of 24 /24

Click here to load reader

utilizarea materialelor compozite

Embed Size (px)

Text of utilizarea materialelor compozite

Materialele compozite din industria de automobile

UNELE ASPECTE ASUPRA UTILIZRII MATERIALELOR COMPOZITE

N INDUSTRIA CONSTRUCTOARE DE AUTOVEHICULEIntroducerePiaa de automobile este o pia important pentru industria materialelor. In Europa, aproximativ 12 milioane de vehicule, de mas medie de 1000 kg se produc anual, ceea ce nseamn aproximativ 12 miliarde kg de materiale.

Dac la nceput, acum vreo 100 de ani, un automobil era constituit n principal din lemn i oel, astzi el este alctuit din numeroase materiale aparinnd urmtoarelor mari familii:

materiale feroase: fonte, oeluri, tabl (aproximativ 70% din masa sa);

materiale neferoase: aluminiu (font i tabl), materiale ce conin cupru, magneziu (aproximativ 5%)

minerale: sticl, cerammic (4%)

materiale organice: vopseluri, adezivi, textile, fluide, cauciucuri termoplaste i termorezistente, cu sau far fibre (sticla, carbon, aramida, natural) sau minerale (aproximativ 2%);

Materialele organice compozite cu matrice termoplaste sau termorezistente, cu fibre, n general din sticl, lungi sau scurte, i-au fcut apariia n industria automobilului n timpul anilor 60, 70. Chiar dac sunt folosite astzi aproape exclusiv pentru a ndeplini anumite funcii, cota lor de utilizare nu depete 1015 %, n funcie de vehicule. 1. Avantajele folosirii materialelor compozite la automobile Generalitati

Apriori caracteristicilor lor intrinseci, materialele compozite, cu matrici termoplaste i/sau termorezistente prezint trei dezavantaje majore n raport cu materialele metalice pentru a permite o producie de piese compatibile tehno-economic cu cadenele (1 main la minut) i cu seriile (1000 pan la 3000 vehicule pe zi ) ntalnite n industria automobilelor, i anume:

- un pre pe kilogram cateodat mai ridicat (mai ales comparativ cu cel al oelului);

caracteristici mecanice intrinseci mai slabe: modul n flexiune, rezistena la rupere, temperaturi limitate de utilizare, etc;

procedee de obinere a pieselor finite, adeseori lente: cu excepia procedeelor de injecie, a le cror cadene, cost i durat de via a utilajelor sunt asemantoare cu cele folosite n metalurgie (2000 pan la 3000 de piese pe zi), celelalte procedee folosite n mod curent, mai ales compresia, nu permit decat cadene slabe sau medii (de la cateva piese, la 350-400 pe zi, pe utilaj). n acest caz, utilajele,dei nu necesit dect investiii relativ slabe, au o durat de via mai limitat.Tabelul 1 arat ituaia valorilor caracteristicilor menionate mai sus.

Tabelul 1 Caracteristicile comparative ale materialelor

MaterialeDensitate

Modulul lui Young

E

[GPa]Coeficient de dilatare

[10]Rezistena la rupere

[GPa]E/d

[GPa]E/d3

[GPa]

Poliester/ fibr de sticl1400-18009-1215-201406,62,6

Epoxi/fibr de sticl1800-210025-606420-1700225,7

Termoplastic1100-15001,98030-2001,50,7

Aluminiu27007024300-650263,5

Magneziu18004526200-250257,7

Oel780021012350-600

1000-1500270,44

Font7500120-14012300-600170,31

Titan4500120121100261,3

Pe lng aceste inconveniente, materialele compozite au avantaje importante, precum:

o densitate scazut (oel: 7800 kg/m3; aluminiu: 2700 kg/m3; compozite: 10002000 kg/m3);

tehnologii de obinere prin mulaj (injecie, compresie, etc.), care:

( limiteaz cantitatea de materie pan la ct este necesar i compenseaz astfel costul materiei de baz pe kilogram;

( ofer posibilitatea de a obine forme complexe, integrri de funcii i de forme n sirul elementelor metalice, limitnd astfel numrul utilajelor. Toi aceti factori duc adesea la investiii mici. ( elimin prelucrarea de finisaj precum decuparea sau debavurarea;

un comportament excelent fa de coroziune, zgrieturi datorate micilor ocuri urbane i un comportament acustic adeseori favorabil.

Dac, de la mijlocul anilor 60, cantitatea de materiale polimere i compozite n-a ncetat s creasc, cum o arat figura 1, aceasta se datoreaz faptului c alegerea unui material dat pentru o aplicaie oblig la o confruntare de soluii care iau n calcul ansamblul parametrilor enumerai mai sus i nu numai proprietile intrinseci ale materialelor.

Spre exemplu, cercetarea celui mai bun cuplu material/procedeu de fabricaie a unei piese va lua n calcul numeroase criterii: criterii tehnice i industriale legate de capacitatea i de disponibilitatea mijloacelor de punere n form, criterii economice legate de costul materei i costurile de producie i n sfarit, criterii sociale care ghideaz orientarea alegerilor clientului final.

