|
Пластмассы в автомобилях
Долгое время прогресс в автомобилестроении был непосредственно связан с успехами металлургии. И хотя эта связь остается в силе и поныне, доля полимерных материалов в конструкции автомобиля непрерывно растет и составляет сейчас около 12% от общего веса автомобиля среднего класса. Из пластмасс изготавливаются не только детали салона (панели приборов, рулевые колеса, обивка дверей, боковин, крыши и пола), но и наружные панели кузова (крылья, капоты, крышки багажника), а также внешние декоративные элементы (бампера, спойлеры, решетки радиатора).
Постоянный рост мирового парка автомобилей ведет к значительному увеличению абсолютного объема используемых полимерных материалов. В связи с тем, что сектор автомобилестроения является одним из ведущих, исследования, направленные на расширение использования пластмасс и композитов, проводятся всеми крупнейшими производителями автомобилей (VW/Audi, DaimlerChrysler, GM, Ford, Renault и другими).
Основными достоинствами полимеров являются коррозионная стойкость, малый вес, повышенная стойкость к образованию вмятин, эффективное шумопоглощение и экономические преимущества, благодаря возможности объединения нескольких элементов в одной детали.
К недостаткам следует отнести высокую стоимость полимерных материалов и трудность повторной переработки деталей из них. Следует отметить, что эти недостатки относятся, в основном, к термореактивным полимерам - эпоксидным, фенольным полиэфирным смолам, прессматериалам, стекло-, угле- и органопластикам.
Термопластичные полимерные материалы в значительной степени свободны от указанных недостатков, поскольку бракованные и отслужившие свой срок детали после измельчения высокоскоростными способами, в том числе на оборудовании для обработки металлов, могут перерабатываться для повторного использования.
Нарастающая тенденция замены металла на полимерные материалы обуславливает острую конкуренцию между используемыми термопластами на основе полипропилена (ПП) и традиционными пластмассами - полистирол (ПС), пенополиуретан (ППУ), поливинилхлорид (ПВХ), АБС-пластики, компаунды ПС/АБС. Использование ПП позволяет уменьшить вес и снизить на 15-20% стоимость изготовленных из него компонентов автомобиля, облегчить повторную переработку, ввести модульное изготовление различных агрегатов и расширяет возможности для внедрения новых дизайнерских решений.
Содержание изделий из полипропилена в четырех новых моделях, появившихся в 1999 году на европейском рынке, составило (в % по отношению к общему содержанию пластмасс): VW Passat - 41%, Mercedes A-Кlassе - 47%, Seat Arosa - 47%, Ford Ka - 52%. Доля других термопластичных полимеров значительно ниже. Содержание ППУ в данных моделях составило порядка 8-14%, АБС - 4-15%, ПЭ - 3-11%, ПВХ - 0-7%. Расширению сферы использования ПП способствуют и принятые в Европе и США меры, направленные на вытеснение ПВХ в обивке салона другими материалами.
Важной областью применения ПП в интерьере автомобиля, где он постепенно теснит ПВХ, является панель приборов. Из ПП выполнены панели приборов в таких моделях, как Ford Focus и Volkswagen Lupo. Фирма Opel отказалась от использования ПВХ в приборной панели в пользу термопластичного полиолефина (ТПО). Последний представляет собой ударопрочный сополимер, в котором 20-50% эластомерной фазы (ЭПК - этиленпропиленовый каучук) встроено в ПП матрицу, и отличается от других сополимеров повышенной пластичностью и прочностью при низких температурах.
Фирма Delphi также разработала новое поколение панелей приборов из термопластичного полиолефина. Панели приборов, выполненные из этого сополимера, предпочтительнее, чем из материала ПВХ, склонного к образованию трещин и короблению. Фирма Delphi применяет новую технологию в автомобилях Mercedes-Benz M-Кlassе 2000 года, обеспечивая, кроме повышения качества, снижение веса панели приборов на 10%. Для изготовления панели сложной формы и требуемого контура была применена технология вакуумного формования.
Использование сополимера ТПО предусматривает возможность 100%-ной повторной переработки этого материала. Другие европейские производители для изготовления панелей приборов широко применяют высокопрочные сорта ПП без добавления талька. Как известно, использование талька в качестве наполнителя негативно влияет на такие показатели, как блеск, запах и сопротивление к царапинам, что особенно важно в компонентах внутренней отделки автомобиля. Использование высокопрочных сортов ПП позволило в течение пяти последних лет более чем в 4 раза снизить потребность в тальке. Набирает силу эта тенденция и в США, где эти пластики были впервые применены в автомобиле Chrysler Neon. Внутренние боковые панели, отделку дверей и задние облицовочные панели обычно изготавливают из литьевых марок полипропилена (Opel, Ford, Toyota) или АБС-пластиков (DaimlerChrysler, VW/Audi).
