A kevesebb sokszor több
Szálerősítésű anyagok növelik az erőforrás-hatékonyságot
2016. szeptember 21., szerda, 06:00
Címkék: autógyártás autóipar K-2016 K-Düsseldorf kompozit könnyűszerkezet műanyag műanyaggyártás műanyagipar szénszál
A könnyűszerkezetes konstrukciók adják a 2016. október 19–26. között rendezendő K-Düsseldorf szakvásár egyik legfontosabb témakörét. A fókusz egyre inkább az üvegszálas műanyag kompozitokból készült anyagokra kerül.
A könnyűszerkezetes gyártás – főleg a repülőgépiparban elérhető üzemanyagfogyasztás-csökkenés miatt – révén elérhető megtakarítások már jó ideje ismertek a fejlesztő- és gyártómérnökök számára. Egyre gyakoribb a szén, pontosabban a szénszállal erősített műanyagok (CFK) felhasználása. A könnyűszerkezetes anyagokból készült gyártással elérhető megtakarítás elég magas ahhoz, hogy vállalhatóvá tegye az anyagok magas gyártási költségét. A könnyűszerkezetes gyártás egészen a közelmúltig mégis réspiac maradt, hiszen a repülőgépek nem tömeggyártással készülnek. Az elmúlt néhány évben mindez megváltozott. Az iparban egyre több szó esik a könnyűszerkezetes gyártásról, főleg a nagy mennyiségben és sorozatban termelő autóipar igényei miatt.
Napjainkban az autóipar a könnyűszerkezetes konstrukciók vezető felhasználója, nem utolsósorban külső ráhatások miatt. Az EU klímapolitikájának részeként a gépjárműipar is köteles csökkenteni a járművek károsanyag-kibocsátását. Az idevonatkozó EU-rendelet előírja a 2030-ig a CO2-kibocsátás lépésről lépésre történő csökkentését. 2020-ban a CO2-kibocsátást már kilométerenként átlagosan 95 gramm alá kell szorítani. A cél nemteljesítése súlyos büntetéseket von maga után.
A motorra és az aerodinamikára vonatkozó fejlesztéseken kívül a cél a karosszéria súlyának csökkentésével is elérhető. „A könnyűszerkezetes gyártással elérhető megtakarítási potenciál hatalmas. Egy modern jármű esetén a tömeg felel az üzemanyag-fogyasztás 22 százalékáért – jelentette ki Matthias Graf, a Dieffenbacher gépipari vállalat kompozitanyagokért felelős technológiai és üzletfejlesztési vezetője. – Az aerodinamika törvényei már régóta ismertek, ezért ezen a területen már korlátozott a fejlesztési potenciál. A könnyűszerkezetes gyártás azonban még csak most indult el.” 2010 óta azonban ezen a téren is messzire jutottunk el, lehetségessé vált például a szénszállal erősített műanyagok teljes mértékben automatizált gyártási folyamata, ami a sorozatgyártás alapja.
A kibocsátáscsökkentésre kiadott EU-célok erős lökést adtak a könnyűszerkezetes anyagok autóipari felhasználására. De a téma mégsem teljesen új: ha a könnyűszerkezetes gyártás nem lett volna prioritás a múltban, a modern autók most lényegesen nehezebbek lennének. „A modern járművek sokkal összetettebb biztonságtechnikát, elektronikát és kényelmi összetevőket tartalmaznak, súlyuk mégis csak viszonylag kis mértékben növekedett” – összegezte Peter Egger, a fröccsöntő gépeket gyártó osztrák Engel könnyűszerkezetes kompozit technológiai központjának vezetője.
Hozzájárulás a fenntarthatósághoz
Ha egy alkatrész súlya csökken, kevesebb energiára van szükség annak megmozdításához. Ezért a könnyűszerkezetes gyártáson alapuló megközelítés már önmagában is hozzájárul a fenntarthatósághoz. Elvárás azonban, hogy a kompozitanyagok gyártási folyamata is az energiafelhasználás szempontjából optimalizált legyen. Ha a gyártáshoz túl sok energiát használunk fel, a fenntarthatósági mérleg rossz irányba mozdul.
A szénszállal erősített műanyagok még mindig hátránnyal küzdenek az újrahasznosíthatóság szempontjából. Ha a szénszálakat hőre keményedő műanyagba ágyazzuk be, később nehéz lesz a kompozitot az eredeti összetevőkre szétválasztani. Jelenleg nincs is nagyüzemi újrahasznosítás, amely a szénszálak műanyagtól történő elválasztását és az egyes alkotórészek újrahasznosítását célozná. Az ehhez szükséges pirolízis jelen pillanatban még egyszerűen túl drága lenne. Az újrahasznosítás kérdése azonban különböző szempontok szerint vizsgálható. „Az Engelnél nagyrészt hőre lágyuló rendszereket alkalmazunk a kompozitanyagokhoz, és kiválóan újrahasznosíthatók. Gyakran előfordul, hogy az anyag regranulálható és újra felhasználható a fröccsöntési folyamat során” – magyarázta Egger.