Examinarea ansamblului acestor criterii pune n eviden faptul c utilizarea materialelor compozite este favorabil n acelai timp evoluiilor tehnico-economice dorite de constructori i noilor ateptri ale clientului final.

Punctul de vedere al constructorului

Pentru a face fa constrangerilor reglementare, economice i concureniale cu care se confrunt astzi, constructorul trebuie s fac s evolueze produsul automobil. Folosirea materialelor compozite este una din posibilitile aflate la dispoziia sa pentru a face fa acestor provocri.

Constrangeri reglementare

Este vorba mai ales de reglementrile internaionale referitoare la emisiile sonore, n special la nivelul motorului ctre exteriorul autovehiculului, la securitatea din timpul ocurilor pan la 50 km/h, chiar 65 km/h in coliziuni frontale, decalate, laterale sau din spate, la mediul n conjurtor n relaie cu gazele de eapament i reciclarea vehiculelor la sfaritul vieii.

Emisiile sonore: pe lng proprietile lor amortizante, materialele compozite contribuie adesea la reducerea acestor emisii, fie prin nlocuirea organelor mecanice metalice: capac de chiulas, colector de admisie, etc., fie ca ecran acustic care acoper motorul.

Securitate: ameliorarea rezistenei la oc la vitez mare a vehiculelor i reducerea agresivitii lor fa de alte vehicule sau pietoni i a celor cu dou roi devin importante. Materialele compozite vor contribui la ameliorarea securitii vehiculelor graie distrugeii lor progresive i deci capacitii lor de absobie progresiv a energiei. Figura 2 ilustreaz acest comportament.

Mediu nconjurtor: pentru a limita consumul de carburant i poluarea prin gazele de eapament (poluani reglementai i CO2), este necesar diminuarea cilindreei motoarelor. Dar n acest caz, dac masa automobilului rmne constant, performanele vehiculului scad i-l dezamgesc pe client. Devine deci obligatoriu a uura n mod considerabil vehiculele pentru a pstra performane identice cu cele mai mici motoare i aceasta cu att mai mult cu ct fiecare nlocuire a unui model prin succesorul lui se produce printr-o cretere medie de mas de aproximativ 10% (ameliorarea confortului, prestaii i securitate).

Exemplu: pentru a atinge obiectivul unui consum mediu de 3 l la 100 km i o emisie de 90g CO2/km, pentru un vehicul de mijloc de gam, o mas maxim de 750 kg nu va trebui s fie depit, ceea ce corespunde la o uurare de aproape 30% pentru ansamblul vehiculului.

In ceea ce privete reciclarea, este evident c materialele compozite sunt n urma celor metalice deja recliclate de foarte muli ani. Totui, chimitii i constructorii sunt pe cale s pun la punct soluii tehnice de recuperare i de reciclare. Chiar dac rentabilitatea economic nu este nc ntotdeauna evident (lips de zcmnt important de produse casate, costuri de demontare i de logistic), reciclarea nu trebuie s fie o frn pentru inovaie i introducerea materialelor compozite. Trebuie s fac parte nc de la nceput din exigenele caietului de sarcini.

Constrngeri economice

Reducerea costurilor globale este o prioritate pentru constructori. Ei sunt deci nevoii s folosesc sistematic cuplul material/procedeu de transformare cel mai rentabil i cel mai bine adaptat la problema de rezolvat. Costul unei piese reprezint 50 % cost pe materie i 50 % costul procedeelor de fabricare. Dac se pot uor compara preurile materialelor pe kilogram, este mai greu de a se lua n calcul costurile pentru mna de lucru, pentru cantitatea real de materiale folosit, pentru echipamente, utilaje i cheltuieli generale. Acestea din urm variaz mult n funcie de materiale, cadenele de producie i cantitatea total de piese de produs. Figura 3 ilustreaz aceste dificulti.

Exemplu: lund exemplul unui panou exterior de caroserie Asociaia IBIS a putut arta (fig 4) ca SMC este favorabil pentru nite ritmuri slabe de producie n raport cu tabla de oel, dar mai ales ca punctul de cretere a curbelor care era situat n 1986 la 65 000 de vehicule pe an, se gsea n 1996 la 150 000 pe an. Deplasarea acestui punct se datoreaz progreselor realizate de industria SMC care este o industrie nou n raport cu cea a oelului. Acest fenomen bine cunoscut sub numele de curb de experien sau de nvare este foarte greu de a se lua efectiv n calcul n alegerea materialelor.

Constrngeri concureniale

Creterea concurenei este prezent mai ales n Europa unde toi constructorii mondiali sunt prezeni. Numrul mcilor prezente cu o parte de pia superioar de 1% a trecut de la 16 n 1990 la 20 n 1997. Aceast cretere a concurenei are drept consecine creterea numrului de modele cu o reducere de penetrare a fiecruia dintre ele, schimbarea lor mai frecvent (reducerea duratei de via), creterea diversitii pentru a lsa din ce n ce mai puine segmente de pia neocupate.

