Поскольку автомобильная промышленность начинает переход от силовых агрегатов внутреннего сгорания к электрическим силовым агрегатам, композитные материалы приводят доводы в пользу облегчения и экологической безопасности
Композитные материалы часто используются в автоспорте и в автомобилях класса люкс с меньшим объемом производства, где, как правило, предпочтение отдается материалам из непрерывного углеродного волокна. Рост в обоих сегментах с 2021 по 2022 год продолжается. На более чувствительном к стоимости рынке средне- и крупносерийных моделей композитные материалы продолжают устойчивый, постепенный рост, в основном за счет непрерывных полимеров, армированных стекловолокном (GFRP) в таких областях применения, как рессоры, а также формовочных компаундов из рубленого волокна, включая листовые формовочные компаунды (SMC) для кузовных панелей и рам, объемные формовочные компаунды (BMC) для корпусов и опорных конструкций, а также термопласты для литья под давлением для рам бамперов, подъемных ворот и сидений.
Согласно отчету Stratview Research от ноября 2019 года, основными областями применения композитов в автомобилестроении являются, в порядке убывания объема, компоненты днища, экстерьера и интерьера. Другим растущим рынком являются компоненты подвески и приводные валы. В дополнение к рессорам, примеры включают:
- Гибридные верхние рычаги управления из композитного стекловолокна и алюминия для полутонного пикапа Ram 1500, разработанные компанией Stellantis (Оберн Хиллз, штат Мичиган, США) и поставщиком первого уровня Iljin Group (Сеул, Южная Корея);
Кулак задней подвески, разработанный компанией Ford Motor Co. (Дирборн, штат Мичиган, США) с использованием SMC и препрегов;
- Усовершенствованный поворотный кулак рулевого управления из SMC, разработанный компанией Marelli (Корбетта, Италия);
- Гибридный поворотный кулак подвески из углеродного волокна/алюминия от Saint Jean Industries (Сен-Жан Д'Ардьер, Франция) с использованием препрега от Hexcel (Лез Авеньер, Франция);
- линки подвески из углеродного волокна/эпоксидной смолы, сформованные под давлением из алюминия компанией Shape Machining Ltd. (Оксфордшир, Великобритания);
- углепластиковые стабилизаторы производства IFA Composite (Хальденслебен, Германия);
- углепластиковые поперечины, отлитые за 90 секунд с использованием переработанного углеродного волокна и процесса RACETRAK, разработанного компанией Williams Advanced Engineering (Оксфордшир, Великобритания);
- Арочная, многофункциональная однонаправленная (UD) лопасть передней оси из стекловолокна/эпоксидной смолы, которая включает в себя подвеску, антивибрацию/шум и антипробуксовку;
- выходной вал из углепластика, разработанный компанией Dynexa (Лауденбах, Германия).
Одной из наиболее заметных конструкций подвески, анонсированных в 2021 году, стала система задней подвески из углеродного волокна (вверху), разработанная компанией Rassini (Пьедрас-Неграс, Мексика) для пикапа Ford F-150 MY 2021. Эта высоконагруженная деталь изготавливается компанией Rassini методом литья с переносом смолы (RTM) для формования армирующего стекловолокна с использованием системы эпоксидных смол EPIKOTE TRAC 06150 компании Hexion (Колумбус, Огайо, США) с отвердителем EPIKURE TRAC 06150. По данным Hexion, связующее EPIKOTE смолы TRAC 06720 необходимо для стабилизации ткани и автоматизированного предварительного формования большой направленной стопки тканевых слоев, и оно полностью совместимо с системой быстроотверждаемых смол.
