационных материалов, должны производиться с той же скоростью, что и традиционные технологии, чтобы обеспечить аналогичную производительность.
  • Стоимость : Новые материалы, такие как углеродное волокно, могут стоить значительно дороже, чем традиционные материалы.
  • Цепочка поставок : Производители по всему миру должны иметь возможность получать материалы и обслуживать оборудование для их обработки. Более сложные материалы трудно воспроизвести во всем мире, что приводит к сбоям в цепочке поставок.
  • Переработка по окончании срока службы : Автомобильные материалы должны подлежать вторичной переработке после списания транспортного средства. Некоторые передовые материалы не соответствуют требованиям по переработке.
  • Ремонт : Стоимость ремонта выше при использовании более сложных материалов, что увеличивает стоимость владения, включая текущие расходы на техническое обслуживание.
  • Недостаток талантов : Инженеры и рабочие производственных предприятий должны быть обучены работе с новыми сложными материалами и процессами.

Найти гранты правительства Канады для производителей автомобилей

Канадские федеральные и провинциальные правительства часто вводят новые государственные субсидии, беспроцентные ссуды и программы субсидирования заработной платы для канадских производителей автомобилей.Вы можете посетить наш каталог программ финансирования производителей автомобилей или связаться с Mentor Works , чтобы узнать, на какие программы финансирования может претендовать ваш бизнес. Mentor Works может написать или просмотреть вашу заявку на участие в программах государственного финансирования, чтобы обеспечить вам наилучшие шансы на одобрение.

Получите дополнительную информацию о материалах и процессах для производства автомобилей нового поколения, загрузив нашу бесплатную версию Canadian Automotive Trends PDF , чтобы узнать, как ваш бизнес может извлечь выгоду из текущих тенденций и воспользоваться преимуществами государственного финансирования.

Что нового в материаловедении для автомобильной промышленности?

Экологически чистые и высокоэффективные автомобили со сверхнизким уровнем выбросов начали появляться на наших дорогах. Благодаря новым революционным технологиям и проверенным методам проектирования влияние автомобилей на окружающую среду уменьшается.

Но что это за новые технологии? Как они влияют на дизайн автомобилей? Какие новые разработки в области материаловедения обеспечат сохранение импульса легкого веса? В этой статье мы рассмотрим несколько способов, которыми новые открытия в области материаловедения могут повлиять на дизайн автомобилей в ближайшие несколько лет.

Облегчение движущихся частей

По мере того, как автомобили стремятся стать более эффективными в использовании топлива, будь то электричество, газ или дизель, проекты по облегчению веса активизировались. Легкие сплавы, такие как алюминий и магний, могут значительно снизить вес мотора или двигателя; сокращение массы транспортного средства и, следовательно, повышение эффективности использования топлива. Фактически, при снижении веса автомобиля на 10 % можно добиться увеличения эффективности использования топлива на 7 %.

Конечно, легкость — это не только краткосрочная проблема автомобилей, работающих на газе.Скорее, достижения в области облегчения веса имеют серьезные последствия для электромобилей, где более легкие автомобили могут снизить беспокойство по поводу запаса хода, которое может помешать потребителям с такой готовностью переходить на электромобили.

Многие производители электромобилей, в том числе Tesla и BMW, отказались от углеродного волокна в пользу более эффективных легких сплавов, которые в настоящее время в основном включают алюминий. Шасси и кузов Tesla Model S почти полностью изготовлены из алюминия. Но магний привлекает внимание многих производителей автомобилей благодаря достижениям в технологиях нанесения покрытий, которые делают его пригодным для применения в условиях повышенного износа, высокого риска коррозии и высоких температур.

Но полностью отказываться от углеродного волокна не собираются. Когда-то немыслимая для любого применения под капотом, разработка армированного углеродным волокном пластика (CFRP) произвела революцию в свойствах пластика, не в последнюю очередь в его реакции на тепло и износ. Более того, благодаря возможности 3D-печати углепластика, в будущем он может оказаться сверхдешевым методом снижения веса автомобильных деталей в менее интенсивных приложениях.