Punctul de vedere al clientului final

Analiza ateptrilor clienilor releveaz trei axe de exigene majore.

Cost mic global (cumprare, ntreinere, asigurare, utilizare curent)

Materialele compozite permit satisfacerea aproape n ntregime a acestei exigene: diminuarea costurilor constructorului, a consumului prin uurare, a costurilor de aigurare prin comportamentul lor bun la mici ocuri, a ntreinerii prin absena coroziunii.

Doar repararea rmne o problem real de rezolvat pentru dou motive principale: o lips de competen i de experien n service-uri.

Securitate, fiabilitate, durabilitate, confortSecuritatea este o exigen necesar care unete constrngerile reglementare descrise mai sus, n care materialele intervin mai ales la nivelul securitii pasive. Fiabilitatea i durabilitatea (calitatea) necesit pe de o parte producerea de materiale avnd variaii minimale (sau perfect cunoscute) de proprieti sau de dimensiuni graie procedeelor de fabricaie ncercate i asociate cu mijloace de control adaptate i, pe de alt parte, oblig la luarea n calcul a mecanismelor de degradare precum uzura i oboseala i la stpnirea metodelor predictive de durabilitate. Confortul, noiune foarte subiectiv, const ntr-un ansamblu de percepii difuze n care influena materialelor joac un rol important la mai multe niveluri: confortul vibratoriu i acustic, confort de poziie, confort tactil i vizual, i, n sfrit, confort olfactiv.

Imaginea i noile prestaiiPe de o parte, anumii clieni doresc vehicule care au o mare originalitate asociat cu o imagine foarte personalizat i valorizant i, pe de alt parte, alii caut vehicule care s rspund exigenelor vieii lor de fiecare zi i pentru asta prezentnd prestaii noi foarte funcionale. In cele dou cazuri, aceasta va conduce la propunerea unor vehicule foarte diversificate i deci la multiplicarea numrului de versiuni, a cror durat de via i numr produse pe zi vor fi mai sczute.

Dificulti referitoare la folosirea materialelor compozite la automobileDei materialele compozite prezint numeroase avantaje att pentru constructori ct i pentru clienii lor, dificultile deloc neglijabile exist i frneaz o utilizare mai masiv n construirea vehiculelor.

Dificultile de depit sunt de ordin tehnico-economic, cultural i industrial:

Dificulti tehnico-economice

Se caracterizeaz prin insuficiene n urmtoarele domenii:

- achiziionarea datelor fizice de baz fiabile i utilizabile n modele de simulare i mai ales pentru materialele noi;

cunoaterea legilor de comportare a materialelor;

modelarea pentru impact i simularea pentru punerea n aplicare;

predicia i durabilitatea: rezistena la intemperii, la oboseal i la

stricciuni;

automatizarea i fiabilizarea procedeelor de punere n aplicare;

stpnirea modelelor de asmblare multimateriale. Colajul este mijlocul cel mai adaptat la materialele compozite. Dei mari progrese au fost realizate n acelai timp la produse i la punera lor n funciune, ramne totui adevrat faptul c ncrederea ntr-un asamblaj lipit nu se bazeaz adesea dect pe incercarea real de validare;

stpnirea tehnicilor de reparare dup vnzare;

stpnirea unei vizibiliti pe termen lung a materialelor i a fluctuaiei

lor.

Dificulti culturale cultura oelului este nc foarte ancorat la constructori;

procesul de introducere i de inovare este foarte lent i progresiv;

automobilul este un produs de mare difuzare, fabricat n serie mare ceea ce genereaz o inerie important legat de investiiile deja prezente sau care urmeaz;

conservatorismul consumatorilor: preferina cumprtorului rmne nc astzi o main care s posede o caroserie vopsit, neted i strlucitoare.

Dificulti industriale investiiile deja fcute apas greu n alegerea concepiei noilor vehicule;

utilizarea altor materiale dect oelul repune n cauz tehnologiile de asamblare mult ncercate, precum sudura pe puncte i duce la obligaia de a dezvolta simultan noi modele de asamblare nevalidate industrial;

logica de studiu a unui nou model se intinde pe mai muli ani. Alegerea de materiale pentru diferitele piese constitutive ale vehiculului trebuie s corespund soluiilor existente, deci mai puin favorabile noilor materiale.

Totui, factorii favorabili sunt extrem de puternici i ne putem gndi c

diminuarea masei, creterea durabilitii i diminuarea taliei seriilor vor fi paramatrii primordiali care vor face ca materialele compozite s creasc n industria automobilelor cum este ilustrat n paragrafele urmtoare.

2. Domenii de utilizare

Materialele compozite i-au fcut apariia n serie mare n automobil n anii 60-70 n aplicaii n interiorul vehiculului. Figura 5 arat curba de experien a introducerii materialelor compozite n funcie de timp. Parcursul su, poziiile dobndite (habitaclu i accesorii exterioare) n fazele de dezvoltare n curs (piese de structur) vor permite descrierea diferitele lor domenii de utilizare.