Для наружных поверхностей сверхлегкий SMC продолжает набирать вес ниже 1,0 грамма на кубический сантиметр (г/куб.см), а углеродное волокно также набирает обороты: Polynt Composites (Scanzorosciate, Италия), AOC (Шаффхаузен, Швейцария) и Teijin Automotive Technologies (ранее CSP VICTALL, Таншань, Китай) за последние несколько лет добавили новые производственные линии SMC, все из которых имеют возможность производить SMC из углеродного волокна. Компания Polynt также включила в свой ассортимент продукцию Polynt-RECarbon из вторичного волокна, а также компаунды UDCarbon и TXTCarbon с UD и тканевым армированием, соответственно. Потенциал этих продуктов можно увидеть на примере проекта по разработке переднего подрамника, завершенного компаниями Magna International (Аврора, Онтарио, Канада) и Ford Motor Co., в котором используется местно армированный и сформованный SMC из рубленого углеродного волокна с участками SMC, изготовленными из углеродного волокна 0°/90° без обжимной ткани (NCF). Этот структурный подрамник SMC должен выдерживать значительные нагрузки, поддерживая двигатель и компоненты шасси, включая рулевое управление и нижние рычаги управления, которые удерживают колеса. Несмотря на то, что эта деталь была только в разработке, она позволила сократить количество деталей на 82%, заменив 54 штампованные стальные детали двумя композитными компонентами, отлитыми под давлением, и шестью вставками из нержавеющей стали, изготовленными методом переплавки, при этом снизив вес на 34%.
Корпуса аккумуляторов
Другим важным фактором, определяющим применение композитов в автомобилестроении, является глобальное стремление к нулевому уровню выбросов к 2050 году, что ведет к увеличению разработки и производства электромобилей (EV). В сентябре 2020 года Калифорния объявила о том, что к 2035 году все новые легковые и грузовые автомобили, продаваемые в штате, должны быть без выбросов. В то же время ЕС предложил свою цель на 2030 год, которая ужесточает выбросы CO2 новыми автомобилями до 50% ниже уровня 2021 года, по сравнению с прежними 37,5%. Джулия Этвуд, руководитель отдела передовых материалов в BloombergNEF, выступая на встрече членов IACMI Fall 2020, заявила, что к 2025 году средняя цена EV, как ожидается, упадет ниже цены автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). По ее прогнозам, мировые продажи электромобилей превысят продажи автомобилей с ДВС к 2037 году и достигнут 50 миллионов единиц/год к 2050 году.
Смена парадигмы в технологии силовых агрегатов приводит к массовому спросу на надежные системы корпусов аккумуляторов, которые могут отвечать строгим требованиям по механическим характеристикам и ударам, а также по огнестойкости, дыму и токсичности для защиты пассажиров автомобиля в случае возгорания аккумулятора. Кроме того, поскольку аккумуляторные батареи увеличивают вес автомобиля, от корпусов также требуется помощь в снижении массы. По всем этим причинам композиты оказываются очень полезными для применения в корпусах аккумуляторов, и эти конструкции - в легковых и грузовых автомобилях, автобусах и других транспортных средствах - становятся основной возможностью для использования композитов в наземном транспорте.
В течение 2020 и 2021 годов многочисленные поставщики материалов, производители автомобилей и изготовители композитов анонсировали решения по корпусам батарей для использования в электромобилях. Например, компания Evonik Industries (Эссен, Германия) сообщила в феврале 2021 года, что она возглавляет консорциум партнеров, которые разработали более легкую и экономически эффективную концепцию корпуса высоковольтной батареи для решений в области электронной мобильности с использованием армированного стекловолокном эпоксидного SMC. Концепция целостной аккумуляторной системы призвана предложить автомобильной промышленности более безопасную и энергоэффективную альтернативу металлам или более дорогим углепластикам (CFRP). В консорциум входят Evonik, специалист по проектированию Forward Engineering (Мюнхен, Германия), технолог по батареям LION Smart (Гархинг, Германия), производитель и изготовитель Lorenz Kunststofftechnik (Валленхорст, Германия), специалист по инженерным услугам и развитию бизнеса Vestaro (Мюнхен, совместное предприятие Evonik и Forward Engineering) и, совсем недавно, MINTH (город Цзясин, Китай), мировой производитель корпусов батарей и других автомобильных конструкций. Концепция композитного корпуса батареи, разработанная консорциумом, может быть использована для батарей трех размеров: 65 киловатт-часов (кВтч), 85 кВтч и 120 кВтч для использования в автомобилях различных размеров и классов. CW побеседовал с инженерами компаний Evonik и Vestaro, чтобы узнать больше о консорциуме, эпоксидном SMC, конструкции корпуса и планах консорциума по выходу на рынок.
