CC BY
38DOI: 10.24411/2181- 0753/2021-100002
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПКМ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Адхамов Амурбек, Нумонов Аброр
Андижанский машиностроительный институт Андижан, Узбекистан
Применение композиционных материалов осуществляется во все более широких масштабах. В автомобилестроении композиционные материалы используются уже много лет, и с каждым годом объем их применения растет. Если раньше ПКМ использовались в основном в качестве отделки салона и в деталях, не несущих значительных нагрузок, то в настоящее время полимеры стали применяться в крупногабаритных корпусных деталях, а зарубежные компании, такие как ВМW, Ford, Mercedes, AUDI, и вовсе изготавливают автомобили, кузов которых полностью состоит из композитов.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы (ПКМ), BMC, углепластики, стеклопластики, автомобильная промышленность, автомобили.
PROSPECTS FOR APPLICATION OF PCM IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY
The use of composite materials is increasingly on a large scale. In the automotive industry composite materials has been used for many years, and every year the level of usage is increasing. If previously, PCM was mainly used as interior trim in the parts not bearing a significant load, but now the polymers were used in large-size details, and foreign companies such as BMW, Ford, Mercedes, Audi and it made the car body which consists entirely of composites.
Keywords: polymer composite materials (PCM), BMC, carbon plastic, fiberglass, automotive industry, cars.
AVTOMOBILSOZLIKDA PKM LARDAN FOYDALANISH ISTIQBOLI
Kompozitsion materiallardan foydalanish mashtablari brogan sari kengayib bormoqda. Avtomobilsozlikda kompozitsion materiallar ko'p yillardan beri ishlatilib kelinadi va yildan yilga ularning hajmi ortib bormoqda. Agar avval PKMlar asosan deyarli bosimga ushramaydigan detallar va salonning chiroyi uchun ishlatilgan bo'lsa, hozirda polimerlar kata gabaritli detallarda ishlatiladigan bo'ldi, BMW, Ford, Mercedes va AUDI kabi chet el kompaiyalari esa kuzovi butunlay kompozit materialdan tashkil topgan avtomobillar ishlab chiqarmoqda.
Kalit so'zlar. Polimer kompozitsion materiallar (PKM), BMC, ugleplastlar, steklopastlar, avtomobilsozlik, avtomobillar.
Введение. В последние годы функции полимерных материалов в любой отрасли промышленности несколько изменились. Полимеры стали применять для все более и более ответственных деталей. Так, из них изготавливают все больше относительно мелких, но конструктивно сложных и ответственных деталей машин и механизмов, в то же время все чаще полимеры применяются для изготовления крупногабаритных корпусных деталей, несущих значительные нагрузки. В
настоящее время полимерные
композиционные материалы (ПКМ) стали одними из основных конструкционных материалов - перечень деталей автомобиля, которые в тех или иных моделях изготавливают из полимеров, занял бы не одну страницу: кузова и кабины, инструменты и электроизоляция, отделка салона и бамперы, радиаторы и подлокотники, шланги, сиденья, дверцы, капот. Более того, несколько разных фирм за рубежом уже объявили о начале
производства цельнопластмассовых
автомобилей.
Композиционные материалы можно без сомнения отнести к наиболее перспективным продуктам как современного, так и будущего промышленного производства.
Материалы и методы в автомобилестроении. Композиционные материалы - это в первую очередь продукция из углеродного волокна, которая используется, например, в
автомобилестроении уже много лет, и с каждым годом объем применения таких материалов растет. Наиболее важное преимущество углеволокна - небольшая плотность и высокая прочность. Углепластик в 5 раз легче стали ив 1,8 раза легче алюминия. Использование композитов в автомобилестроении позволяет снизить массу транспортного средства на 20-25%, за счет этого заметно повышается эффективность работы двигателя и снижается расход горючего.
Углеродные волокна производят из синтетических и природных волокон на основе полимеров. В зависимости от режима обработки и исходного сырья получают материалы разной структуры и с разными свойствами. В этом заключается главное преимущество композиционных материалов, которые можно создавать с изначально заданными свойствами под определенные цели.
