Az autóknak nagy a súlyuk. Jelenleg egy középkategóriás autó súlya 1,2 és 1,5 tonnás. Egyes modern mechanizmusok, például a légzsákok, a blokkolásgátló fékrendszerek, a parkolássegítő rendszerek, az elektromos ablakemelők, a légkondicionáló és a szervokormány nemcsak növelik a biztonságot és a kényelmet, hanem jelentősen nagyobb súlyt is adnak. Az 1970-es évekből származó hagyományos személygépkocsi súlya azonban 700–900 kilogramm volt.

fogyás

Minél nagyobb az autó súlya, annál több üzemanyagot fogyaszt és annál több szén-dioxidot bocsát ki a légkörbe, ezért a ritkuló útvonal mind a sofőrök, mind a környezet számára előnyös lenne. Ha eltávolítunk 100 kilogrammot egy autóból, az üzemanyag-fogyasztás 0,3 és 0,6 liter/100 kilométer között csökken, a jármű típusától és a vezetéstől függően, ráadásul a szén-dioxid-kibocsátás kilométerenként hét és tizenkét gramm között csökken . Más előnye is van: a könnyebb autók jobban gyorsulnak és jobb stabilitást kínálnak a kanyarban.

"Azokban az időkben, amikor az erőforrások egyre fogynak és növekszik a környezet iránti aggodalom, a könnyűszerkezetes építés a repülőgép- és gépjárműgyártás és a gépgyártás jövőjének egyik legfontosabb technológiája" - hangsúlyozza Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka, az újonnan létrehozott Fraunhofer Könnyűépítő Szövetség szóvivője, amelyben 14 intézet osztja meg tapasztalatait (lásd a keretet). „A könnyű felépítés azt jelenti, hogy az alkatrész súlyát csökkenteni kell, miközben megtartja annak megfelelő merevségét, dinamikus stabilitását és szilárdságát. Hanselka szerint ily módon biztosítható, hogy a kifejlesztett alkatrészek és struktúrák hasznos élettartama alatt hatékonyan teljesítsék feladatukat. Ezenkívül a megfelelő anyagot használják a megfelelő helyen, ezt hibrid anyagok tervezésével érik el. "A szövetség célja tehát az egész fejlesztési lánc lefedése, az anyagok és termékek fejlesztésétől kezdve az alkatrészek és rendszerek sorozatgyártásáig a termékek jóváhagyása és telepítése érdekében".

Fraunhofer Szövetség a könnyű építésről

Tizennégy intézet egyesítette erőit a Fraunhofer Könnyűépítő Szövetségben (www.allianz-leichtbau.fraunhofer.de). A kutatók új anyagokon és kompozitokon, gyártási és összekapcsolási technikákon, funkcióintegráción, tervezéstechnikán, valamint roncsolásmentes és roncsolásos vizsgálati módszereken dolgoznak a könnyűszerkezetes építéshez.

A Szövetség tagjai a következők Fraunhofer Intézetei:

- Nagy sebességű dinamika, Erns Mach Intézet, EMI, Freiburg

- Kémiai technológia, IKT, Pfinztal

- Lézertechnika, ILT, Aachen

- Gyártástechnika és alkalmazott anyagok tanulmányai, IFAM, Bréma

- Szilikátkutatás, ISC, Würzburg

- Ipari matematika, ITWM, Kaiserslautern

- Anyagmechanika, IWM, Freiburg, Halle

- Gerenda anyaga és technikája, IWS, Drezda

- Szerszámgép és edzéstechnika, IWU, Chemnitz

- Közlekedési és infrastrukturális rendszerek, IVI, Drezda

- Roncsolásmentes tesztelés, IZFP, Saarbrьcken

- Strukturális tartósság, LBF, Darmstadt

- Környezetvédelem, biztonság és energiatechnika, UMSICHT, Oberhausen

- Integrált áramkörök, IIS, Erlangen

Az optimális könnyű anyagok segítenek csökkenteni a súlyt, és az elmúlt években az autógyártók elsősorban az alumínium könnyűszerkezetére összpontosítottak. Míg 2000-ben egy autó körülbelül 100 kilogrammot tartalmazott, addig ez a mennyiség 140 kilogramm. A magnézium súlya még kevesebb, mint az alumíniumé, de sajnos számos hátránya van. Bár könnyű, csak alacsony terheléseket képes ellenállni, és rendkívül gyorsan rozsdásodik is, ezzel csökkentve felhasználási lehetőségeit. A szálas műanyag kompozitok (FCP) különösen könnyűek és nagyon stabilak. Üvegszál, szénszálak vagy más anyagok műanyag mátrixba történő integrálásával készülnek. Az igényektől függően a szálak többféle rétegben, egymástól eltérő irányban helyezhetők el, lehetővé téve ezzel az alkatrészek tulajdonságainak optimális illesztését az adott alkalmazáshoz.