В 2020 году компания IDI Composites International (Ноблсвилл, Инд., США) представила FLAMEVEX, новое семейство армирующих волокон и смол, разработанных специально для производства систем корпусов аккумуляторов для рынка EV и новых энергетических транспортных средств (NEV). Продукты семейства FLAMEVEX, включающие измельченные стекловолокна в сочетании с ненасыщенным полиэфиром (UPR) или комбинацией UPR и винилового эфира, были использованы в аккумуляторных блоках, которые прошли строгий китайский стандарт GB/T 31467.3, широко известный как "китайский тест на костер". FLAMEVEX, по словам IDI, предлагает разработчикам прочную, легкую и экономически эффективную альтернативу стальным и алюминиевым материалам, традиционно используемым для корпуса аккумуляторных батарей в EV и NEV.
International (Ноблсвилл, Инд., США) представила FLAMEVEX, новое семейство армирующих волокон и смол, разработанных специально для производства систем корпусов аккумуляторов для рынка EV и новых энергетических транспортных средств (NEV). Продукты семейства FLAMEVEX, включающие измельченные стекловолокна в сочетании с ненасыщенным полиэфиром (UPR) или комбинацией UPR и винилового эфира, были использованы в аккумуляторных блоках, которые прошли строгий китайский стандарт GB/T 31467.3, широко известный как "китайский тест на костер". FLAMEVEX, по словам IDI, предлагает разработчикам прочную, легкую и экономически эффективную альтернативу стальным и алюминиевым материалам, традиционно используемым для корпуса аккумуляторных батарей в EV и NEV.
В августе 2021 года компания по производству специальных химикатов Lanxess (Кельн, Германия) и корейская компания INFAC (Сеул), специализирующаяся на производстве автомобильных кабелей управления, приводов, антенн и аккумуляторных батарей, объявили о совместной разработке корпуса аккумулятора. В нем используется Durethan BKV30FN04 от Lanxess, отвечающий строгим требованиям к механическим и химическим свойствам. Не содержащий галогенов, огнестойкий и армированный стекловолокном материал полиамид 6 (PA6) характеризуется оптимизированными огнестойкими и электрическими свойствами. Lanxess отмечает, что материал хорошо поддается обработке и позволяет интегрировать сложные функции, необходимые для компонентов корпуса, что приводит к уменьшению количества деталей и упрощению процесса сборки, а также снижению веса. Корпус был принят для серийного производства моделей EV, запускаемых корейским OEM-производителем в 2021 году.
Во многих композитных корпусах батарей обычно используется металлическое основание, на которое устанавливаются элементы батареи, а сверху - композитная крышка. В конце 2020 года компания Teijin Automotive Technologies (ранее Continental Structural Plastics, Оберн-Хиллз, штат Мичиган, США) и материнская компания Teijin Ltd. (Токио, Япония) объявили о разработке полного корпуса батареи из нескольких материалов. (Токио, Япония) объявили о разработке полного, многоматериального корпуса батареи, в котором используются композиты в нижнем поддоне и верхней крышке. "В рамках одной из первоначальных программ в нашем новом Центре передовых технологий [Оберн Хиллз] мы спроектировали и изготовили формовочные инструменты из стали для производственных форм [P-20], а затем начали разрабатывать различные материалы и отличительные процессы для улучшения не только форм, но и самих деталей", - говорит Хью Форан, исполнительный директор Teijin Automotive Technologies. "Мы проводили обширные испытания. У нас есть собственные краш-тесты в GH Craft в Японии, поэтому мы оценили различные рамы и несколько изменили конструкцию коробки, включая добавление дополнительных ребер жесткости для придания большей структурности".