Но не только панели можно усовершенствовать с помощью легких материалов.Материаловеды Keronite сотрудничают с производителями автомобилей в таких обширных областях, как системы активной подвески, тормозные диски, электрические системы, поршни, корпуса и потенциальные детали, изготовленные с помощью 3D-печати.

Увеличение срока службы и надежности

Электрические транспортные средства должны быть в состоянии снизить расходы на техническое обслуживание и эксплуатацию для своих владельцев. Во-первых, у них меньше движущихся частей, чем у двигателей внутреннего сгорания (ДВС), а это означает, что можно сосредоточить усилия на надлежащей защите этих частей, что приводит к меньшему обслуживанию, увеличению срока службы и снижению затрат для владельцев, а это огромные преимущества для любого потенциального владельца.

Однако

Простота не всегда лучше. И эта сверхэффективная конструкция двигателей электромобилей основана на том, что материалы способны идти в ногу со временем. Какое-то время движущихся частей может быть меньше, но каждая из них должна работать более интенсивно, в течение более длительного периода времени, при этом производя много тепла в концентрированном пространстве. К счастью, наряду с облегчением поверхностные покрытия, такие как плазменно-электролитическое оксидирование (PEO), способны значительно продлить срок службы компонентов в любом приложении.

Аккумуляторные технологии

Аккумуляторы в электромобилях удивительно хорошо сохраняют свою эффективность. По оценкам, даже после 500 000 миль батарея разряжается только примерно на 20%, оставляя 80% заряда батареи. Несмотря на эти многообещающие цифры, предстоит еще много работы, связанной с разрядами и температурными колебаниями.

Использование новых материалов в батареях будет находиться в авангарде оптимизации эффективности батарей и, следовательно, времени зарядки и запаса хода — ключевых моментов для массового потребления электромобилей потребителями. Более того, в связи с колебаниями цен и доступности редкоземельных металлов, которые традиционно используются в автомобильных аккумуляторах, потребность в поиске новых альтернатив как никогда актуальна. Поверхностные покрытия, которые позволяют лучше управлять теплом, обеспечивая при этом долговечность и надежную работу, могут сыграть роль в создании будущих инноваций в области аккумуляторов, что является областью, требующей дополнительных исследований от ключевых фигур отрасли.

В последние годы кобальт был металлом, к которому склонялись многие производители.Но с прорывами в поверхностных покрытиях, которые теперь имитируют многие редкоземельные металлы, когда-то исключительные свойства, это может измениться. Исследователи из Техасского университета разработали новый оловянно-алюминиевый анод, который может удвоить зарядную емкость анодов литий-ионных аккумуляторов.

Программа исследований

Производители автомобилей всех видов, от высокотехнологичных команд Формулы-1 до крупных производителей экономичных пассажирских автомобилей, получат выгоду от достижений в области материаловедения.

Покрытия

Keronite используются во всей промышленности и помогают повысить производительность сверхлегких сплавов, таких как алюминий и магний, в совершенно новых случаях использования. Характеристики покрытия таковы, что позволяют использовать его в коррозионно-агрессивных, вызывающих износ и термически сложных средах.

Если у вас есть область применения, требующая высокоэффективного покрытия для улучшения характеристик легкого сплава, или вы рассматриваете возможность использования легкого сплава в сложных условиях, поговорите с учеными-материаловедами Keronite сегодня.

Какие инновационные материалы могут сделать автомобили легче? — PreScouter

В нашей первой статье мы рассмотрели текущие применения альтернативных легких материалов в автомобильной промышленности. Здесь мы расскажем о некоторых новых инновационных материалах, позволяющих решить проблемы облегчения и топливной экономичности.

