Výroba / technologie | 19. 1. 2020

Polymérne konštrukčné materiály na výrobu automobilov

Výroba automobilov a polymérne konštrukčné materiály

Rýchly rast produkcie automobilov si vyžaduje aplikovanie nových, moderných polymérnych materiálov (polymérov i polymérnych kompozitov) pri konštruovaní automobilov. Štyri automobilky vyprodukovali v roku 2018 doteraz najviac vozidiel v histórii Slovenska. Výroba v automobilových závodoch Volkswagen Slovakia, Kia Motors Slovakia, PSA Group Slovakia a Jaguar Land Rover dosiahla spolu podľa predbežných výsledkov viac ako 1 080 000 vozidiel, čo je najvyšší počet v histórii Slovenska. Podiel výroby automobilov na celkovej priemyselnej produkcii na Slovensku dosiahol 46,8 % a automobilový priemysel sa na priemyselnom exporte Slovenska podieľal 35 %. Už niekoľko rokov Slovensko vedie svetový rebríček v počte vyrobených automobilov na 1.000 obyvateľov, pričom si v roku 2018 udržalo prvenstvo počtom 198 vozidiel. V súvislosti s týmto prírastkom je nevyhnutný aj primeraný rozvoj sofistikovaných polymérnych materiálov, ktoré zvýšia kvalitu a komfort vyrábaných vozidiel.

Dôvody aplikácií polymérov v automobiloch

Dôvodov využitia polymérov pri konštruovaní automobilov je niekoľko. Z nich sú najdôležitejšie tieto dôvody: zniženie hmotnosti automobilu, spotreby pohonných látok a ceny, splnenie predpísaných bezpečnostných predpisov pre užívateľov vozidla, zvýšenie komfortu a úrovne dizajnu automobile, zabezpečenie recyklácie použitých polymérov a vyhovenie environmentálnym požiadavkám, Ľahké polymérne materiály nahrádzajú ťažšie kovové dielce v karosérii automobilov. V aplikáciách polymérov sa pri výrobe automobilov čoraz viac presadzuje ekologické hľadisko a sprísňujú sa požiadavky kladené na recyklovateľnosť polymérnych materiálov z vyradených vozidiel. Polymérne materiály sú obvykle lepšie spracovateľné a sú aj cenovo výhodnejšie ako kovové materiály. V automobiloch sa nachádza v súčasnosti priemerne 170 kg polymérnych materiálov.

Polymérne materiály sa stali neoddeliteľnou súčasťou interiéru, exteriéru a motorov automobilov. Polymérne materiály pre konštruovanie automobilov je možné vyrobiť s lacnejšími postupmi v porovnaní s kovmi, pričom ich možno tvarovať do ľubovoľného tvaru. Okrem toho je možné umiestniť polyméry do potrebných častí karosérie automobilov na zmiernenie následkov nárazu automobilov do prekážok.

Polymérne materály sú odolné proti pôsobeniu korózie. Pri aplikácií polymérov v interiéri automobilu vytvárajú tieto dielce komfort a estetický vzhľad interiérových komponentov, zvyšujú ochranu pasažierov a redukujú hluk a vibrácie. Zniženie hmotnosti automobilu použitím plastov zlepšuje ekonomiku prevádzky motorového vozidla v dôsledku zníženia spotreby pohonných hmôt, pričom sa zníži množstvo emisií a znižujú sa náklady prevádzky vozidla.

Základné druhy polymérov používaných na konštrukciu automobilov

Zastúpenie jednotlivých polymérov ako konštrukčných materiálov v automobile možno uviesť v tomto poradí: polypropylén – 35%, polyuretán – 20%, ABS – 10 %, PVC – 11 %, polyamid – 9 %, polyetylén – 5 % a 10 % patrí ostatným polymérom.

Polypropylén – používa sa na výrobu výliskov schránok, puzdier, rozvodov kúrenia, mriežky.

Polyuretán – používa sa pri výrobe presných výliskov, je húževnatý pri nižších teplotách (výroba čalúnenia (peny) a manžiet kĺbov).

Polyvinylchlorid – sa aplikuje ako mäkčený, (povrchová vrstva plastických koží, fólie, výlisky, profily, hadice) alebo ako nemäkčený (menej namáhané výlisky, profily).