Анализ и испытания армированных стекловолокном композиционных силовых элементов неожиданно показали, что в роли несущих элементов конструкции,
призванных поглотить основную энергию удара, композиты значительно уступают металлу - как минимум в 2 раза. Можно было бы подвести итог - внедрение пластиков и пластмасс в конструкцию автомобиля не принесло желаемого эффекта и оставило основные доминирующие позиции за высококачественной сталью и легкими сплавами.
Возвращение разработчиков к применению композиционных материалов отмечено экспертами совсем недавно и
совпало с появлением на рынке гибридных автомобилей и «чистых» электромобилей. Электрический привод в большинстве перспективных моделей подразумевает наличие значительной дополнительной массы электробатарей или топливных элементов. Ресурс, пробег и динамические качества электромобилей жестко зависят от массы машины. При этом модели, рассчитанные на эксплуатацию в городских условиях, выполнены с высоко поднятым центром тяжести и маленьким расстоянием между осями. Небольшие габариты машины позволяют легко находить место для парковки и протискиваться в автомобильных пробках. Высокий центр тяжести приводит к склонности автомобиля к повышенной опрокидываемости. Композиционные
материалы снижают массу конструкции практически до 30%, а тяжелые батареи, расположенные в максимально низком положении, смещают положение центра тяжести машины до гарантированно безопасного. В этом случае применение композиционных материалов дает ощутимый экономический эффект.
Изменились также технологии производства деталей из композитов. В настоящее время они изготавливаются (как и металлические узлы) на роботизированных линиях. Для упрощения монтажа в точках сопряжения с другими деталями при формовке узла запрессовываются металлические элементы крепежа. Такой способ позволяет применять сварку, болтовое и клепаное соединения. Любые колебания и знакопеременные нагрузки воспринимаются такими изделиями (так же как металлическими) без риска развития усталостных трещин и расслоения панелей.
В настоящее время в
среднестатистическом автомобиле
содержится ~200 кг того или иного вида пластических масс, но уже к 2020 г. этот показатель превысит отметку в 350 кг. Такие данные приводит аналитическая компания 1НБ. Но еще больший прогресс ожидается в сегменте углепластиков - их применение к 2030 г. вырастет в 3 раза - с 3,4 до 9,8 тыс. тонн.
Специалисты компании 1НБ также отмечают, что индустрия
автомобилестроения является
быстрорастущей и очень привлекательной отраслью для химической промышленности. Если в 2003 г. производство автомобилей составляло 56,9 млн автомобилей в год, то к 2020 г. этот показатель вырастет до 104,1 млн. Как и во многих других отраслях, рост данного рынка в основной своей массе будет
обеспечен Китаем.
Применение в автомобилестроении деталей и узлов, производимых на основе полимерных и композиционных материалов, с каждым годом расширяется. В настоящее время в структуре сырья для автокомпонентов доля полимеров (в % от стоимости среднестатистического
автомобиля) находится на третьем месте после металлов (рис. 1).
Рис.1. Материалы, используемые в автомобилестроении
Применение пластиков при производстве технических изделий обеспечивает: снижение массы конструкции при ее высокой прочности; высокий уровень безопасности по электрической прочности -трекингостойкости и дугостойкости; высокий уровень стойкости к УФ излучению; возможность использования красителей для создания цветовой гаммы изделий.
Использование ПКМ в автомобиле позволяет снизить его массу на 15-30%, а снижение массы на 100 кг приводит к снижению расхода топлива на 0,5 л на каждые 100 км. Конечно,
высокотехнологичные конструкционные полимеры не экономичнее стали или алюминиевого сплава и процесс формования деталей из полимеров длительнее, чем штамповка стального листа, однако им не требуется защита от коррозии.