Топливная эффективность в настоящее время является доминирующим фактором, определяющим экологическую устойчивость автомобильных технологий. Чем меньше топлива потребляет транспортное средство, тем меньше его углеродный след.В последнее время облегчение коммерческих автомобилей стало эффективным способом повышения их топливной экономичности: топливная экономичность автомобиля может увеличиться на 6–8 % при снижении его веса на 10 %.

Производители оригинального оборудования (OEM) и производители автомобилей в настоящее время внедряют легкие материалы для автомобилей в развивающихся странах. В этих странах государственные нормативы по контролю за выбросами довольно строгие и основаны на весе транспортного средства, что также привлекает клиентов к покупке легких автомобилей.Фактически, использование легких альтернативных материалов в настоящее время является тенденцией и на мировом автомобильном рынке. Ожидается, что мировой рынок легких автомобильных материалов вырастет на 91,3 млрд долларов США при совокупном росте на 11,4%, как сообщается в недавнем обзоре рынка.

Сочетание алюминия и углеродного волокна: iStream Superlight

В настоящее время металлы являются наиболее популярными среди OEM-производителей для изготовления коммерческих автомобилей. Например, прогнозируется, что мировой автомобильный рынок металлов превысит 137 долларов США.5 миллиардов к 2025 году. В частности, алюминий сейчас доминирует на рынке легких материалов. По сообщениям, 82% ключевых игроков в легкой автомобильной промышленности используют его для производства автомобилей.

В то же время углеродные волокна также набирают популярность как новый материал для облегчения веса: 53% основных производителей в настоящее время используют эти композиты. Ожидается, что к 2025 году рынок углеродных волокон для автомобилей достигнет 11 000 метрических тонн (МТ) в год по сравнению с примерно 7 000 МТ в 2017 году.

Недавней инновацией, в которой используются оба материала, является iStream Superlight от Gordon Murray Design. Эта конструкция обеспечивает более низкие выбросы и снижение веса на 50% по сравнению с металлическим корпусом без ущерба для его гибкости и жесткости. Согласно отчету от марта 2019 года, Мюррей планирует использовать эту недорогую технологию iStream Superlight в крошечных городских автомобилях и спортивных автомобилях. Преимущества iStream Superlight. Источник: Gordon Murray Design

Хотя эта технология обещает создание экономичных автомобилей в будущем, цена базовой модели по-прежнему оценивается почти в 53 тысячи долларов США, что намного выше, чем у других моделей спортивных автомобилей, уже представленных на рынке. менее 29 тысяч долларов США.

Комбинация АБС-пластика и пластика, армированного углеродным волокном: Olli

Другим важным материалом, в состав которого входят углеродные волокна для снижения веса, является пластик или полимер, армированный углеродным волокном (CFRP). Углепластик способен снизить вес на 10% по сравнению с традиционными композитами, армированными стекловолокном. Это уникальное свойство делает углепластик ключевым материалом в автомобилестроении, что подтверждается недавним отчетом, в котором прогнозируется, что мировой рынок углепластика в автомобилях будет быстро расширяться со среднегодовым темпом роста 10.6% до 2023 года.

Последнее нововведение, Olli, представляет собой легкое транспортное средство для совместного использования, использующее углепластик от Local Motors. Это экологически чистый самоуправляемый электрический автобус, напечатанный на 3D-принтере из акрилонитрил-бутадиен-стирольного (АБС) пластика (80%) и углепластика (20%). Хотя детали Olli подлежат вторичной переработке, и он намного легче (5850 фунтов), чем имеющиеся в настоящее время коммерческие шаттлы, он по-прежнему не может развивать скорость более 40 км/ч и грузоподъемность более восьми человек по сравнению со школьным автобусом типа B, который весит более 10 000 фунтов, который перевозит 10 человек.В настоящее время Олли служит университетским автобусом в кампусе Государственного университета Сакраменто.