ABS kopolymér (akrylonitril-butadién-styrénový terpolymér) – výroba výliskov, ktoré sú namáhané a tvarovo zložité ako sú mriežky krytov chladiča, vetranie, rámčeky svetlometov, kryty volantu, púzdra spätných zrkadiel, kryty nábojov kolies, prístrojová doska.

Polyamid má vyššiu húževnatosť pri zníženej teplote ako ABS a používa sa na výrobu klučiek ovládania okien a klzných púzdier.

Polyetylén – výroba tenkostenných výliskov, palivovej nádrže, hadíc.

Polymetylmetakrylát – výroba dosiek, pričom však neodoláva vyšším teplotám.

Polystyrén – používa sa ako úderuvzdorný na výrobu krytov, penový slúži na výrobu izolačných výplní skríň, panelov a stropov v interiéroch automobilov.

Polykarbonát – výroba húževnatých výliskov, pričom odoláva vyšším teplotám.

Aplikácie iných polymérov

Okrem polyamidov sa pri výrobe automobilov používajú aj iné polyméry – polyetyléntereftalát, polybutyléntereftalát, polykarbonáty, polyoxymetylén a polyfenylénoxid. Polyméry sa používajú na aplikácie v interiéri aj v exteriéri automobilu, na výrobu konštrukčných prvkov motorov a slúžia aj ako protivibračné a protihlukové materiály. Z dôvodov ochrany životného prostredia sa nahrádzajú automobilové dielce, ktoré sú rizikové z hľadiska uvoľňovania halogénov (napr. polyvinylchlorid) inými polymérnymi materiálmi, ktoré pri horení neuvoľňujú halogény, napr. kopolymérmi polyolefínov a kopolymérmi polystyrénu s polyizoprénom alebo polybutadiénom. Tieto polyméry dosahujú vysokú elasticitu a používajú sa najmä v interiéri vozidiel na obklady kvôli zvýšeniu bezpečnosti posádky vozidiel ako aj na výrobu prístrojovej dosky a na výrobu povrchov s mäkkým dotykom v interiéri vozidiel. Polymérne dielce sú dôležité aj pre odstránenie hluku v interiéri automobilu. Na zníženie celkovej hlučnosti automobilu sa s úspechom využívajú termoplastické elastoméry, ktoré majú schopnosť odstrániť vibrácie vozidla ich pohlcovaním, pričom sa zvyši pasívna bezpečnosť posádky automobilu. Plolyméry se používajú aj pri výrobe dielcov automobilu, ktoré sú dôležité z hľadiska bezpečnosti, napr. olejovej vane a štruktúrnych dielcov nárazníkov.

Špeciálne polyméry

Okrem klasických konštrukčných polymérnych materiálov sa v oblasti automobilových konštrukcií používajú aj špeciálne polyméry s dobrými mechanickými vlastnosťami a zvýšenou teplotnou a chemickou odolnosťou, ktoré sú však podstatne drahšie. Zo špeciálnych plolymérov je potrebné spomenúť polysulfóny, polysulfidy, polyéterketóny a vysokej teplote odolávajúce polyimidy. Pri znižovaní hmotnosti automobilov sa sklá nahrádzajú polykarbonátom, ktorý vyniká vysokou transparentnosťou a aj odolnosťou proti nárazu. V prípade súčiastok vystavených vysokým teplotám sa používajú rôzne fluórované polyméry, napr. Teflon. Tieto polyméry sa používajú najmä na výrobu súčiastok určených na špeciálne aplikácie. V prípade aplikácie v motore automobilu sa môže spracovať polyftalamid, ktorý obsahuje až 70 % uhlíka a môže nahradiť kovové rúrky, resp. potrubia v motore automobilu, ktoré sú vystavené vysokým teplotám. Použitie tohto polyméru zníži náklady výroby motorov až o 50 % a výrazne zníži hmotnosť viacerých častí motora v porovnaní s pôvodnou kovovou konštrukciou. Polyftalimid je možné spracovávať v tavenine vytláčaním, vyfukovaním alebo vstrekovaním a pripraviť zložito tvarované dielce potrebné pre konštruovanie motorov.

