obr1mPolyméry a ich kompozity sa v súčasnosti v širokej miere využívajú pri konštruovaní automobilov. Veľké možnosti v oblasti automobilového priemyslu majú aplikácie polymérnych kompozitných materiálov, ktoré sú v porovnaní s tradičnými kovovými aj polymérnymi materiálmi ľahšie a disponujú lepšími mechanickými vlastnosťami.

 

 

Na začiatku 20. storočia pripravil belgický chemik Baekeland plastickú látku bakelit a odvtedy sa začala éra plastických látok, resp. polymérov. V sedemdesiatych a osemdesiatych rokoch minulého storočia podstatne vzrástli požiadavky na bezpečnosť jazdy motorovými vozidlami a na vyššiu hospodárnosť využívania automobilov. Používanie polymérov a ich kompozitov umožnilo výrazne znížiť hmotnosť motorových vozidiel a spotrebu pohonných látok.

 

Podiel plastov rastie

V roku 1970 sa pri výrobe automobilu strednej triedy spotrebovalo 40 kg plastov, v roku 1983 až 90 kg a v roku 1995 približne 130 kg. Podiel plastov na celkovej hmotnosti automobilu dnes predstavuje 10 až 15 %. Z plastov sa dnes vyrábajú rôzne časti automobilu: nárazníky, blatníky, čelo vozidla, prístrojová doska, vnútorné obloženie, kostra a vnútro sedadiel, kryty kolies, držiaky motora, puzdro akumulátora, tepelný štít katalyzátora, tesnenie, izolácia, pérovanie, trysky topenia a klimatizácia, fólie na displej a svetelné zdroje.

Z materiálov sa uplatňujú predovšetkým termoplasty vystužené sklenými vláknami, poričom sa v špeciálnych prípadoch používajú uhlíkové vlákna. V roku 1970 plasty predstavovali 6 % hmotnosti automobilu a v súčasnosti sa tento podiel zvýšil na 15 percent, pričom sa predpokladá, že v roku 2020 budú plasty tvoriť až 25 percent hmotnosti automobilu. S rastom počtu vyrábaných vozidiel stúpla i celková spotreba materiálov. Od sedemdesiatych rokov klesá priemerná hmotnosť cestných motorových vozidiel. Priemerné európske vozidlo váži takmer 1 100 kg (v USA takmer 1 500 kg), pričom sú v tom zastúpené železné kovy (60 % hmotnosti vozidla), neželezné kovy (7 %, hlavne hliník), plasty (10 %), guma (4,5 %), sklo (3 %), textil a protihluková hmota (4 %), farba a tmel (1,5 %), kvapaliny a iné materiály (7 %). Materiál v súčasnosti predstavuje 30 % v kalkuláciách pri tvorbe ceny výrobku, preto je veľká snaha výrobcov o znižovanie jeho spotreby.

 

Energetická úspora

Automobil obsahuje približne 50 rôznych materiálov a 10 tisíc súčiastok. Hlavné konštrukčné prvky automobilu sú vyrobené z ocele a liatiny. Plasty majú výrazne nižšiu hmotnosť ako kovy. 1 m3 ocele váži 7 850 kg a hliníka 2 700 kg, pričom 1 m3 plastov dosahuje hmotnosť od 1 000 do 2 000 kg podľa druhu používaného plastu. Ďalším dôvodom využitia plastov na výrobu automobilov je ich teplota spracovania. Oceľ sa taví pri teplote 1 350 °C (v prípade hliníka je táto teplota 658 °C), pri plastoch je však teplota tavenia len 200 až 400 °C. Výrazne nižšia teplota tavenia plastov v porovnaní s kovmi prináša veľkú energetickú úsporu pri výrobe dielcov automobilu. Dôležitá je úspora pohonných látok pri použití plastov na výrobu automobilov. Zníženie hmotnosti automobilu o 100 kg umožňuje zníženie spotreby paliva o 0,4 litra na 100 km. Priaznivým argumentom pre používanie plastov pri výrobe automobilov je recyklovateľnosť prakticky všetkých termoplastov. V súčasnosti sa až 90 % vyťaženej ropy využíva na výrobu pohonných látok a len 10 % sa spracováva pri výrobe plastov. Plasty predstavujú ekologické riešenie výroby automobilov a podstatnou mierou prispievajú k redukcii emisií CO2.