2.1. Habitaclu

In mod global habitaclul unui vehicul este constituit din materiale polimerice i compozite (figura 5) care singure reprezint aproape 50% din cantitatea folosit la un vehicul, att in Europa ct i n Statele Unite.

Principalele aplicaii se refer la bord i scaunul conductorului, la mbrcmintea uilor, garniturile plafonului, tableta din spate, covoarele de la sol i textilele.

Pn de curnd, materialele folosite aveau proprieti mecanice scazute, dar trebuiau nainte de orice s satisfac exigenele de aspect i de inut, de rezisten la razele solare, la zgrieturi i aveau bune proprieti insonorizante.

Principalele materiale utilizate au fost ABS, PVC, spum PUR, termoplaste cu sau fr fibre de sticl. Tehnicile de punere n aplicare se refer mai ales la injecie i termoformare, asociate cu realizarea pieselor sandwich coninnd carton, lemn i fibre de sticl.

Dezvoltrile recente arat o utilizare din ce n ce mai mare a termoplastelor i a cauciucurilor termoplaste pe baz de polipropilen i a fibrelor de origine natural, precum inul, pentru a diminua costurile, masa i a facilita reciclarea.

Tehnicile de punere n aplicare evolueaz ctre procedee ce permit realizarea de piese multimateriale ntr-o singur operaiune, precum procedeul RIM, comulajul, bi-injecia, injecia la presiune sczut, asistat de gaz i compresia sau injecia cu film decorativ n form.

Principalele proprieti i mbuntiri cutate sunt: confortul acustic, percepia tactil, aspectul (materiale colorate i mai rezistente la zgrieturi), limitarea emisiilor (mirosuri i fum). Conceperea pieselor evolueaz i ctre dezvoltarea pieselor gata de montat i care au numeroase funcii: panouri de ui, garnituri de plafon, ansamblul scaunului de conductorului, coninnd plana de bord i consola, spre exemplu.

In timp ce materialele compozite de structur erau relativ excluse din habitaclu, utilizarea lor frecvent ar trebui s creasc destul de mult n viitor pentru a atinge obiectivele de uurare n curs de definitivare a armturilor scaunelor, a structurilor planelor de bord i a mecanismelor uilor unde prile metalice vor fi nlocuite cu materiale compozite de tip TRE, SMC sau S-RIM/RTM.

2.2 Accesorii exterioare

Figura 5 arat c materialele compozite sunt de asemenea larg folosite pentru realizarea principalelor accesorii exterioare a vehiculelor (ele reprezint aproape 20% n mas a materialelor polimerice i compozite prezente la un vehicul).

Principalele aplicaii se refer la: capace de roi, calandre, grile de aerisire, elemente de protecie a motorului, retrovizoare, semnalizatoare, tergtoare, indicatoare, eleroane, mnere de ui,etc.

Materialele folosite sunt n principal termoplaste cu sau fr fibre, foarte adesea vopsite i lcuite pentru a asigura o bun inut la intemperii. Materialele cele mai ntlnite sunt urmtoarele: ABS. ABS/PC, PP, PET, PA, PC/PBT, PMMA i cauciucuri termoplaste. Piesele sunt realizate n principal prin injecie.

Capacele reprezint n acelai timp piesele cele mai importante i cele care au evoluat cel mai mult de 20 de ani. Primele capace nemetalice au aprut n 1972 pe Renault 5: erau din SMC nevopsit i aveau o funcie structural. De la aceast dat, barele paraoc din oel au disprut complet. Capacele compozite au evoluat foarte mult n cursul timpului la nivelul materialelor utilizate i al funcionalitii lor. Evoluia materialelor se caracterizeaz prin introducerea (fr cronologie i adeseori n mod concomitent) a materialelor compozite urmtoare: SMC vopsit, PP/EDPM, PC/PBT, RIM PUR n funcie de concepia structural a piesei.

Evoluiile viitoare se vor referi n principal la materialele colorate n mas (actualmente vopseala reprezint n medie 50% din preul unei piese din plastic) i materialele avnd o mai mare stabilitate termic pentru a limita jocurile de caroserie i a proiecta utilizarea pieselor mari din ce n ce mai integrate n caroserie. Tehnicile de punere n folosire evolueaz de asemenea ctre procedee ce permit realizarea pieselor multimateriale ntr-o singur operaie precum bi-injecia, injecia asistat de gaz i injecia cu film decorativ n form sau diminund presiunile de injecie precum injecia secvenional.

O nou funcie ar trebui s se dezvolte i s prelungeasc nlocuirea din ce n ce mai frecvent a sticlei cu policarbonat pe faruri, spre exemplu vitrajul plastic pentru a obine uurare, o mai mare vitez, o mai mare libertate de stil i o mai bun reciclare.