Компания ВМW инвестировала 533 млн долл. в освоение промышленного производства модели электромобиля i3. Кузов нового электромобиля ВМW i3 в значительной степени выполнен из
углепластика, что дало возможность увеличить массу электрической батареи на 250-350 кг. Фактически кузов сделан из синтетического материала, усиленного углеволокном. Кузов из такого материала на 50% легче стального и на 30% -алюминиевого. Структурные элементы из нового материала могут легко комбинироваться с алюминиевыми кузовными панелями или металлизироваться.
В 2013 г. компания Ford представила легковую модель Fusion, которая оказалась на 25% легче своего серийного предшественника за счет применения углеволокна для силовых конструкций сидений, панели приборов и картера. В настоящее время концерн Ford совместно с химической компанией DowAksa и американским центром инноваций реализует крупный проект по созданию принципиально нового средства
передвижения с улучшенными
эксплуатационными характеристиками. Идея основана на широком использовании в автомобиле углеродных волоконных
композитов.
Первые позитивные результаты уже нашли отражение в модели Ford GT. Эксперты отмечают улучшенную
управляемость и быстрый разгон машины, чего трудно добиться без придания отдельным компонентам повышенной гибкости и жесткости. Из углепластика изготовлен кузов. Колесные диски представлены специальными
алюминиевыми сплавами. Это дало возможность снизить массу болида на 12%. Всего же концерн предполагает уменьшить массу крупногабаритных кроссоверов на 300 кг. Наноматериалы использованы в автомобильной краске, что предотвращает порчу поверхности от царапин и мелких сколов.
Углеродное волокно также применяет концерн Mercedes, детали из которого внедряются для замены стальных компонентов. Из них изготавливают корпуса моторов и несущей системы балочной конструкции. В обновленной серии модели SL65 Black Series благодаря нововведениям масса кара снизилась на -170 кг, что позволило повысить эффективность автомобиля в целом.
Специалисты автомобильного
гиганта Audi также много внимания уделяют расширенному применению в своей продукции ПКМ. Так, в концерне намерены все пружины выполнять из особо прочных стекловолоконных полимеров. Новые разработки только этих компонентов приведут к снижению массы пружин на 40%,
а машины уменьшится
■ на 5 расход
кг, соответственно топлива. Помимо
стекловолокна в изделиях будут применяться углеродные пластики и алюминиевые сплавы. В настоящее время новые конструкционные материалы проходят апробацию в деталях для средних седанов, но в скором времени из них предполагается изготавливать пружины для тяжелых грузовиков, работающих в условиях повышенных нагрузок. Такие материалы нуждаются в особой прочности, эластичности и жесткости. С этой задачей можно справиться с помощью скрученных стекловолокон, усиленных эпоксидной смолой и другими компонентами. Пружины из сложных высокотехнологичных ПКМ в отличие от стальных не подвержены коррозии, нейтральны к реагентам и химикатам, используемым на автомойках. Помимо этого, такие пружины экономичнее при изготовлении, так как процесс менее энергетически затратный. Для их выпуска не нужны большие мощности со сталеплавильными печами, а достаточно небольших цехов.
В отечественном
автомобилестроении также применяются много видов ПКМ, так в изготовлении гнезда автомобильных фар в СП "УзЧасис" в Намангане используется композит BMC (Bulk moulding compound) которое представляет собой готовый к формованию термореактивный полимерный материал, армированный стекловолокном. Линза этих фар изгатавливаются из прозрачного поликарбоната. Также в предприятии используются полипропилен и
полиуретановые лаки.
Рис.2. Конструкция автомобильной фары («Уз-Часис» (Наманган))
Табица 1.
Детали автомобильных фар и их химический состав.
Automotive Part Headlamp part Material
Headlamp Reflector Bulk Moulding Compound
Bezel PC+PBT
Lens PC
СП "УзКорам" которое занимается производством автомобильных бамперов использует полипропилен и акрилонитрил бутадиен стирольные пластмассы, а СП «Уз-ТонгХонг» и СП «Уз-Ханву» при производстве автомобильный сидений и шумопоглащающих материалов используют пенополиуретан, рубероид, и другие полимеры.