A 2012-es yeosui (Dél-Korea) Világkiállításra épült pavilon üvegszállal erősített műanyag lamelláinak rugalmas deformációja mozgásba hozza az épület homlokzatát
Az újrahasznosítási probléma kezelhető úgy is, hogy kevesebb CFK-anyagot használunk a könnyűszerkezetes gyártás során. „El kell gondolkodnunk a 100%-ban újrahasznosítható tiszta műanyagok autóipari felhasználásáról” – mondta ezzel kapcsolatban Klaus-Peter Welsch, a Geiss AG értékesítési és IT-vezetője. Véleménye szerint a műanyagok felhasználása nagy lehetőségeket teremt, hiszen az autókban tovább növelhető azok alkalmazási arány, így a gépkocsik súlya lányegesen csökkenthető. Gondoljunk például a nemszőtt anyagok fokozott használatára. A kerékdobban a nemszőtt anyagok használata megszünteti a zörgést, és könnyebb, mint a hagyományos anyagok, például az acél vagy az alumínium. A nemszőtt anyagok használata a hangszigetelés terén is előnyös. Tiszta polipropilén szálakat tartalmaznak, amelyek 100%-ban újrahasznosíthatók.
Az alkalmazási területek száma szinte végtelen
A kompozitanyagok és az általuk megvalósítható könnyűszerkezetes gyártás iránt a repülőgép- és az autóiparon kívül is nagy kereslet mutatkozik. Egy ilyen viszonylag új alkalmazási terület az építőipar. Németországban kormányprogram is indult a szén- és betonkompozitok felhasználásának támogatására, amely a beton multiaxiális erősítőanyagokkal történő megerősítésének lehetőségeit kutatja. A szénszálas konstrukció jelentősen könnyebb és nagyobb teherbíró képességgel rendelkezik, mint a hagyományos betonacél merevítés. A szénszálas beton szabad formájú épületek létrehozását teszi lehetővé minimális betonvastagság mellett, ezenkívül megszünteti az acél korrózióvédelmének szükségességét is. A beton volumenének jelentős csökkenése az erőforrások megőrzéséhez is hozzájárul.
A szénszálas betonkompozit jelentősen könnyebb és nagyobb teherbíró képességgel rendelkezik, mint a hagyományos betonacél merevítés
A projektben a KARL MAYER textilipari gépek gyártója is részt vesz. „Mi elsősorban biaxiális (keresztirányú, egymáshoz képest 90°-ban futó szálak) erősítőanyagokkal merevített beton gyártásával foglalkozunk” – ismertette Jochen Schmidt, a KARL MAYER Technische Textilien GmbH vezérigazgatója. A biaxiális szövet rácsszerkezetű, hossz- és keresztirányban teherbíró kialakítású. „A gyártás során alapkutatásokat is végzünk a betonon” – tette hozzá Schmidt.
Egy híd rekonstrukciója általában úgy történik, hogy egy újabb betonréteget tesznek rá, amelyet acéllal erősítenek meg. Az acél szénnel történő helyettesítése jelentősen csökkentené a súlyt és az anyagfelhasználást, vagyis a hidat hasonló vagy még alacsonyabb áron lehetne felújítani.
A szálerősítésű kompozitok nem korlátozódnak a szénre
Az elmúlt években magas növekedési ráta volt megfigyelhető a szénszál-erősítésű műanyagok gyártásában. Az anyag felhasználása azonban a kompozitpiacon még mindig meglehetősen alacsony, mindössze egy százalék. A globális termelés vezető pozíciójában 95 százalékkal egyértelműen az üvegszál-erősítésű műanyagok állnak, melyek legnagyobb gyártója Németország. A kompozit alkatrészekből épült szélturbinalapátok jellemzően üvegszál-erősítésű műanyagokból készülnek, hiszen egy hasonló acéllapát túlságosan nagy súlyt képviselne. Amennyiben nem szálerősítésű műanyagok kerülnének felhasználásra, a lapát nem bírná ki a később ráható erőket. A multiaxiális erősítőanyagok felveszik a forgó lapát rendkívül nagy centrifugális erőit, és hosszú távon is biztosítják a stabilitást.
Nagy potenciál fél áron
A szénszálakkal megerősített műanyagok hatalmas lehetőségeket rejtenek magukban a könnyűszerkezetes konstrukciók gyártása terén, előállításuk azonban még mindig meglehetősen drága. A kutatások ebből kifolyólag a komponensalapú fejlesztés során létrehozható jobb anyagtulajdonságok megtalálására irányulnak. Emellett óriási lehetőségek vannak kiaknázatlanul a gyártási hulladék csökkentése és a folyamatok energiahatékonyságának növelése terén is. A költség-összehasonlítások mindeddig jórészt a kilogrammonként számolt anyagköltségre vonatkoztak. „A funkciók közötti integráció létrehozásának lehetősége, valamint a csökkentett súly által a használat közben elérhető megtakarítás függvényében elvégzett költségszámítás más összképet hozna ki – fejtette ki Matthias Graf. – Hiszünk abban, hogy a szénszálakkal megerősített műanyag alkatrészek gyártási költsége egy évtized alatt a felére fog csökkenni.”
.jpg)