A szénszálerősítésű műanyagok (CFRP) nagyszerű lehetőségeket rejtenek a könnyűszerkezetes kivitelezésben. 60 százalékkal könnyebbek, mint az acél, és körülbelül 30 százalékkal könnyebbek, mint az alumínium. További előnye, hogy nem rozsdásodnak és sokkra hajlamos szerkezetekben alkalmazhatók. A szálerősítésű műanyagok ma már jól elterjedtek a repülőgépgyártásban, és például az Airbus A380-ban a szerkezeti tömeg 20 százalékát teszik ki. A Boeing az első nagy kapacitású repülőgépet építi, nagyrészt szálerősítésű műanyagból. A könnyű konstrukciónak köszönhetően a 787-es - más néven „Dreamliner” - súlya körülbelül 20 százalékkal kisebb lesz, mint a hasonló hagyományos repülőgépeké. Az új Airbus A350 XWB törzse szintén nagyrészt szénszállal erősített műanyagból készül.

A Forma-1-ben évek óta használják a CFRP-t. A versenyautók a motor, a keréktartók és a sebességváltó mellett szinte kizárólag szénszálból készülnek. Összesen akár 20 különböző típusú szénszálas szövetet használnak. Most a pilóták sisakjait is CFRP-ben gyártják; egyikük tavaly megmentette Felipe Massa életét, amikor egy 800 grammos acélrugó a fejébe ütötte a Magyar Nagydíj selejtezőjén. A mindössze 1,3 kilogrammos sisak nagyon jól csillapította az ütést.

Szén sorozatgyártású autókhoz

Azonban továbbra is nagy szükség van a kutatásra és fejlesztésre, mivel a CFRP-ket teljesen más módon gyártják és dolgozzák fel, mint a fémeket. Az anyagok szövik, tapadnak és megkeményednek. Fő előnye, hogy a legösszetettebb alkatrészeket is egy darabban lehet gyártani. A könnyű szálkompozitok kínálta óriási lehetőségek kihasználása érdekében a Fraunhofer kutatói olyan koncepciókon dolgoznak, mint például a szálak és textilek megfelelő konfigurációinak megtervezése, innovatív építési módszerek, új szerkezeti koncepciók, anyagok és technológiák. vonalak, amelyek nagyfokú automatizálást biztosítanak a tömegtermelésben.

"A gépiparban és az autóiparban csak akkor lehet szálas kompozit alkatrészeket gyártani, ha ezeket a csúcstechnológiájú anyagokat olcsóbbá lehet tenni" - hangsúlyozza Dr. Frank Henning professzor. A Fraunhofer Vegyi Technológiai Intézet (ICT) igazgatóhelyettese vezeti a karlsruhei Hybrid Light Construction technológiák innovációs klaszterét, az Ausburg Fraunhofer Integrated Function Light Construction projektcsoport mellett.

Az ICT gyártástechnológián dolgozik a hosszú szálerősítésű hőre lágyuló műanyagok (LFT) helyi gyártásának megerősítése érdekében folyamatos szálak felhasználásával. Ezzel a folyamattal alacsony költség mellett integrált funkcióval rendelkező alkatrészeket lehet gyártani. De vajon az e folyamat nyomán gyártott alkatrészek ellenállnak-e a motoros járműben fellépő igénybevételeknek és terheléseknek? A válasz határozott igen. Az iparági partnerekkel együttműködve az IKT-kutatók egy egyedi LFT technológiát alkalmazó elülső szerelőkeretet gyártottak. Ez a rejtett alkatrész támogatja a fényszórókat, a motorháztető reteszelő rendszerét és a ventilátor burkolatát, és bár fémje nincs, megfelel a 64 km/h sebességnél bekövetkező ütközés specifikációinak.

A Frauhofer WISA High Strength projektben részt vevő Frauhofer tudósok megvizsgálták, hogy a szálkompozitok alkalmasak-e olyan alkatrészekre, amelyek ellenállnak a rendkívüli stressznek és fontosak-e a biztonság szempontjából, például az autógumiknak. A felnit öntött lap kompozitból (SMS) készítették. Az SMC-k szénszálerősítésű műanyag szerkezetek, amelyeket összenyomással állítanak elő. Az elvégzett tesztek és számítások azt mutatták, hogy a szálerősítésű műanyagok nagyon jól tolerálják a sérüléseket és egyértelműen felülmúlják az alumínium kerekeket.