 

Nová generácia a technológie

obr2mV dôsledku rýchleho vývoja nanokompozitných polymérnych materiálov po roku 2000 sa získali nové polymérne kompozitné materiály s lepšími mechanickými a povrchovými vlastnosťami „šitými na mieru“ a s nehorľavosťou, ktorých aplikácia znamenala revolúciu pri výrobe automobilov. Súčasne sa pripravili nové technologické postupy pri výrobe karosérie automobilov, ktoré umožnili z polymérov vyrobiť presné a aj veľmi zložito tvarované dielce s vysokou odolnosťou proti pôsobeniu mechanického namáhania pri náraze, resp. s veľmi vysokou rázovou húževatosťou. Elektrické zváranie plechov karosérie automobilov bolo v mnohých prípadoch nahradené alternatívnou metódou spájania plechov lepením alebo použitím kombinácie oboch metód spájania dielcov karosérie – zvárania aj lepenia.

Polyméry používané na konštruovanie automobilov si vyžadujú používanie špeciálnych metód pri ich spájaní a lakovaní. Pred lepením alebo lakovaním plastových dielcov je potrebná špeciálna povrchová úprava ich povrchu, napríklad s využitím promotorov adhézie a postupov povrchovej úpravy, napríklad nízkoteplotnou plazmou elektrického výboja alebo korónového výboja. Pri použití veľkého sortimentu špeciálnych adhezív pri výrobe moderných automobilov a motorových vozidiel však odlišnosti pri aplikácii polymérov a ich kompozitov v porovnaní s kovmi nepredstavujú žiadny problém, naopak, umožňujú zrýchliť a zjednodušiť výrobu motorových vozidiel. Z polymérnych materiálov sa v moderných automobiloch najčastejšie môžeme stretnúť s termoplastmi so zastúpením cca 10 % z celkovej hmotnosti vozidla, ktoré zodpovedá asi 100 kg jeho hmotnosti. Polyméry sa využívajú najmä pri výrobe karosérie automobilu a menej pri konštrukcii podvozkov. Z najviac využívaných polymérov pri výrobe automobilov možno uviesť izotaktický polypropylén a jeho kopolyméry (30 %), nízkohustotný a vysokohustotný polyetylén (10 %), polyamid 6, polyamid 12 a iné polyamidy (10 %) a terpolymér akrylonitril-butadién-styrén (ABS) s 10-percentným zastúpením. Izotaktický polypropylén našiel v automobiloch uplatnenie najmä v prípade veľkoplošných, rázovo namáhaných dielov karosérie, a to jednak vonkajších (nárazníky, spoilery) a jednak vnútorných (panel prístrojovej dosky, obloženie kabíny). Materiály na báze polyamidov nachádzajú v konštrukcii automobilov tiež široké využitie, pričom sú sú z nich vyrábané rôzne ovládacie prvky ako sú kľučky dverí, súčasti napínacieho mechanizmu bezpečnostných pásov a ďalšie drobné diely interiéru vozidla.

Prírodné materiály a bezpečnosť

Pri konštrukcii automobilov sa uplatňujú aj najrôznejšie druhy prírodných polymérnych materiálov na báze celulózy (napríklad bambus či kokosové vlákna), z ktorých sa vyrábajú ekologické bioplasty pre interiéry niektorých automobilov. Kompozity, ktoré boli ešte relatívne nedávno extravagantnými pri malosériovej alebo kusovej výrobe drahých špeciálov, sa v súčasnosti už široko využívajú. Rozvoj nanotechnológií a pokles ceny týchto kompozitných materiálov s novými možnosťami priemyselnej výroby túto situáciu zmenil.

Použitie plastov sa spája aj s ďalšími inováciami, ktoré majú zvyšovať bezpečnosť, komfort a zvýšiť šetrný prístup k životnému prostrediu. V súčasnosti a v blízkej budúcnosti by sa malo zaviesť používanie špeciálnych kompozitných výstužných materiálov v nárazníkoch automobilov, ktoré vykazujú trikrát vyššiu tuhosť a absorpciu energie, ako má obyčajný plast. Plastové opierky hlavy prispievajú k vyššej bezpečnosti pasažierov. V prípade spätného nárazu sa v dôsledku aktivácie posunie predná polovica opierky dopredu, pričom sa zníži riziko zranenia osôb v automobile. Hlavné použitie nových materiálov alebo existujúcich materiálov nahradením napríklad kovov si vyžaduje množstvo skúšok a testov ich efektívneho a účelného použitia. Nové trendy vývoja automobilov sa orientujú na využívanie nových, odľahčených alebo kompozitných materiálov, na špeciálne povrchové úpravy karosérií, používanie ľahkých kovových konštrukcií, ako aj na zvyšovanie podielu plastických látok pre montáž vývojovo moderných typov automobilov.

