Композиты в автомобильной промышленности: обзор передового опыта с выставки JEC World 2019

Введение

Начиная с 1965 года, в Париже проходит международная выставка JEC, посвященная композиционным материалам.

С каждым годом наблюдается более широкое применение деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в самых разных отраслях производства. Все чаще можно увидеть композитные детали в изделиях не только авиационной или космической промышленностях, но и автомобилестроения.

В автомобильной промышленности ПКМ применяют уже много лет. Дебют состоялся в автоспорте, где особенно напряженно идет борьба за снижение массы при сохранении прочности и жесткости. При единичном производстве использование даже дорогостоящих материалов оправдано, если они позволяют добиться уникальных свойств, к тому же можно применять более бюджетную по сравнению с серийными технологиями оснастку.

Интерьерные детали автомобиля уже достаточно длительное время изготавливают из композиционных материалов и чаще всего из углепластика в качестве декора, но в связи с относительно высокой стоимостью, их можно встретить в основном в машинах премиального класса.

Однако применение композитов в массовом производстве — новый тренд, который открывает новые возможности.

Детали интерьера

Композитные детали в интерьере автомобиля Vuhl, изготовленные из углепрепрегов

Интерьерные детали из ПКМ сейчас применяются не только в качестве декоративных элементов, но и зачастую несут дополнительно конструкционную функцию. Это не дает существенного усложнения техпроцесса за счет использования термопластичных материалов, которые могут применяться совместно с классическими ненаполненными термопластами.

Экстерьер автомобиля

Применение углепластиков в экстерьере зачастую обуславливается не только их высокими физико-механическими характеристиками, возможностью изготовления более легких элементов, но и возможностью использования существенно более доступной производственной оснастки.

Дверь конструкции «крыло чайки» Aston Martin Valkyrie изготовлена из углепрепрега

Прототип крыла выполненный из углепластика по инфузионной технологии и задний капот Pagani изготовленный из углепрепрега

Оперение мотоцикла Suzuki изготовлено из углепрепрега

Экстерьерные детали автомобиля Bentley изготовлены по препреговой технологии

Характерными деталями, изготавливаемыми из них, будут самые крупные элементы оперения: крыша, капот, передние крылья. За счет большой площади и не самой высокой нагруженности применение ПКМ помогает существенно снизить массу изделий и сроки их изготовления.

Усиление металлических деталей

При проектировании высоконагруженных деталей с комплексной геометрией целесообразно применять комбинированные решения, например, усиление несущей металлической конструкции композитными элементами.

Усиление алюминиевого подрамника материалами Hexcel

Так, усиление алюминиевого подрамника материалами Hexcel позволило достичь снижения массы на 50% по сравнению с равной по прочности металлической конструкцией. Помимо этого, испытания показали значительное снижение низкочастотных вибраций кузова при использовании такого способа усиления.

Поперечная балка Magneti Marelli, усиленная ПКМ

Magneti Marelli интегрировали композитный элемент в поперечную балку несущей конструкции кузова с целью оптимального распределения нагрузки и снижения массы на 30%.

Стальной кузов автомобиля, усиленный элементами из ПКМ

Когда необходимо добиться усиления кузова и увеличения жесткости на кручение, без увеличения массы, используют элементы из угленаполненного полиамида. Такое решение обкатано как на легковых автомобилях, так и на внедорожниках класса SUV.

Силовые детали кузова из композитов

Усиление изначально композитного кузова проводят с использованием композитных усилителей. Это могут быть как SMC-элементы, изготовленные из углепрепрега, так и созданные мультиаксиальным плетением профили сложной формы.

Усилители кузова Lamborghini Aventador, триаксиальное плетение

Фронтэнд Valeo для Daimler выполнен из углепластика на термопластичном связующем

Однако в случае усиления металлического кузова необходимо решить две задачи одновременно: обеспечить повышение жесткости и надежно соединить ПКМ и металл.

Для реализации предложенного институтом Fraunhofer ILT соединения металла с термопластичными композитами проводят микроструктурирование металлической детали лазером. На поверхности металла создают или специальную текстуру, или структуру с поднутрениями (если лазерный луч попадает на поверхность под углом). Такая подготовка поверхности обеспечивает надёжное соединение пары металл-полимер.

Подобные решения дают существенный выигрыш по массе и прочности, однако необходимо продумать зону соединения металла с композитом.

Усилитель крыши кузова для BMW 7 серии: микроструктурирование металла лазером и соединение с ПКМ на термопластичной матрице

Современные методы CAE позволяют моделировать поведение равномерно наполненных ПКМ с высокой степенью достоверности. Это дает возможность заменять сложные сварные нагруженные металлические конструкции, такие как фронтэнд, на единую деталь.

Проектирование, изготовление и отладка форм для формования равномерно наполненных ПКМ существенно проще, чем при работе с металлами. Это позволяет сократить сроки и затраты на освоение новых изделий.

Детали подвески

Переход от корпусных деталей к силовым — важный этап внедрения ПКМ. Он говорит о достаточном уровне компетенций в обеспечении повторяемых свойств деталей.

Задний маятник мотоцикла Ducati выполнен по автоклавной технологии из углепластика на эпоксидной смоле

В плане облегчения наиболее интересны самые массивные детали подвески, поскольку снижение неподрессоренных масс способствует улучшению плавности хода, лучшей управляемости и снижению вибраций.

Деталь подвески от Magnetti Marelli, изготовленная из SMC материалов на винилэфирной смоле с добавлением рубленых углеродных волокон

Силовые детали, выполненные из композита с применением металлических закладных, были представлены компанией Magneti Marelli. Детали изготовлены с добавлением стекло- и углеволокна как на термореактивных, так и на термопластичных связующих.