Полипропилен находит все большее распространение при изготовлении бамперов. В настоящее время более 80% выпускаемых в мире бамперов выполнены из ТПО. Данный материал обеспечивает снижение веса бампера при хорошем соотношении цена/качество. Характерной особенностью современных бамперных систем является интегрирование с корпусом машины и повторение ее контура в единой цветовой гамме. Как результат, автопроизводители стремятся уменьшить зазор между бампером и корпусом (концепция «нулевого зазора»). Если в качестве материала для бампера используется термопласт, он должен иметь низкий коэффициент термического расширения и в то же время быть устойчивым к механическим деформациям. Эти требования могут быть в полной мере удовлетворены при использовании упроченных тальком смесей ПП с этиленпропиленовым каучуком.
Инженеры фирмы Plastic Omnium считают, что конструкция капота в будущем существенно упростится и будет представлять небольшую съемную панель без петель. Стоимостный анализ показал, что узел открывания капота в массовом производстве обходится слишком дорого, принимая во внимание, сколько времени капот открыт в течение всего срока службы автомобиля. Учитывая тенденцию роста пробега автомобиля до капитального ремонта двигателя (160000 км и более), вопрос о целесообразности крепления капота на петлях становится все более актуальным. Проблема окраски панели капота вне сборочной линии решается благодаря применению минералонаполненного ПП и несущей системы из стеклонаполненного ПП. Окраска капота на сборочной линии может осуществляться с применением материала Noryl GTX (сплава полиамида и полифенилена) и несущей системы из листовых реактопластов SMC, разработанных фирмой Plastic Omnium.
Сложился стереотип, будто применение крупных деталей кузова из пластмассы целесообразно лишь для мелкосерийного производства автомобилей. Однако по утверждению руководителя отдела пластмасс фирмы General Electric, полимерные материалы могут быть экономически эффективны и для кузовов массового производства, если учитывать совокупные производственные затраты. Примером тому служат автомобили Renault Megane, Scenic, Clio 2, Mercedes-Benz A-Klasse, Rover Freelander, VW New Beetle, все крылья которых изготовлены из пластмассы Noryl GTX.
Установлено, что наружные панели кузовов (капоты, крылья) значительно быстрее изготавливать штамповкой из листовой стали, чем формованием из пластмассы. Однако для получения стальных панелей требуемой формы нужны несколько технологических операций. Поэтому при расчете себестоимости необходимо учитывать все эти операции, то есть время изготовления и капитальные затраты на оборудование и оснастку.
Оснастка для изготовления крупных кузовных деталей из пластмассы стоит от 1 до 2 млн. долл., тогда как затраты на изготовление аналогичных автомобильных деталей из стали могут достигать 3-6 млн. долл. в зависимости от сложности формы детали.
В некоторых случаях оснастка стоит еще дороже. Стоимость оснастки для изготовления крыльев автомобиля New Beetle могла бы составить 7-8 млн. долл., в случае их штамповки из стального листа. Недостатком панелей кузова из пластмассы является то, что они плохо выдерживают высокие температуры (205oС) в камерах для нанесения первичных покрытий на «черный» кузов. Поэтому пластмассовые панели монтируют на кузов после его первоначальной горячей электрофорезной обработки, но до нанесения слоев грунта и краски, или окрашивают отдельно от стального корпуса кузова, после чего монтируют на корпус. Это требует применения различных технологических процессов для разных материалов, что приводит к удорожанию производства. С целью устранения этого недостатка концерном General Electric разработан и поставляется на рынок новый сорт пластмассы Noryl GTX, способный выдерживать температуру технологического процесса нанесения покрытия 205oС.
В последнее время ряд фирм делает успешные попытки разработать технологию массового производства пластмассовых кузовных панелей.
Специалисты DaimlerChrysler, взявшиеся за новую технологию, разработали способ внедрения особым образом переплетенных между собой прочных нитей прямо в литьевую форму, так что они оказываются внутри панели и служат своеобразным каркасом.
Затем полученные детали (от 4 до 12 сборочных единиц) склеиваются в единое целое. В общей сложности на изготовление окрашенного кузова уходит 6,5 часов, тогда как общепринятой нормой для металлического аналога считается 19 часов при использовании 80-120 сборочных единиц. Новая технология получила название LIMBT (технология больших формованных деталей кузова). Научиться делать такие отливки удалось далеко не сразу.