Termoplasty, duroplasty, elastoméry, textil a kompozity zosilnené vláknami patria dnes v modernej konštrukcii automobilov k bežným materiálom. Tento druh materiálov trvalo napomáha ľahkej konštrukcii vozidiel, k ich aktívnej a pasívnej bezpečnosti a optickému a hmatovému aspektu konštrukčných prvkov. Karosérie z plastu sú vo veľkosériovej výrobe známe od 80. rokov. Z počiatku sa plasty využívali ako obloženie nárazníkov, neskôr ako doplnkové časti karosérií – bočné steny a dvere vyrobené z termoplastov. Najskôr sa plastové dielce vyrábali živicovým pretlačováním, pričom sa sklolaminátový polotovar napúšťal epoxidovou živicou. Neskôr sa bočné časti karosérie vyrábali vstrekovaním termoplastov, ktoré sa katodicky lakovali.

 

obr3mRozšírenie aplikácií

V súčasnosti sa plastové prvky vyrábajú aj z nového termoplastu – zmesi polyamidu a ABS terpolyméru plnenej minerálmi. Medzi výhody tohto kompozitu patrí nízka tepelná rozťažnosť a nasiakavosť vlhkosti ako aj nízke výrobné náklady. Použitie plastov spevnených uhlíkovým vláknom umožňuje znížiť hmotnosť a ťažisko vozidla a zvyšuje akceleráciu najmä športových vozidiel. Pri výrobe karosérie sa používa vláknami zosilnený polyester, ktorý v porovnaní s termoplastami dosahuje lepšiu rozmerovú stabilitu a tuhosť. Táto konštrukcia má tieto výhody: vysokú tepelnú stabilitu a dobré vlastnosti pri náraze.

Cieľom použitia plastov vo vnútri vozidla je dosiahnutie čo najlepších optických a hmatových vlastností a zvýšenie pasívnej bezpečnosti. V poslednom čase sa venuje veľká pozornosť plastovým materiálom so špeciálnymi povrchovými vlastnosťami pri výrobe prístrojovej dosky v automobiloch a kompozitným materiálom používaným ako obloženie v interiéri vozidiel. Pri tvorbe povrchov prístrojových dosiek sa v závislosti od požiadaviek na ich geometriu používajú penové a kompaktné plastové fólie a tvarované povlaky vyrábané rozprašovacou technikou, rotačným odlievaním (vratným výklopným liatím) a odlievaciou technikou. Aktuálnym použitím rotačného odlievania je tzv. poťahovanie vo forme, pričom sa pri tomto postupe v prvom kroku nanesie do odlievacieho zariadenia farebná polyuretánová vrstva s hrúbkou niekoľkých milimetrov a potom sa výklopným liatím vyrobí vlastný tvarovací povlak z termoplastického PVC.

Výsledkom tohto postupu sa dosiahnu tieto výhody: vysoká hospodárnosť výroby, dosiahnutie širokého spektra farebných odtieňov, cielené nastavenie dotykových vnemov ako aj cielená tvorba priehlbín. Pri výrobe obloženia a výplní (napríklad výplň dverí vrátane nosnej štruktúry) sú dôležité optické vlastnosti dielcov s požiadavkou ich minimálnej hmotnosti. Z výrobno-technického hľadiska sa najlepšie osvedčili plastové kompozity plnené prírodnými vláknami ľanu, bavlny alebo sisalu. S použitím týchto kompozitov sa dosiahne veľká tvarová stabilita vyrobených dielcov, ich dobrá bezpečnosť pri náraze, minimálne emisie v interiéri a vysoká tvarová voľnosť. Na zvýšenie bezpečnosti osôb sa na konštruovanie čelnej časti automobilov používajú hybridné materiály, pričom sa v nich spájajú charakteristické vlastnosti ocele (vysoká pevnosť a tuhosť) s možnosťami plastov, ktorými sú ekonomické tvarovanie a rozsiahle možnosti ich začlenenia do celku. Ako hybridné materiály sa aplikujú oceľové výstuže obalené polyamidom plneného sklenenými vláknami. Použitie hybridných materiálov má v porovnaní s čisto kovovou konštrukciou za následok optimalizáciu energetickej bilancie vozidiel.