2.3.Compartiment motor

Folosirea materialelor compozite la compartimentul motor este n plin evoluie cum arat figura 5. n timp ce utilizarea lor este de mai bine de 20 de ani elemente ca: filtru de aer, baterie, rezervorul i carenajul radiatorului, o puternic cretere apare pentru noile aplicaii tehnice la motor. Aceasta se refer n principal la colectoarele de admisie, rampele de injecie, capacele de chiulas, carcasele de ieire i de intrare a apei, turbinele pompelor ap, clapetele de aer, carterele de ulei i anumite rotie n care adeseori aluminiul este nlocuit de materiale ca: PA6, 46 , 66, PPS, SMC/BMC, PPA.

Aceste materiale trebuie s aib bune proprieti mecanice (de unde prezena fibrelor de sticl de 30...50%) s reziste la temperaturi mai mari de 100-120 C, la ocuri termice, la vibraii, la ocuri de montaj sau de dup vnzare i la fluide agreive (uleiuri, carburani, lichid de frn i de rcire). Aceste constrngeri pot limita utilizarea lor dar ele nu reprezint constrngeri n msura n care sunt bine luate n calcul la conceperea noilor piese: desen adaptat, fixri prevzute cu inserii, garnitur de etanare corect dimensionat, materiale perfect selecionate i validate. Ctigul de mas, de ordinul de 50% este totui destul de slab n valoare absolut, cci aceste piese, cu toate funciile, nu reprezint dect 8-10% din masa unui motor. Ctigurile economice de ordinul 20...30% scontabile (absena uzinajului, integrarea de funcii) ca i ctigurile de performan (izolare termic i fonic, performanele motorului).

Evoluiile viitoare vor fi asociate cu evoluia conceperii la nivelul integrrii ntr-o singur pies a funciilor precum colector/injecie/filtrare de aer, capac de chiulasa i cu cercetri de ameliorare a design-ului compartimentului motor. Se preconizeaz c peste 5...10 ani marea majoritate a vehiculelor vor fi echipate cu colectoare compozite.Exemple: Se pot evidenia dou ncercri n cursul anilor 80 pentru a realiza un motor aproape n ntregime din materiale compozite.

Polimotor n 1980:

-motor de 2,3 litri, 76 kg de compozite;

ctig de mas de 68%, diminuarea zgomotului cu 20-30% i a consumului cu 10 la 12%.

Proiectul Brite Euram de Ford UK n 1987:

motor cu piese din RTM epoxi: doi perei, carter cilindru, carter de distribuire, carter de ulei, capac de chiulas;

asamblare prin nurubare i lipire;

pre: - 5%, emisie hidrocarburi: -20%, zgomot: -30%, mas n raport cu aluminiul 10%, mas n raport cu fonta: -30%.

Totui aceste proiecte n-au avut urmri industriale din lips de rentabilitate economic legat de costurile de fabricaie n serie mare, prea ridicate.

2.4. Piese de caroserie

De muli ani (din anii 30...50) constructorii de automobile au cutat s introduc panouri de caroserie din materiale compozite. La nceput, era vorba de vehicule construite n serii mici a cror caroserie era realizat n totalitate sau n parte adeseori manual, cu rini poliester pe baz de fibre de sticl (vehicule sport). Efectele de stil i ctigurile economice (absena uneltelor i a preselor de tanare) constituiau obiectivele principale. n Europa, introducerea panourilor nemetalice n serie mare dateaz din 1955 cu comercializarea lui Citroen DS, echipat cu un pavilion din rin poliester/fibre de sticl. Apoi Citroen inoveaz din nou (1982) cu BX, echipat cu o capot, cu un capac i laterale din SMC/BCM (mulaj prin compresie i injecie). Demersuri similare se produc in Statele Unite la 3 constructori americani.

Prin ameliorarea stapnirii tehnologiilor SMC i BMC, constructorii americani i europeni au experimentat, fie parial fie cu o anumit continuitate, pe ansamblul gamei lor, utilizarea n serie mare a panourilor de caroserie precum capota, aripile din fa i din spate, panourile uilor, portbagaj.

Caroseriile sunt realizate:- fie juxtapunnd panourile din oel i panourile compozite termorezistente: conceperea vehiculului i procedeele de fabricare rmn tradiionale;

- fie n ntregime cu panouri compozite: conceperea vehiculului i procedeele de fabricaie sunt specifice.

Tot n anii 80 i paralel cu dezvoltarea materialelor termorezistente, constructorii americani experimenteaz (GM Fiero General Motors n 1982) i lanseaz n serie aplicaii realizate din termoplaste (GM Saturn: aripile din fa i din spate, panouri de ui (ABS/PC +ncrcturi)cu un ritm de producie de aproximativ 1000 vehicule pe zi). Pentru aceste vehicule o concepere i o industrializare au fost deja puse n practic.