Большая литьевая машина, изготовленная фирмой Husky, развивает усилие 8000 тонн, но и сама весит более 900 тонн. Расплавленная масса полиэтилентерефталата (ПЭТ), из которого, кстати, делаются пластиковые бутылки, впрыскивается в форму под большим давлением, обтекая многочисленные подогреваемые «перемычки», препятствующие преждевременному остыванию. Через две минуты половинки пресс-формы массой по 200 тонн разъединяются, освобождая готовую деталь для дальнейшего остывания уже на воздухе. Потом, в свободном состоянии, детали принимают окончательные форму и размер. Конструкторам пришлось немало повозиться, чтобы внести специальные поправки в размеры формы, обеспечивающие конечную точность детали ±0,5 мм!
Далее детали гигантским манипулятором переносятся на специальный кондуктор, где края «половинок» кузова обрабатываются клеем и сжимаются на 2-3 минуты. Получаемый клеевой шов практически незаметен, чему помогают специальные «выштамповки», маскирующие его.
Сегодня по технологии LIMBT изготавливается пробная партия жестких крыш для джипа Wrangler. Они состоят всего из двух деталей, вместо обычных пяти, весят на 30% меньше и стоят на 10% дешевле. А это уже вселяет надежду в реализуемость всего проекта. Речь идет о начатой в 1994 году разработке небольшого автомобиля для китайского рынка. Он так и назывался сначала - CCV (China Concept Vehicle). Но потом выяснилось, что новая технология пригодна и для изготовления полноразмерных автомобилей, и та же аббревиатура зазвучала по-новому: Composite Concept Vehicle. И вот что показательно: несмотря на огромные размеры литьевых машин и пресс-форм, общая стоимость организации производства кузовов по технологии LIMBT в 10 раз меньше, чем производство стального кузова. Хотя требуются большие и дорогие штампы, однако не надо ни сварочного, ни гальванического производства.
В 2000 году DaimlerChrysler представил концепткар Dodge ESX3, изготовленный по технологии LIMBT. Несущая система кузова Dodge ESX3 состоит всего из 12 полимерных деталей вместо более чем ста металлических панелей в обычном кузове. Низкая стоимость и малая масса материалов дали возможность снизить вес и цену гибридной силовой установки, которая включает 3-цилиндровый, 1,5-литровый, дизельный двигатель с генератором и электродвигатель мощностью 15 кВт. Вес полимерного кузова снижен на 46%, а стоимость производства - на 15% в сравнении с металлическими аналогами, при этом средний расход топлива составляет 3,27 л/100 км.
На ВАЗе технология изготовления пластмассовых кузовов пока применяется только в макетах и концепткарах. В 1998 году на Парижском автосалоне был выставлен очень привлекательный, выполненный в бионическом стиле концепткар «Рапан» с кузовом из стеклопластика (cм. заставку). В 2000 году из композитных материалов на основе полиэфирных смол были изготовлены кузова для концепткаров «Лада Родстер» и «Питер-Турбо». Публика благосклонно и восторженно отнеслась к появлению новых моделей.
Удачные решения и идеи, воплощенные в этих концепткарах, уже начали частично реализовываться в серийных автомобилях. В ближайшие годы, скорее всего, начнется разработка новых технологий производства пластмассовых крыльев, капотов и других панелей кузова. В более отдаленной перспективе в ОПП ВАЗа не исключается возможность мелкосерийного производства автомобилей с полностью композитными кузовами.
Полимерные материалы завоевывают прочные позиции во всех без исключения отраслях промышленности и продолжают вытеснять другие материалы, превосходя их по целому ряду свойств. На рост применения пластика в автомобилях влияет, прежде всего, необходимость снижения веса и расходов на изготовление деталей, возможность переработки пластмасс для повторного использования и повышение прочности панелей при небольших ударах.
То, что пластмассовые панели кузова действительно прочнее стальных и менее подвержены образованию вмятин в результате столкновений на скорости менее 8 км/ч, в ближайшем будущем станет основной причиной, по которой автостроители обратятся к использованию пластика в производстве крыльев автомобиля. Та же самая ситуация и с производством бамперов.
Что касается более отдаленных перспектив применения пластмасс и композитов, то специалисты фирмы Exel (Финляндия) считают, что через 20-30 лет большинство автомобилей массового производства будут целиком изготавливаться из различных пластмасс: кузов из композитов, колеса из полиуретана, детали салона из термопластов нового поколения, двигатель из керамического композиционного материала, а эластичные элементы подвески из стеклопластика. Так что, возможно, скоро мы все будем свидетелями настоящей «пластиковой» революции в автомобилестроении.
|