Aktuálnym pri použití kompozitných plastov je vkladanie plastových štrukturálnych penových prvkov do štruktúry karosérie vozidiel. Pomocou tejto techniky je možné cielene dosiahnuť významné zosilnenie tuhosti karosérie a odolnosti proti nárazu. Štruktúrne prvky na báze epoxidových pien sa pri výrobe karosérie umiestňujú do dutých profilov, pričom sa aktivácia, expanzia a vytvrdnutie epoxidových pien dosiahne pôsobením teploty pri lakovaní. Plasty v spojení s nanotechnológiami pri výrobe automobilov rozširujú spektrum využívaných vlastností plastov a textílií. Nanotechnologické postupy využívania plastov sa často spájajú s vysokými hydrofóbnymi vlastnosťami exotických rastlín, ktoré sa označujú ako lotosový efekt. Pri stavbe automobilov sa využívajú tieto fyzikálne vlastnosti nanokompozitných polymérnych materiálov: zlepšená mechanická pevnosť, zlepšená odolnosť voči oderu a poškriabaniu, znížené trenie, odpudzovanie nečistôt a antireflexný charakter. Tieto vlastnosti ponúkajú široké možnosti pri zavedení inovácií pri konštrukcii automobilov, pričom ide o využitie plastov zosilnených nanočasticami, lakov odolných proti poškriabaniu, nezahmlievajúcich sa povrchov, napríklad skla a antireflexných povrchov, napríklad krycej vrstvy prístrojových dosiek. V súčasnosti je pri konštruovaní automobilov aktuálne používanie zasúvacích lepených spojov s magnetickými nanočasticami, pričom sa energia potrebná na vytvrdnutie lepidla zavádza cielene indukciou mikrovĺn. Tento postup otvára ďalšie možnosti na prípravu modulárnych a ľahčených konštrukcií pri stavbe automobilov. Zlepené nekovové časti sa pri tomto technologickom postupe môžu bez poškodenia oddeliť. Pri opravách je možné vymieňať jednotlivé konštrukčné prvky automobilu a dlhodobo ich opakovane používať. S využitím nanotechnologických postupov sa v súčasnosti pracuje na zlepšení ochrany povrchu automobilových lakov a plastových dielcov, najmä z hľadiska odolnosti proti poškriabaniu. Predpokladom zavedenia nanotechnológií vo veľkosériovej výrobe je dostatočná dlhodobá životnosť pripravených dielcov a dôležité sú aj ekonomické hľadiská.

Novým konštrukčným materiálom používaným na výrobu automobilov je ľahká pena na báze polypropylénu, ktorá je umiestnená medzi dvomi tenkými hliníkovými plechmi s názvom Inrekor. Britská spoločnost Inrekor Ltd. už predstavila verejnosti nový konštrukčný materiál s názvom INREKOR, ktorý bude ponúkať automobilkám. Hmotnosť automobilov by vďaka Inrekoru mohla klesnúť až o 30 % pri zachovaní pôvodnej mechanickej pevnosti. Inrekor je výrazne lacnejší materiál ako uhlíkové kompozity a na rozdiel od nich je kompletne recyklovateľný. Konštrukcia automobilu z Inrekoru sa jednoducho poskladá ako stavebnica z presne opracovaných dielcov, pričom sa na ich spojenie používa lepidlo. Ak vás predstava zlepovaného auta desí, nemusíte sa báť. Lepené spoje dnes dosahujú rovnaké pevnosti ako zvárané a v prípade nehody sa správajú predvídateľne. Lepenie namiesto zvárania používa napríklad automobilka Lotus pri výrobe svojich flexibilných modulárnych karosérií. Vysoká bezpečnosť konštrukcií z Inrekoru bola overená niekoľkými nezávislými testmi. Špecialisti britskej spoločnosti MIRA potvrdili, že konštrukčný materiál vyrobený z Inrekoru výborne disipuje energiu. Očakáva sa, že šasi z nového materiálu Inrekor by malo v testoch Euro NCAP dosiahnuť rovnaké výsledky ako päťhviezdičková oceľová konštrukcia, pričom je však hmotnosť až o 40 kg nižšia ako v prípade ocele. Briti už majú z Inrekoru vyrobený automobil. Replika automobilu Porsche 356 s použitím konštrukčného materiálu Inrekor vznikla v spolupráci s Chesil Motor Company, ktorá vyrába retro stavebnice automobilov s konvenčnými podvozkami. Prototyp automobilu vyrobeného z Inrekoru je rovnako pevný ako bežné modely, pričom má 15 % nižšiu hmotnosť.

Príspevok bol vytvorený realizáciou projektu Centrum pre Materiály, vrstvy a systémy pre aplikácie a chemické procesy v extrémnych podmienkach – Etapa II na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

 

TEXT/FOTO: Ing. Igor Novák, PhD., Ing. Ondrej Žigo, PhD., Ústav polymérov SAV