Инновации нового поколения от научных кругов:

Несмотря на то, что в автомобильной промышленности появилось много разработок в области материалов, в академических кругах также произошли значительные научные открытия.

Сочетание волокон семян льна и PLA

Электромобиль Lina, созданный TU/Ecomotive, студенческой командой Эйндховенского технологического университета в Нидерландах, является прекрасным примером следующего поколения инноваций в области материалов.Кузов автомобиля изготовлен из композитной смолы на биологической основе, состоящей из волокон льняного семени и полимолочной кислоты (PLA).

Биоразлагаемая смола не только делает автомобиль экологически чистым, но и снижает его вес в пять раз по сравнению с традиционными автомобилями на рынке. Однако модель автомобиля была продемонстрирована только в лабораторных условиях с максимальной достигнутой скоростью 80 км/ч. Еще одним недостатком этой технологии является физическое свойство смолы, которая имеет тенденцию к разрушению, несмотря на высокое отношение прочности к весу.

Технический текстиль 3D

Еще один новый материал из Университета Суррея: трехмерный технический текстиль, разработанный в сотрудничестве с Университетом Джона Хопкинса. Это очень жесткое вещество может выдерживать сильные вибрации и обеспечивает отличные характеристики звукопоглощения. Изначально целью было сделать надежный и звуконепроницаемый автомобиль; но также было обнаружено, что использование 3D-текстиля снижает вес и обеспечивает дополнительное пространство в автомобиле.

(a) 3D-тканый (3DW) решетчатый материал состоит из Z- (зеленый), основной (красный) и заполняющего (синий) проводов; (b) Желтый цвет указывает места пайки (вверху и внизу).(c) Поперечное сечение трехмерной плетеной решетки с жестким каркасом (паяная часть сверху и снизу) и свободными элементами решетки в сердцевине конструкции, (d) СЭМ-изображение спаянной верхней грани, подтверждающее металлургическое соединение металлических решеток. Источник: Демпфирование селективно склеенных трехмерных тканых решетчатых материалов в Nature Scientific Reports.

Эта технология, хотя и была успешно продемонстрирована в академических условиях, еще не имеет доказанных промышленных преимуществ. Однако у него может быть многообещающее будущее, если его протестировать на реальных коммерческих автомобилях.В настоящее время растет спрос на текстильные компоненты для легких транспортных средств, при этом применение этих материалов в автомобилях среднего размера увеличилось до 35 кг в 2019 году с 20 кг в 2000 году. 

Легче, но какой ценой?

Технологии облегчения веса, несомненно, привлекают большое внимание в автомобильной промышленности. Однако оценщики рынка ставят под сомнение экономическую эффективность легких автомобилей в будущем. Алюминий и углеродное волокно, которые в настоящее время являются двумя основными облегчающими элементами, дороги в работе и еще больше увеличивают будущие затраты на ремонт автомобилей.Но, несмотря на эту критику, в последнее время на рынке есть несколько успешных производств и запусков легких автомобилей. Последними двумя примерами являются BMW M2 CS 2020 года и Rasa от Riversimple, которые, как ожидается, начнут крупносерийное производство и коммерческий запуск в 2020 году. Теперь это всего лишь вопрос времени, чтобы увидеть, как производители будут продвигать свои рекламные кампании и одновременно устанавливать разумная рыночная цена для этих новых облегченных моделей.

На изображении показан облегченный BMW M2 CS 2020 года выпуска.Источник: Автомобильные совки.

Если у вас есть какие-либо вопросы или вы хотите узнать, можем ли мы помочь вашему бизнесу в решении его инновационных задач, свяжитесь с нами здесь или напишите нам по адресу [email protected]
Об авторе
Ричик Нилай Мукерджи

Ричик — специалист по научным инновациям в Conagen, Inc. и один из научных сотрудников PreScouter с ученой степенью. Он получил докторскую степень в Университете Вайоминга в области клеточной и молекулярной биологии.Ранее он также работал в научно-исследовательском кооперативе в фармацевтической промышленности. Ричик увлечен исследованием последних рыночных тенденций в области медико-биологических наук и эффективным донесением их до читателей по всему миру. Он также имеет диплом Scientist-MBA.