Интересны работы по переходу от использования металла к применению ПКМ при изготовлении самой крупной детали подвески — подрамника. Положительный эффект достигается как на термопластичных, так и на термореактивных матрицах..

Корпусные детали

Корпусные детали моторного отсека из углепластика на основе термореактивных смол

С развитием тренда на электромобили работы по облегчению корпусных деталей обретают все большую значимость. Батареи таких транспортных средств массивны, чтобы обеспечить достаточный запас хода, и вместе с тем требуют надежной защиты от повреждений. При использовании металлов есть риск перетяжелить и без того массивный батарейный блок. Использование ПКМ для корпусных деталей батарей и пр. позволяет не только объединить несколько деталей в одну, что положительно сказывается на герметрии, но и добиться приемлемой массы.

Колесные диски

Благодаря высоким физико-механическим характеристикам расширяется применение композитов в производстве автомобильных и мотоциклетных дисков, особенно используемых для автомотоспорта.

Композитный колесный диск, произведенный с помощью легковымываемой водой оснастки Aqua mandrel (слева) и комбинированный металлокомпозитный диск

В силу сложности производства (необходимо использовать сложную по геометрии оснастку, либо вымываемые стержни для формирования полостей) такие диски достаточно дороги для повсеместного использования, однако для решения узких специальных задач они как нельзя хороши.

Часто, чтобы удешевить и облегчить производство колесного диска комбинируют композитный обод с металлическими спицами.

Композитный монокок

Апофеозом облегчения и достижения максимальной жесткости является композитный монокок и кузов целиком.

Композитный монокок McLaren P1

Для создания таких изделий используют, как правило, автоклавную технологию и углепластики с последующей склейкой компонентов.

Так, компания Dallara специализируется на производстве с активным использованием композитов болидов класса LMP2 для большинства команд чемпионата.

Полностью композитный кузов спорткара

Настолько широкое применение ПКМ говорит о том, что данные материалы и технологии их переработки способны решать самые сложные производственные задачи и гарантировать изделиям соответствие самому высокому уровню предъявляемых к ним требований.

Серийное применение

Трансфер решений из специфических областей в массовое производство происходит всегда постепенно. Валидация компонента и прохождение сертификации занимают много времени, но являются обязательными процедурами, поскольку напрямую связаны с безопасностью эксплуатации. Но, несмотря на это, в серийном производстве мы видим достаточно примеров использования ПКМ как безальтернативной технологии производства для ряда ключевых компонентов.

BMW i8 — серийный автомобиль с полностью композитным кузовом

Так, композитные усилители в BMW 7-ой серии и стратегия Carbon Core уже стали привычным явлением. В последнем поколении BMW 4 серии крышка багажника серийно изготавливается как сборная композитная конструкция.

Компания Audi несколько лет назад объявила снижение массы автомобилей главным направлением своего развития. Следуя ему, металлические детали кузова постепенно заменяются композитными. В актуальном поколении машин Audi А8 перегородка багажного отделения выполнена из углепластика на эпоксидной матрице.

Активно ведет работу в использовании ПКМ и автогигант Ford: совместно с Magna были полностью переработаны под композиты передний подрамник, фронтэнд и несколько силовых элементов кузова автомобилей Mustang.

Внутренняя часть двери багажника (угленаполненный SMC)

Четко прослеживается тенденция использования ПКМ в ненагруженных деталях кузова, таких как крышка багажника, задние пассажирские двери, наружная панель крыши и пр. От европейских компаний Renault-Nissan и PSA этот подход переняли азиатские: Toyota, Acura, Hyundai Motor Company, а теперь и китайская Changan.

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 переработки изделий. Композиты должны утилизироваться и перерабатываться специальным образом, чтобы не наносить вред окружающей среде.

Детали кузова автомобиля из переработанного углеволокна

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.

Корпусные детали мотоцикла Yamaha из биокомпозитов на основе натуральных волокон

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.

Деталь сложной формы, технология SLS, материал HexPekk от Hexcel (полиэфирэфиркетон + углеродное волокно)

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 последующей его фрезеровкой — CMS Kreator. Оборудование будет обеспечивать возможность создания как крупногабаритных упрочненных полимерных изделий, так и формообразующей оснастки. Разработчики заявляют о производительности на уровне 20 кг/час. При таком техпроцессе нет необходимости использовать 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 экструдером, как в небольших ТПА (термопластавтоматах), модельный материал — гранулы термопласта.

Поверхность детали из термопласта, упрочненного рубленым углеволокном, технология FDM, CEAD

Общий вид системы от CEAD

Аналогичный модуль предлагает компания CEAD. Производительность данного решения порядка 10 кг/час. Устройство не привязано к производителю станка, и может быть дополнительно оснащено сушилкой материала.

Вывод

Можно заметить, что многие передовые решения и материалы в прямом смысле спускаются с небес на землю, то есть новаторская технология первой находит применение в авиации и космосе, и лишь потом осваивается автомобилестроением, транспортным машиностроением и т.п. Так было со сплавами на основе алюминия, так же происходит и с композитами.

Подобный трансфер говорит об экономической целесообразности и о безопасности применения. Отметим, что валидация компонентов наземного транспорта существенно проще, чем у летательных аппаратов.

На фоне восходящего тренда на экологичность, снижение выбросов и снижение массы транспортных средств можно прогнозировать еще более широкое использование ПКМ в массовом автомобильном производстве, появление новых материалов и средств контроля.

Однако в борьбе за минимальную массу и передовые материалы не следует забывать об экологии. Развитие вторичной переработки композитов — задача не менее важная, чем достижение исключительных показателей конструкций.

Статья была опубликована в номере 2 (83) 2019