Заключение. Композиционные материалы - самый интенсивно развивающийся сегмент на рынке материалов. Повышенная прочность, пластичность, термостойкость, малая плотность - эти преимущества позволяют композитам все больше и больше вытеснять классические материалы - дерево, металлы, камень. Композиты интенсивно входят в привычный мир каждого человека, их применение в автомобилестроении, авиастроении и других отраслях экономики с каждым годом увеличивается.
Таким образом, можно сделать вывод, что для продолжения дальнейшего успешного внедрения композиционных материалов в автомобилестроении необходимо решить несколько задач. Во-первых, сократить цикл изготовления деталей до нескольких минут, что позволит осуществлять их массовое производство и снизить количество необходимого оборудования. Во-вторых обеспечить их приемлемую рыночную стоимость, что связано как с решением первой задачи, так и со снижением стоимости исходных материалов. И наконец, необходимо создать современные автоматизированные
производства, на которых будут работать специалисты по проектированию и разработке современных технологических процессов, а также по сопровождению конструкций из полимерных композитов на протяжении всего жизненного цикла -вплоть до утилизации.
ЛИТЕРАТУРА:
1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. №S. С. 7-17.
2. Каблов Е.Н. Материалы и технологии ВИАМ для «Авиадвигатель» // Пермские авиационные двигатели: информ. бюл. 2014. №31. С. 43-47.
3. Каблов Е.Н. О настоящем и будущем ВИАМ и отечественного материаловедения: интервью // Российская академия наук. 2015. 19 янв.
4. Каблов Е.Н. Композиты: сегодня и завтра // Металлы Евразии. 2015. №1. С. 36-39.
5. Каблов Е.Н., Чурсова Л.В., Бабин А Н., Мухаметов Р.Р., Панина Н.Н. Разработки ФГУП «ВИАМ» в области расплавных связующих для полимерных композиционных материалов // Полимерные материалы и технологии. 2016. Т. 2. №2. С. 37-42.
6. Душин М.И., Хрульков А.В., Мухаметов Р.Р. Выбор технологических параметров автоклавного формования деталей из полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. 2011. №3. С. 20-26.
7. Тимошков П.Н., Коган Д.И. Современные технологии производства полимерных композиционных материалов нового поколения // Труды ВИАМ: электрон. науч.-технич. жури. 2013. №4. Ст. 7. URL:http://www.viam-works.m (дата обращения: 03.04.2017).
8. Vicari A. Will Carbon Fiber Find Widespread Use in the Automotive Industry? // Composites today. 2015. №3. P. 3-10.
TECHИKA 1-2021
12
9. Мирный M.M. Автомобили будущего будут на 75% из пластика // Композитный мир. 2015. №3. С. 5-10.
10. BMW оригинальным образом оказались впереди по конструкции новой 7-серии. Хитрый ход Баварии // 1gai.ru: информационное издание [Электронный ресурс]. URL: http://www.1gai.ru/techno-cars/514689-bmw-originalnym-obrazom-okazalis-vperedi-po- konstrukcii-novoy-7-serii.html (дата обращения: 17.04.2017).
11. Новые композитные материалы в автомобиле - применение конструкции // Ремонт Пежо: ремонт Пежо своими руками [Электронный ресурс].
URL:http://remontpeugeot.ru/avtozhizn/novye-kompozitnye-materialy-v-avtomobile-primenenie-konstrukcii.html (дата обращения: 18.04.2017).
12. Сабитов А.А. Применение в автомобилестроении композиционных материалов. Иркутск: Иркутский техникум машиностроения, 2016. С. 5-6.
13. Фурсова И. Кувалдой по капоту //Российская газета: офиц. сайт [Электронный ресурс]. URL: https://rg.ru/2016/05/26/avtoprom-budushchee-rynka-za-avtomobiliami-iz-polimerov.html(дата обращения: 18.04.2017).