IRJET-Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте март 2022 г. Выполняется публикация…

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает к публикации том 9, выпуск 4, выпуск 4 (апрель 2022 г.) из различных инженерных и технологических дисциплин,

Отправить сейчас..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает статьи из различных технических и научных дисциплин для тома 9, выпуск 4 (апрель 2022 г.)..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает статьи из различных технических и научных дисциплин для тома 9, выпуск 4 (апрель 2022 г.)..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает к публикации том 9, выпуск 4, выпуск 4 (апрель 2022 г.) из различных инженерных и технологических дисциплин,

Отправить сейчас..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает статьи из различных технических и научных дисциплин для тома 9, выпуск 4 (апрель 2022 г.)..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает статьи из различных технических и научных дисциплин для тома 9, выпуск 4 (апрель 2022 г.)..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


IRJET приглашает статьи из различных технических и научных дисциплин для тома 9, выпуск 4 (апрель 2022 г.)..

Browse Papers


IRJET Получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Подтвердить здесь


Легкие материалы для легковых и грузовых автомобилей

Передовые материалы необходимы для повышения топливной экономичности современных автомобилей при сохранении безопасности и производительности. Поскольку для ускорения более легкого объекта требуется меньше энергии, чем более тяжелого, легкие материалы обладают большим потенциалом для повышения эффективности транспортного средства.Уменьшение веса автомобиля на 10 % может привести к снижению расхода топлива на 6–8 %. Замена чугуна и традиционных стальных компонентов легкими материалами, такими как высокопрочная сталь, магниевые (Mg) сплавы, алюминиевые (Al) сплавы, углеродное волокно и полимерные композиты, может напрямую снизить вес кузова и шасси автомобиля до 50 раз. процентов и, следовательно, снизить расход топлива автомобиля. Использование легких компонентов и высокоэффективных двигателей с использованием передовых материалов в одной четверти территории США.К 2030 году флот S. сможет экономить более 5 миллиардов галлонов топлива в год. 

Благодаря использованию легких конструкционных материалов автомобили могут быть оснащены дополнительными передовыми системами контроля выбросов, устройствами безопасности и встроенными электронными системами без увеличения общего веса автомобиля. Хотя легкие материалы могут использоваться в любом транспортном средстве, они особенно важны для гибридных электрических, подключаемых гибридных электрических и электрических транспортных средств. Использование легких материалов в этих транспортных средствах может компенсировать вес систем питания, таких как батареи и электродвигатели, повышая эффективность и увеличивая их полностью электрический запас хода.В качестве альтернативы, использование легких материалов может привести к необходимости использовать аккумулятор меньшего размера и по более низкой цене, сохраняя при этом запас хода электромобилей на постоянном уровне.

Исследования и разработки в области легких материалов имеют важное значение для снижения их стоимости, повышения их способности к переработке, обеспечения их интеграции в транспортные средства и максимизации преимуществ экономии топлива.

Управление транспортных технологий (VTO) работает над улучшением этих материалов четырьмя способами:

  • Расширение понимания самих материалов посредством моделирования и компьютерных материаловедческих исследований
  • Улучшение их свойств (таких как прочность, жесткость и пластичность)
  • Улучшение их производства (стоимость материала, производительность или выход)
  • Разработка сплавов современных материалов

В краткосрочной перспективе замена тяжелых стальных компонентов такими материалами, как высокопрочная сталь, алюминий или полимерные композиты, армированные стекловолокном может уменьшить вес компонента на 10-60 процентов.Ученые уже понимают свойства этих материалов и связанных с ними производственных процессов. Исследователи работают над снижением их стоимости и улучшением процессов соединения, моделирования и переработки этих материалов.