La nceputul anilor 90 se produce rspndirea mai larg a folosirii materialelor compozite (aliaje) termoplaste injectate, mai ales aripile din fa, n Statele Unite (GM i Ford) i n Europa Renault Clio 16S n 1992 (50 vehicule/zi) Renault Megane Scenic n 1996 (1500 vehicule/zi) Mercedes Classe A n 1998 (aripi i inveliul portbagajului), Rover Freelander, Volkswagen New Beetle. Pentru toate aceste aplicaii europene materialul folosit este un aliaj termoplastic PPO/PA.

Exemplu: n cazul aripilor de la Megane Scenic, ctigul de mas este de 55% (arip oel=2,5 kg; arip compozit=1,2 kg) pentru investiii reduse la jumtate i un cost pe pies echivalent. Procedeul simulrii injeciei i al dimensionrii pieselor a contribuit mult la reuita acestor piese.

Evocarea acestei lente evoluii arat c introducerea materialelor compozite n caroserie pentru vehicule de serie mare este la nceputul fazei sale de cretere (figura 5) i c paleta soluiilor folosite (produs/procedeu) este vast: RTM, SMC, BMC, RIM/R-RIM, PUR, aliaje termoplaste (PC/PBT, PPO/PA, ABS/PC, PET, PP, PA/ABS) cu procedee de punere n aplicare prin compresie i injecie. Dezvoltrile viitoare lrgesc i mai milt alegerile soluiilor posibile: fibre de carbon, fibre naturale, TRE, termoformate, SMC flexibile, materiale compozite n mas, lcuite sau nu (Mercedes Smart) noi aliaje termoplaste.

Se observ, de asemenea, c aplicaiile sunt foarte variate, fr continuitate evident i arat c soluiile sunt nc ntr-o faz de experimentare n care fiecare caut s evalueze fezabilitatea tehnico-economic a soluiilor de mai sus prin experiene a cror rentabilitate industrial nu este neaprat o prioritate.

Fiecare aplicaie, mai ales n caroserie, este de fapt un caz particular unde, numeroi parametri ce interacioneaz ntre ei, sunt de luat n consideraie:

prestaia client intit;

cadena legat de procedeul de transformare, caden prevzut pentru vehicul;

numr de piese de produs (complexitatea i durata de via a formelor);

investiiile existente sau viitoare n legtur cu o fabricare intern sau extern;

funcionalitatea piesei (integrarea funciei, jocuri admise, pies de nveli care nu lucreaz, aripa spre exemplu, sau pies semistructural, capot sau portbagaj spre exemplu);

procedee de fixare pe vehicul (gestionarea dilatrilor difereniale i stapnirea jocurilor, caroseria multimaterial sau monomaterial);

conceperea vehiculului i locul de introducere a piesei pe lanul de asamblare: n tabl, ntre cataforez i lac n asociere cu alegerea vopselii piesei n linie cu vehiculul; (gestiunea meninerii temperaturii n instalaiile de vopsire) sau cu asamblarea piesei n afr liniei (gestiunea acordurilor de inut i logistic).

Tendinele viitoare de uurare a automobilului i determin pe toi constructorii s studieze noile aplicaii, mai ales pentru aripi i capota portbagajului (ctigurile de mas de ordinul 30...40% sunt ateptate, fie 3...5 kg/vehicul). Se prevd noi schimbri, asociind termoplastul/termorezistent/aluminiu, n anii urmtori.

2.5. Piese de structur

Aa cum arat tot figura 5, ptrunderea materialelor compozite pentru aplicaii structurale este foarte variabil dup nivelul de performan dorit.

Pentru piesele semi-structurale (bare de protectie, nveliul motorului, pedale, partea din fa, plafon retractabil, parabole pentru faruri), nivelul de cretere este atins:

( Barele antioc: pentru aceste aplicaii se folosesc bare structurale n spatele unui nveli de plastic. Aceste bare, montate pe o mare majoritate de vahicule sunt realizate din SMC, RTM, S:RIM, TRE, chiar mai recent din PP+ fibre de sticl lungi. La izoperforman, ctigurile de mas pot atinge 50%. Materialele compozite sunt actualmente in mare concuren cu aluminiul pentru aceast aplicaie.

( Carenajul sub motor: cutarea unei mai bune izolri fonice la compartimentul motor i caracteristicile aerodinamice mai performante au dus la generalizarea carenajului sub motor. Acestea sunt realizate n general din TRE, din PP+fibre de sticl scurte i chiar mai rar din SMC.

( Pedalele: numeroi constructori europeni folosesc pedalele de acceleraie i de ambreiaj realizate prin injecie din PA+fibre de sticl (reducerea masei de 50% i a costului cu 10%).

( Prile din fa: numeroi constructori din Europa (PSA, Volvo, grupul Volkswagen, Renault) i din Statele Unite (Ford, GM) i echipeaz unele din vehicule cu pri din fa tehnice (suport de radiator, de ventilator, de canalizaii, faruri) realizate din materiale compozite i mai ales TRE. O aplicaie recent a artat c poate fi avantajos (ctig de cost i de mas) s se nlocuiasc TRE printr-o structur realizat prin acoperirea unui suport metalic cu un termoplast (PP).

n plus, folosirea acestui tip de pies permite ctig de timp la montare n msura n care conceperea i modul de asamblare sunt adaptate.