Lotosový efekt

Použitie polymérnych materiálov v interiéri vozidla má za cieľ dosiahnutie čo možno najlepších optických vlastností použitého materiálu, príjemného ohmatu, atraktívnej povrchovej úpravy polymérnych materiálov (prístrojová doska, sedadlá, operadlá, volant, čalúnenie sedadiel, strechy, bočné steny dverí, operadlá, ovládače, mriežky, autorádiá). Pre aplikácie v interiéri sa často používajú kopolymérne elastoméry, polyetylén, polypropylén, termoplastický polyvinylchlorid, polykarbonát, polyuretán alebo ABS terpolymér). Umiestnením konštrukčných prvkov vyrobených zo štrukturálnych penových polymérnych materiálov do dutých profilov možno dosiahnuť špecifické zosilnenie karosérie automobilu. Aplikácie nanokompozitných polymérnych materiálov výrazne zlepšujú mechanické vlastnosti konštrukčných dielcov, zvyšujú ich odolnosť proti horeniu a umožnia dosiahnutie superhydrofóbnych povrchových vlastností (kontaktný uhol vody na superhydrofóbnych povrchoch polymérov je vyšší ako 150°) konštrukčných dielcov, tzv. lotosový efekt.

Biodegradovateľné plasty a prírodné materiály

Na výrobu automobilov sa využívajú aj biodegradovateľné polyméry a polyméry vyrobené z obnoviteľných zdrojov. Rastie podiel využitia prírodných výstužných materiálov vyrábaných z ľanu a z konope pri výrobe polymérnych kompozitov vhodných na výrobu automobilov. Objavujú aj sa konštrukčné dielce automobilov, ktoré sú vyrobené z kompozitov získaných z biodegradovateľných polymérov vystužených prírodnými vláknami.

Polymérne kompozity

Polymérne kompozity pozostávajú z polymérnej matrice obsahujúcej vystužujúce plnivo. Ako vystužujúce plnivo sa používajú najmä polyamidové, uhlíkové, sklené alebo aj prírodné vlákna. Polymérne kompozity po vystužení sklenými, prírodnými alebo polymérnymi vláknami nadobudnú podstatne vyššie mechanické vlastnosti ako mal pôvodný materiál. Používajú sa na výrobu mechanicky namáhaných častí karosérie, nárazníkov a na výrobu dielcov do interiérov automobilov slúžiacich na zvýšenie pasívnej bezpečnosti. Pri výrobe ľahkých palivových nádrží sa využívajú polyamidové alebo polyacetálové kompozity, ktoré sa pôvodne vyrábali z ťažkých kovových materiálov. Tieto polymérne kompozity majú okrem nižšej hmotnosti v porovnaní s kovmi aj výhodné bariérové vlastnosti, ktoré umožňujú odstránenie prenikania pár pohonných látok z nádrže smerom von, pričom sa chráni životné prostredie.

Polymérnymi kompozitmi na báze uhlíkových a aramidových vlákien sa nahrádzajú plechy karosérie pri výrobe super rýchlych športových automobilov. Daimler Chrysler vyvinul nový kompozitný šesťkusový podporný systém blatníka, ktorým sa nahradila montáž pôvodných 15 až 20 kovových dielcov. Blatník vyrobený z polymérneho laminátu s uhlíkovými vláknami vyhovel všetkým požadovaným konštrukčným zaťaženiam a splnil kritéria pre namáhanie v ohybe. Podporný systém blatníka vyrobeného z uhlíkového kompozitu umožňuje okrem zníženia hmotnosti aj značnú úsporu finančných nákladov.

Pri zvyšovaní výkonu automobilov je mimoriadne dôležité zníženie celkovej hmotnosti vozidla a zvýšenie merného výkonu, t.j. výkonu, ktorý sa vzťahuje na jednotku hmotnosti vozidla. Nízke náklady a rast mechanických vlastností polymérnych kompozitov zvyšuje atraktívnosť prírodných vlákien pre aplikácie v automobilovom priemysle. Podľa vyjadrenia spoločnosti Flexform Technologies, ktorá je dodávateľom termoplastických fólií vystužených rastlinnými vláknami, kompozity na báze prírodných vlákien dosahujú nižšiu hmotnosť a predstavujú ekologicky prijateľnejšiu alternatívu ku plastom plneným drevnou múčkou. Dosahuje sa pritom až 25 % zvýšenie pevnosti dielcov ako sú výplne dverí, vložky, odkladacie priestory, operadlá sedadlá, bočnice, stĺpy a stredové konzoly.

Igor Novák
Ústav polymérov SAV
igor.novak@savba.sk