Узнайте больше об исследованиях VTO поддерживает краткосрочные прикладные исследования в области современной высокопрочной стали и алюминия.

В долгосрочной перспективе передовые материалы, такие как композиты, армированные магнием и углеродным волокном, могут снизить вес некоторых компонентов на 50–75 процентов.Управление работает над расширением наших знаний о химических и физических свойствах этих материалов и снижением их стоимости.

Узнайте больше об исследованиях VTO поддерживает долгосрочные прикладные исследования магния и углеродного волокна.

Исследовательские инструменты

Дальнейшая разработка передовых материалов требует лучшего понимания их состава и морфологии. В то время как в предыдущих исследованиях использовались физические эксперименты, чтобы лучше понять обычную сталь и алюминий, наука о вычислительных материалах может ускорить процесс, моделируя эксперименты.Вычислительное материаловедение должно вывести на рынок передовые материалы, такие как магний, намного быстрее, чем материалы прошлого. Исследователи также могут использовать вычислительные подходы для создания конструкций транспортных средств, максимально раскрывающих потенциал этих материалов.

Чтобы улучшить эти инструменты, VTO сотрудничает с Инициативой Materials Genome, межведомственной инициативой, которая помогает сократить время, необходимое для разработки передовых материалов и структур, за счет интегрированных вычислений, экспериментов и данных.Работа, поддерживаемая VTO, позволила разработать вычислительные инструменты, которые позволили улучшить методы соединения, предотвратить коррозию и модели прогнозирования.

Партнерство, цели и результаты

VTO также сотрудничает с Национальными лабораториями Министерства энергетики США, Отделом передового производства EERE и через ряд других межсекторальных партнерских отношений между правительством и промышленностью в области легких материалов:

Эти исследования и разработки направлены на достижение следующих целей. цель: к 2015 году подтвердить возможность снижения веса кузова и шасси легкового автомобиля на 50% по сравнению с автомобилем 2002 года.Это сокращение должно быть рентабельным, а материалы также должны поддаваться вторичной переработке.

Результаты этих исследований и разработок ежегодно описываются на Ежегодном собрании по оценке заслуг и коллегиальной оценке, а также в ежегодном отчете о ходе работы. Кроме того, в рамках подпрограммы «Материалы» в марте 2011 года в Дирборне, штат Мичиган, был проведен семинар по легким и силовым материалам, чтобы понять потребности отрасли и технологические пробелы. Эти отчеты служат эталоном современного состояния технологий, а также технических целей в следующих областях: Технические требования и пробелы для легких транспортных средств и материалы для двигателей, а также технические требования и пробелы для грузовых и большегрузных транспортных средств. Легкие и силовые материалы.

Свяжитесь с нами

Новые тенденции в автомобильных материалах

Материалы, которые могут сделать автомобили более инновационными и экологичными

Автомобильная промышленность переживает технологическую революцию, характеризующуюся конвергенцией новых цифровых технологий с традиционным производством автомобилей. Большинство крупных игроков отрасли инвестируют в технологии для разработки автомобилей, которые являются автономными, подключенными, электрическими и обеспечивают общую мобильность (ACES).Здесь Кэти Аткинсон, приглашенный автор в базе данных материалов Matmatch, фокусируется на достижениях в области материалов для решения двух стратегических задач автомобильной промышленности: экологичности и комфорта в автомобиле.

 

В настоящее время автомобильная промышленность занимает третье место по объему расходов на исследования и разработки после здравоохранения, программного обеспечения и электроники. Наиболее конкурентоспособные производители автомобилей осознают потенциал материаловедения для достижения своих основных целей.

В будущем эти компании, вероятно, будут использовать технологии из таких областей, как машинное обучение, для быстрого определения материалов-кандидатов с подходящими свойствами и ускорения исследований материалов. На данный момент инженеры-конструкторы автомобилей являются одними из ведущих пользователей цифровых платформ сравнения материалов, таких как Matmatch, для определения и получения материалов.