Exemplu: n cazul mtii din fa de la Renault Safrane (SMC+28% fibre de sticl) piesa compozit permite reducerea la jumtate a investiiilor: 1 utilaj/36 din oel, integrarea a 9 piese, suprimarea a 40 de puncte de sudur i reducerea masei cu 20%; costul piesei fiind n mod sensibil identic.

( Cadrele pentru plafonul retractabil: mai muli constructori europeni au folosit tehnologia SMC pentru aceast aplicaie (BMW, PSA, Mercedes, Fiat, spre exemplu).

( Parabole de far: numeroi constructori europeni folosesc buna stabilitate termic a BMC pentru aceast aplicaie.

Pentru piesele de suspensie i transmisie (foi de arc, arbori de transmisie) se fac experimentri de mai muli ani, dar o generalizare pe serie mare nu a avut nc loc:

( Foilele de arc: de vreo 20 de ani, anumii constructori folosesc la puntea spate foi de arc (longitudinale sau tansversale) din material compozit constituit dintr-o matrice epoxi cu fibre de sticl unidirecionale (50/50 n volum). Ele sunt realizate prin compresie pornind de la nite scheme obinute prin nfurare filamentar sau din benzi preimpregnate. Performanele lor de flexiune (suspenie) sunt excelente (modulul n flexiune al materialului de aproape 70 000 MPa), dar comportamentul lor la tiere este mediocru, ceea ce exclude orice aplicaie n ghidaj (puntea din fa).

De exemplul, la izoperforman, n raport cu oelul ctigurile de mas sunt apreciabile: - 15...20 kg/vehicul, la izocost pentru vehiculele utilitare de tip Renault Trafic i Master.

( Arborii de transmisie: este vorba de arborii longitudinali pentru vehicule 4x4 realizate prin nfurare filamentar (fibre de sticl i/sau de carbon cu rsin epoxi). Ctigul de mas este important n raport cu oelul. Palierul intermediar poate fi suprimat ceea ce amelioreaz performanele acustice. Dimpotriv, din cauza caracteristicilor mecanice intrinseci mai slabe a compozitelor n raport cu oelul, diametrul trebuie s fie mai mare.

Pentru piesele care intr n structura real a vehiculelor, numeroase mbuntiri au fost studiate de constructori dar trecerea n serie nu este chiar efectiv astzi.

Principalele experine n curs de desfurare, se refer la:

structura scaunelor unde ctigurile de mas de ordinul 50% sunt de ateptat;

podeaua din spate i locul roii de rezerv: 2 vehicule VW Audi (100 i A8 din SMC) sunt din materiale compozite dar aceast experien nu pare a avea urmri. De semnalat de asemenea podeaua proiectului Renault Mosaic (1990) cu o suprafa de 4 m2, realizat din doi perei S.RIM PUR/poliester de 3 mm grosime i asamblat prin lipire ca i podeaua Z1 de la BMW.

Masca din fa: studiile la Renault i Ford n cadrul proiectului Mosaic (SMC+50% fibre de sticl);

Traversa planei de bord: nu exist aplicaie acum n Europa, dar Ford folosete o travers din SMC care servete la conducerea aerului i travers de structur;

Placa care separ compartimentul motor de habitaclu;

Jante de roi;

Organe de suspensie realizate nainte prin tehnologii RTM; Portiere (cadru i nveli);

Carenajul motorului;

Partea din spate, care grupeaz tampoane laterale, podeaua i portbagajul.

Evoluiile viitoareCum s-a artat n paragraful 2, folosirea materialelor compozite n automobil a dobndit poziii de necontestat n mai multe domenii n care ntoarcerea la materiale metalice pare puin probabil (nveliul interior, accesorii exterioare, anumite funcii mecanice sub cadru i sub motor).

Dimpotriv pentru piesele de caroserie i de structur exist nc un puternic potenial de cretere i aceasta cu att mai mult cu ct obligaiile viitoare n termeni de masa uoar, flexibilitate i micorare a invstiiilor de producie n relaie cu diminuarea previzibil a mrimii seriilor vor deveni din ce n ce mai constrngtoare.

Noi aplicaii structurale ca cele menionate la sfritul paragrafului 2.5. ar trebui s apar n curnd la viitoarele vehicule. Ele sunt n curs de studiu la majoritatea constructorilor europeni i americani.

Noi experiene sunt n curs n privina realizrii ansamblului structurii vehiculului prin asamblarea ctorva piese compozite (4, 6 panouri) vopsite n mas sau nu, ca de exemplu vehicului Tulip din PSA (tehnologie RTM/poliester+sticl cu nucleu n spum PUR rigid). Compoite Concept Vehicle de la Chrysler (compozit termoplastic injectat de tip PET vopsit n mas) sau Prototype Compoite Minivan de la Ford (partea din fa din aluminiu, 5 piese de structur din RTM+ sticl cu nucleu n spum PUR rigid, panouri de caroserie din SMC; totul fiind asamblat prin lipire).