Szendvicsek a nagy stabilitás érdekében

"A könnyű anyagok fejlesztése és integrálása nem könnyű feladat, a nagy teljesítményű anyagokat össze kell hangolni az innovatív csatlakozási és gyártási technológiákkal" - mondja Henning professzor, kiemelve a kihívásokat. A KITe hyLITE innovációs klaszterében, a Technologies for Hybrid Light Construction három Fraunhofer intézet (ICT, IWM és LBF) együttműködik az ipari partnerekkel, a Karlsruhei Egyetemmel és a Könnyű Járműgyártás Kompetencia Központtal azzal a céllal, hogy új anyagokat elemezzenek, meghatározzák a szükséges anyagkombinációk és a prototípusok kidolgozása. Megfelelő számítási technikákon dolgoznak az alkatrészek viselkedésének előrejelzésére és a gyártási folyamatok optimalizálására. Kísérleti eredmények alapján a tudósok numerikus modellezést hoztak létre, és kiválóan alkalmas tesztkoncepciókat dolgoznak ki.

A szendvicsanyagok optimális lehetőséget nyújtanak a könnyűszerkezetes építésre nagy területű épületekben, amelyek hajlanak. Rendkívül merev és erős külső rétegekből állnak, amelyeket könnyű mag választ el. Ennek a közös projektnek a keretében a hallei Fraunhofer IWM kutatói nagy teljesítményű szendvicsszerkezeteket fejlesztenek ki CFRP külső rétegekkel és polimer habtartó maggal az elsődleges szerkezetekben történő használatra, amelyek nagy stresszt támogatnak és fontosak a repülőgép biztonsága szempontjából. A kutatók új tesztkoncepciókon dolgoznak annak igazolására, hogy ezek a szerkezetek miként tolerálják a károsodásokat, és speciális számítási módszerekkel elemzik az alkatrészek képességét arra, hogy ellenálljanak a repülőgépekben fellépő váltakozó mechanikai és hőterheléseknek.

Az űrbeli alkalmazások szempontjából minden kilogramm kisebb szerkezeti súly rendkívül fontos. A meghajtórendszerekhez használt anyagokat 2000 ° C feletti hőmérsékletnek tesszük ki, és itt bizonyítják a kerámia mátrixú könnyűszálas kompozitok (Ceramic Matrix Composites - CMC) különleges tulajdonságait. Ezeken a szélsőséges hőmérsékleteken még nagyobb ellenállást mutatnak, mint szobahőmérsékleten, ellenállnak a korróziónak és tolerálják a károsodásokat is. Az IWM kutatói képesek tesztelni ezen anyagok tulajdonságait 2000 ° C-on, és pontosan kiszámolni, hogy mi az optimális elrendezése az erősítő szálaknak és viselkedésük során. Az anyag mikrostrukturális hibáit is figyelembe veszik, mivel ezek kulcsfontosságú tényezők a károsodásokkal szembeni jó tolerancia elérésében. Ezenkívül az alkalmazott módszerek más alkalmazások, például a kerámia féktárcsák javítását szolgálják az autókban.

A Fraunhofer Strukturális Tartóssági és Rendszermegbízhatósági Intézet (LBF) kutatói azt tesztelik, hogy a könnyű építőanyagok képesek-e ellenállni a váltakozó dinamikus terheléseknek a szervizelés során, és hogyan kell ezeket az anyagokat méretezni. Ezen túlmenően kidolgozzák az új anyagokhoz és a strukturális állapotfigyelő rendszerekhez (pl. A repülőgép szárnyaihoz) igazított tervezési koncepciókat, és megvizsgálják, hogy az anyagok mennyire biztonságosak és megfelelően működnek-e. "Csak megfelelő tervezési koncepciók révén lehet új típusú könnyűszerkezeteket előállítani, amelyek többek között nagyfokú funkcionális integrációt kínálnak, például biomikai alapú tervezési filozófiák felhasználásával" - magyarázza Andreas Büter professzor, a központ vezetője. Könnyűszerkezetek versenye az LBF-en.

A könnyű, stabil és korrózióval szemben ellenálló szálerősítésű műanyagok ideális anyagok repülőgépek, autók és szélturbinák számára, de hátrányuk van: bonyolult és költséges a feldolgozásuk, és a munka nagy része még mindig kézi. Ma a Fraunhofer tudósai azon dolgoznak, hogy automatizálják gyártásukat. Például a Fraunhofer Gyártástechnológiai Intézet (IPT) mérnökei kifejlesztettek egy új eljárást, amelynek segítségével a szálerősítésű műanyagok teljesen automatikusan előállíthatók. Ebben a szalagrakási technikában az összetevők egy tekercsről hullanak le. A műanyag szálak kilométer hosszú műanyag szalagokba vannak integrálva, amelyek olvasztható hőre lágyuló anyagból készülnek. A szalagokat több rétegben egymásra rakják, röviddel a szétterítés előtt lézerrel összeolvasztják, majd tömör szerkezetgé tömörítik. Ez stabil alkatrészeket állít elő.