 

Автомобильные поездки в настоящее время составляют около 12 процентов от общего объема выбросов углекислого газа в Европейском Союзе.В 2009 году Европейский парламент и Совет приняли Регламент (ЕС) 43/2009, в котором устанавливаются обязательные цели по сокращению выбросов для новых автомобилей.

 

Чтобы достичь целей по выбросам и повысить экологичность будущих автомобилей, сокращение массы транспортных средств (легкий вес) все чаще становится главной задачей, стоящей перед автомобильными инженерами. Автомобили с меньшей массой не только обеспечивают лучшую топливную экономичность, но также обеспечивают лучшее ускорение, торможение и управляемость.

 

Кузов

На протяжении десятилетий большинство автомобилей изготавливались со стальными кузовами из-за относительно низкой стоимости, прочности и пластичности стали. В новых автомобилях все чаще используются высокопрочные стали, алюминий, композиты из углеродного волокна, магний, титан, различные виды пластика и даже натуральные материалы, такие как конопля, хлопок, лен и лен.

 

Например, несущая конструкция кузова нового Audi A8 включает в себя алюминий, сталь, магниевые сплавы и полимер, армированный углеродным волокном (CFRP).Крупнейшим компонентом салона Audi A8 является сверхпрочная и жесткая на кручение задняя панель из углепластика.

Углеродное волокно

— один из самых многообещающих легких материалов, доступных для конструкций кузова. Однако из-за непомерно высокой стоимости углеродного волокна, которая в пять-шесть раз превышает стоимость стали, и проблем с переработкой этого материала его проникновение на рынок, вероятно, останется ограниченным в ближайшем будущем.

 

Салон автомобиля

В настоящее время салоны автомобилей преимущественно изготавливаются из пластика.По оценкам Fortune Business Insights, в 2018 году рынок автомобильных пластиков оценивался в 38,8 млрд долларов США. Прогнозируется, что к 2026 году эта цифра вырастет до 59,95 млрд долларов США.

 

Несмотря на то, что использование пластика в «подкапотном» и внешнем применении растет, салон автомобиля в настоящее время представляет собой основное применение автомобильного пластика и, вероятно, продолжит это делать в будущем. Благодаря своей долговечности, эстетической привлекательности, низкой плотности и химической стойкости комбинации полимеров используются в самых разных областях, включая сиденья, дверные панели, обивку и приборные панели.

 

Хотя вполне вероятно, что пластмассы по-прежнему будут важным компонентом стратегии материалов для автомобилей будущего, многие производители все чаще стремятся включить натуральные волокна в свою стратегию материалов.

 

В последние годы автокресла стали основным средством облегчения салона автомобиля. Водительское сиденье — одна из самых тяжелых частей салона автомобиля, потому что оно должно быть эргономичным, регулируемым и защищать водителя в случае аварии.

 

Многие производители разрабатывают системы сидений из нескольких материалов, включающие углепластик. Углепластик также все чаще используется в других отделках салона автомобиля, включая панели, крышки багажника и приборные панели. Наиболее значительными преимуществами углепластика для использования в салонах автомобилей являются его высокое отношение прочности к весу, возможность обработки в сложных формах и коррозионная стойкость.

 

Заключение

Таким образом, автомобильная промышленность находится на пороге беспрецедентной трансформации, характеризуемой автономным вождением, электрификацией и постоянно растущим спросом на персонализированные продукты, которые улучшают благополучие пассажиров.

Достижения и инновации в области материаловедения будут иметь ключевое значение для адаптивности и успеха производителей автомобилей в этой конкурентной и развивающейся среде.

 

Если вы хотите узнать больше о материалах, которые изменят автомобильную промышленность, позвоните по телефону на веб-сайт Matmatch для получения дополнительной информации.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.