Asemenea abordri, dei nc futuriste, sunt importante cci las s se ntrevad o folosire maxim a potenialului compozitelor asociat cu o repunere n cauz a conceperii i asamblrii vehiculelor. Asemenea vehicule n ntregime sau n parte modulare vor trebui s fie asamblate n uzine noi i poate specifice n care vopirea n linie va fi repus n cauz.

Pentru a atinge asemenea obiective nu este necesar s se dezvolte noi molecule ci trebuie jonglat cu posibilitile extrem de variate de combinaii de materiale diferite (aliaje de polimeri) de asociaii de materiale diferite (comulaj, bi-injecie, concepte mixte metal/compozite) de optimizare a costurilor materialelor de nalt performan cu potenial nalt precum fibrele de carbon, dezvoltarea materialelor compozite cu matrici termoplaste cu fibre de sticl lungi i a multimaterialelor de tip spum sau fagure inserate ntre plcile compozitelor.

De altfel, va trebui s se depeasc dificultile tehnico-economice, culturale i industriale enunate n 1.4. i s se ia n considerare exigenele expuse n 2.4. (piesele de caroserie).

4.ConcluziiDescrierea folosirii materialelor compozite n diferite domenii constitutive ale unui automobil arat c acestea ajut la satisfacerea evoluiilor tehnico-economice dorite de constructori i noile exigene ale clienilor.

Totui aceste materiale nu sunt dect una dintre componentele unui vast sistem interactiv care trebuie s in seama de procedeele de punere n aplicare fundamentale pentru compozite a tehnologiilor, de existena ncercrilor de validare sau de cunoatere a legilor de comportament, a posibilitilor de modelare sau de simulare, cci ceea ce-l intereseaz pe inginer nu este materialul, ci piesa sau funcia care trebuie s rspund la exigenele caietului de sarcini. Introducerea acestor materiale se face printr-un proces de optimizare, n mod progresiv i lent pentru vehiculele de serie mare sau n mod mai lent pentru cele de serie mic.

Materialele compozite sunt n competiie cu cele metalice ale cror proprieti i procedee de punere n aplicare nu nceteaz s evolueze: tabl de oel de nalt rezisten i cu nalt limit de elasticitate, tabl din aluminiu, aluminiu i magneziu sub presiune.

Pentru a crete competitivitatea materialelor compozite i a profita la maxim de avantajele lor, vor trebui s se fac progrese n cele 4 direcii urmtoare:

dezvoltarea tehnologiilor produse/procedee adaptate la producia n serie mare;

cautarea unei adecvri mai bune ntre prodeceul industrial al constructorului i specificitile materialelor compozite;

evoluia proceselor de studiu pentru a nu folosi doar oelul ci multimaterialele;

stpnirea simulrii procedeelor de punere n aplicare, a dimensionrii i a comportamentului dinamic.

5. Bibliografie

1. GIOCOSA, A. Les composites dans lindustrie automobile.2. COLE, G., GOLOVOY, A., JERYAN, R., DAVIES, G. Light weight materials for automotive aplication. Steel World, 1997.3. ILIE, S. Stadiul actual privind materialele i tehnologiile neconvenionale pentru automobile Referat I din stagiul de pregtire la doctorat, Piteti, 2003.

4. ILIE, S. Metode i mijloace pentru studiul confortabilitii i siguranei pasive la autoturisme Referat II din stagiul de pregtire la doctorat, Piteti, 2003.

5. Hubca Gh., Horia I, Tomescu M., Iosif Daniel Roca , Novac O.A.,Ivnu Gh.,

- Materiale compozite, Editura Tehnic, 1999, Bucureti

6. Ispas , - Materiale compozite, Editura Tehnic, 1987, Bucureti.

Figura 1 Evolutia cotelor de utilizare a materialelor polimere i

compozite (in afr de tabla i cauciuc).

Fmed efort mediu (permind caracterizarea strivirii n regim permanent)

Fmax efort maximal (mrime dimenional pentru material)

Eabs energie total absorbit pe deplasarea total

Deplasare total: cursa maxim de strivire fixat constant

Figura 2 - Absorbia de energie a uni material tip SMC/BCM.

a) b)

Influena costurilor de fabricaie ale pieselor

Influena volumului produciei asupra costurilor de fabricaie ale pieselor

Figura 3 Schema de descompunere a costurilor i influena volumului de producie.

Evoluia pentru SMC din 1986 n 1996

Timp de ciclu: 135s90s

Rebut piese: 10% la 5%

Deeuri de materie 5% la 2%

Figura 4 Comparaia costurilor unui panou de caroserie SMC/oel n funcie de volumul de producie.

PAGE 1

_1177412224.unknown

_1177264427.unknown