A szálas kompozit anyagokból készült alkatrészek összekapcsolásához optimalizált és gazdaságos összekapcsolási technikákra van szükség annak érdekében, hogy azok ellenálljanak a nagy terhelésnek és megfeleljenek az adott alkalmazás követelményeinek. A Fraunhofer Gyártástechnikai és Alkalmazott Anyag-tanulmányi Intézet (IFAM) kötéstechnikai szakértői dolgoznak rajta. Jelenleg az FCP anyagokat tipikusan a felület aktiválása után ragasztják filmragasztókkal vagy melegen kötődő ragasztókkal. Ezután az ízületeket nyomás és hő hatására megkeményítik az autoklávokban. Csak egy probléma van: az autoklávok mérete korlátozott, a repülőgépek szárnyai nem illenek egymáshoz. Ezért az IFAM kutatói alacsonyabb hőmérsékleten keményedő ragasztókat fejlesztenek ki.

Különösen a repülőgépek jelentenek rendkívül nehéz kihívást a fogástechnika számára. Stade városában, Hamburg és Bremen között egy új kutatóközpont, a CFRP North jött létre a CFRP Valley Stade kompetenciahálózatán belül. A jövőorientált építési és automatizált gyártási módszereket, valamint az összeszerelési eljárásokat itt fejlesztik ki, mindezt egy olyan növekvő piac számára, mint például a szénszállal erősített műanyagok. Az IFAM az újonnan létrehozott Fraunhofer Csatlakozási és Összeszerelési Projektcsoporton (FFM) keresztül támogatja a kompetencia hálózatot, és az iparral együttműködve 1: 1 méretarányban fejleszti a CFRP alkatrészek összeszerelési technikáit, beleértve a nagy kapacitású repülőgépek törzsszegmenseit is. A munka főként szénszálerősítésű műanyag vágására és gyorskötési folyamatokra összpontosít.

A rost kompozit komponenseket lézerek segítségével lehet összekötni. A JEC Composites Show-n (Párizs, 2010-es kiadás) a Fraunhofer Lézertechnikai Intézet (ILT) tudósai bemutatták ezt az új kötési technikát üveg- vagy szénszálerősítésű műanyagokhoz. A lézer által kibocsátott infravörös fény megolvasztja a műanyag részek felületét, majd az alkatrészeket összenyomják, hogy rendkívül stabil kötést hozzanak létre. Időbe telik, mire ezeket a szálas kompozitokat széleskörűen fel lehet használni az autógyártásban. Addig az autógyártók intelligens anyagkeveréket alkalmaznak a súlymegtakarítás érdekében.

Az EU SuperLightCar projektjén (www.superlightcar.com) belül az ipar és a kutatási szektor kifejlesztett egy testet, amely egyharmada, azaz körülbelül 180 kilogramm könnyebb, mint a hagyományos. A legfontosabb egy sajátos megközelítés volt: a tudósok mindegyik alkatrészhez kiválasztották azt az anyagot, amellyel a legnagyobb súlyt megtakarítják, és a szükséges terheléseket is támogatják. Az eredmény: acél, alumínium és magnézium test és rost kompozit anyagok.

Anyagok keveréke, amely új piacokat nyit meg

A Lotus Engineering hasonló stratégiát alkalmaz. Tavaly tavasszal a vállalat tanulmányt mutatott be a könnyűszerkezetes kivitelezésről. A Toyota Venza példáján a mérnökök megmutatták, hogyan lehet akár 38 százalékkal csökkenteni az autó tömegét. A jármű karosszériája alumíniumból (37%), magnéziumból (30%), kompozit anyagokból (21%) és nagy szilárdságú acélból (7%) készül. A csomagtartófedél, az ajtók és a lökhárítók szintén különféle könnyű építőanyagokból készülnek. Ez további 23 százalékos üzemanyag-fogyasztás-csökkenést jelent.

Az új anyagok, a ragasztási technikák és a könnyű konstrukciós koncepciók csak akkor lesznek sikeresek, ha biztonságosak és megbízhatóak. Évtizedekig képesnek kell lenniük ellenállni a terhelésnek és a stressznek nap mint nap. Jelenleg a személygépkocsik, repülőgépek és szélturbinák állapotát időszakos roncsolásmentes vizsgálatokkal vizsgálják. A Fraunhofer kutatói olyan szerkezeti állapotfigyelési módszereken dolgoznak, amelyek felhasználhatók az alkatrészek állapotának ellenőrzésére működés közben. Az autó- és repülőgépgyártás, a gépgyártás és a gépgyártás az ipar fontos ágazata, és sok munkahelyet teremt Németországban. Az új, könnyű építőanyagok használata megerősítheti a német vállalatok nemzetközi helyzetét.