Сосуды под давлением для водородных топливных элементов.
Бурно развивающаяся водородная экономика стимулирует рост спроса на использование водородных топливных элементов в легковых и грузовых автомобилях, поездах, лодках и самолетах. Сосуды под давлением типа IV, обтянутые углеродным волокном, являются одним из вариантов хранения водорода для всех этих применений.
Компания Teijin также работала со своими поставщиками над различными преформами и материалами из стекловолокна для добавления в корпуса, а также с поставщиками батарей, чтобы иметь возможность протестировать весь корпус на соответствие требованиям к тепловому выбегу и оценке под нагрузкой. Помимо аккумулятора, сам корпус состоит как минимум из трех структурных компонентов: относительно тонкой композитной верхней крышки, более толстого и структурного композитного нижнего лотка и металлической рамы в форме лестницы для обеспечения дополнительной поддержки аккумуляторов внутри корпуса. Компания Teijin также разработала энергопоглощающий внутренний каркас из структурной пены, который может быть использован для более высокой защиты при столкновении.
Также в конце 2020 года компания TRB Lightweight Structures (TRB, Хантингдон, Великобритания) объявила о создании нового производства корпусов для батарей из композитных материалов в Ричмонде, штат Кипр, США, для заказчика, производящего электробусы. Высокоавтоматизированная производственная линия, разработанная TRB совместно с Toyota Tsusho America (Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США), использует предварительно подготовленное углеродное волокно, автоматизированную резку и компрессионное формование для производства одного корпуса каждые 11 минут и до 40 000 корпусов в год.
Колеса из углеродного волокна
Первые колеса из углеродного волокна, полностью коммерциализированные для автомобильной промышленности, были произведены компанией Carbon Revolution (Уорн Пондс, Австралия) и представлены на рынке в 2008 году. В 2015 году Carbon Revolution представила колеса из углеродного волокна для Ford Mustang Shelby GT350R. Однако при цене $15 000 за комплект эти колеса не очень подходили для автомобилей с большим объемом продаж. С тех пор различные производители автомобильных композитов ищут материалы и технологические комбинации, которые позволили бы колесам из углеродного волокна конкурировать - по стоимости и производительности - с коваными и литыми алюминиевыми колесами.
Эта работа продолжится и в 2021 году. В августе компания Bucci Composites SpA (Фаэнца, Италия) объявила о разработке 22-дюймового колеса из цельного углеродного волокна для британского автопроизводителя Bentley для его внедорожника Bentayga. Считается, что это самое большое колесо из цельного углеродного волокна, которое когда-либо производилось, оно изготовлено методом RTM под высоким давлением (HP-RTM) и обеспечивает снижение веса на 6 килограммов на колесо. Bucci Composites утверждает, что более легкое колесо обеспечивает меньшую инерцию вращения, что приводит к большему ускорению, сокращению тормозного пути и лучшей управляемости автомобиля. Цена колеса от Bucci не известна, но, учитывая заказчика, она, скорее всего, будет относительно высокой.
Осенью 2021 года на выставке CAMX 2021 в Далласе, штат Техас, США, компания Vision Wheel (Декатур, штат Алатау, США), разработчик и производитель внедорожных, гоночных и послепродажных автомобильных колес, представила свое новое колесо из углеродного волокна, разработанное в сотрудничестве с IDI Composites International и специалистом по оплетке композитных материалов A&P Technology (Цинциннати, штат Огайо, США). Колесо Vision Wheel из углеродного волокна изготовлено с использованием Ultrium U660 от IDI, композитного материала на основе углеродного волокна. Спицы изготавливаются с использованием плетеных преформ, поставляемых компанией A&P. Все колесо изготавливается методом компрессионного формования. Цена на колесо неизвестна, но представители Vision Wheel заявили, что их цель - быть конкурентоспособными с алюминиевыми конкурентами.
Большие объемы, устойчивость
Хотя светский сдвиг от ДВС к EV силовым агрегатам уже начался, пройдет более десяти лет, прежде чем производство автомобилей с ДВС полностью прекратится. Тем временем производители комплектующих продолжают искать пути повышения эффективности автомобилей. Композиты находят применение на автомобильном рынке - больше, чем на любом другом рынке, обслуживаемом композитами, - только благодаря тому, что они находят свое применение в программах и платформах. Это означает, что композиты должны обеспечивать очень убедительное ценностное предложение, чтобы побудить автопроизводителя отказаться от традиционных (и более привычных) материалов и процессов. Именно такая динамика стимулирует внедрение композитов для корпусов аккумуляторов, как описано ранее в этой статье. Различные объявления, сделанные в 2021 году, свидетельствуют о том, что OEM-производители и цепочка поставок считают композитные материалы перспективными.
Например, в октябре финансируемый правительством Великобритании исследовательский проект TUCANA, компании AOC AG (Шаффхаузен, Швейцария) и Astar (Бискайя, Испания) объявили о разработке нового СМК на основе гибридной полиуретановой технологии Daron, которая позволяет производить формованные детали из рубленого углеродного волокна в промышленных масштабах с механическими характеристиками CF-SMC на основе эпоксидной смолы и простотой производства UPR и СМК на основе винилэфирной смолы. Вместе CF-SMC способствует разработке конструкционных автомобильных деталей с низкой плотностью, возможностью нанесения электронного покрытия и низким уровнем выбросов, сохраняя при этом гибкость конструкции, характерную для композитов. Он также будет использоваться в сочетании с более дешевым волокном split-tow компании Zoltek (Сент-Луис, штат Монако, США).
Также в октябре компания Carbon Truck & Trailer GmbH (Carbon TT, Штаде, Германия) объявила об установке пултрузионной системы iPul для серийного производства легких углепластиковых профилей для высоконагруженных компонентов таких транспортных средств, как автобусы, небольшие грузовики и передвижные дома. Новая пултрузионная система, поставленная компанией Pultrex (дочернее предприятие британской KraussMaffei, Лоуфорд, Великобритания) и адаптированная к требованиям Carbon TT, производит профильные детали для около 70 000 автомобильных шасси в год.
В июле компания сообщила о проектировании и разработке гибридного кронштейна бампера из термопластичного композита/металла для пикапа Chevrolet Silverado 2019 модельного года. Масса пары литых под давлением гибридных кронштейнов была снижена на 2,5 килограмма на автомобиль по сравнению с эталоном. А благодаря эффекту разложения массы более легкие уголки бампера позволили уменьшить массу кронштейна крепления бампера, а также других компонентов, так что общая масса системы переднего бампера уменьшилась на 7,3 килограмма по сравнению с моделью 2016 года.
В апреле сообщалось о работе, проводимой компанией Advanced Composites Products & Technology Inc. (ACPT, Хантингтон-Бич, Калифорния, США) по разработке новых технологий для ускорения производства композитных карданных валов из углеродного волокна для автомобильной промышленности. Причиной увеличения производства карданных валов является растущий спрос, вызванный, по словам ACPT, уникальным сочетанием возможностей карданных валов из углеродного волокна по сравнению с их металлическими аналогами, таких как более высокий крутящий момент, возможность работы на более высоких оборотах, лучшая надежность, меньший вес, повышенная безопасность благодаря склонности к разрушению на относительно безвредные углеродные волокна при сильном ударе и снижению шума, вибрации и жесткости (NVH). ACPT разработала двухшпиндельную автоматизированную систему намотки нити с несколькими намоточными каретками от Roth Composite Machinery (Штеффенбург, Германия); и, вместо неподвижной навесной автоматизированной системы, полуавтоматизированную систему перемещения оправок, разработанную Globe Machine Manufacturing Co. (Такома, штат Вашингтон, США).
#технологии #автопром #композиты #carbonfiber