Lżejsze części samochodowe dzięki nanokompozytom aluminiowym
Aby poprawić wydajność pojazdów i spełnić bardziej rygorystyczne przepisy, przemysł motoryzacyjny musi zmniejszyć masę pojazdów, nie zmniejszając ich wytrzymałości ani bezpieczeństwa. Tradycyjne komponenty stalowe, choć wytrzymałe, w znacznym stopniu odpowiadają za ogólną masę pojazdu. Doprowadziło to do powstania alternatywnych materiałów, takich jak kompozyty aluminiowe, do których włączono nanorozmiarowe wzmocnienia w celu uzyskania doskonałych właściwości: stosunku wytrzymałości do masy, stabilności termicznej i trwałości.
Komercjalizacja zaawansowanych kompozytów i technologii
Finansowany ze środków UE projekt FLAMINGo(odnośnik otworzy się w nowym oknie) prowadził pionierskie badania w dziedzinie nanokompozytów z matrycą aluminiowo-metalową (Al-MMnC), czyli zaawansowanych materiałów, w których nanocząstki ceramiczne, takie jak węglik krzemu (SiC) lub węglik tytanu (TiC), wbudowane są w aluminiowy materiał bazowy. „Kompozyty te zapewniają wyjątkową wytrzymałość mechaniczną przy zachowaniu niskiej wagi. Naszym celem jest wyjście poza eksperymenty laboratoryjne i praktyczne wykorzystanie tych materiałów w zastosowaniach rzeczywistych” — zauważa koordynator projektu Alvise Bianchin. „Od samego początku nie chodziło nam o stworzenie idealnego materiału w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych, ale o wyprodukowanie czegoś, co mogłoby być realistycznie wytwarzane i bezproblemowo włączane w procesy produkcji obecnie stosowane w motoryzacji” — dodaje Bianchin. Aby to osiągnąć, zespół skupił się na konwencjonalnych technologiach formowania aluminium, takich jak odlewanie piaskowe, odlewanie kokilowe nisko- i wysokociśnieniowe oraz bezpośrednie odlewanie na zimno, a także wytłaczanie — sprawdzonych, opłacalnych metodach, które stanowiły idealną platformę do wprowadzania nowych materiałów.
Pokonanie trudności związanych z równomierną dystrybucją nanocząstek
Włączenie nanocząstek, takich jak SiC i TiC, w matrycę aluminiową sprawiało trudności, mianowicie konieczne było opracowanie innowacyjnych rozwiązań, które zapewniłyby, że te cząsteczki są równomiernie rozproszone, nie opadają ani nie tworzą aglomeratów. W tym celu naukowcy opracowali specjalistyczne metody mieszania, udoskonalając konstrukcje wirnika(odnośnik otworzy się w nowym oknie) i badając zachowanie przepływu, aby uzyskać powtarzalną dystrybucję. Kluczową rolę odgrywały w tym też symulacje. Dzięki modelowaniu sedymentacji cząstek na podstawie ich rozmiaru, gęstości i dynamiki przepływu stopionego materiału zespołowi udało się przewidzieć krytyczne ramy czasowe i zoptymalizować parametry przetwarzania. Umożliwiło to równomierną dystrybucję nanocząstek w matrycy. Po opracowaniu materiałów zespół projektu skupił się na projektowaniu komponentów. Zamiast po prostu kopiować oryginalne części stalowe na aluminiowe, wykorzystali analizę elementów skończonych i optymalizację topologii, aby je przeprojektować. Celem było dostosowanie komponentów w taki sposób, aby wykorzystać specyficzną sztywność i wytrzymałość Al-MMnC przy jednoczesnym zapewnieniu, że uda się zachować ich niską cenę i możliwość wytwarzania. Ostatecznie zespół zastosował testy nieniszczące, monitorowanie naprężeń i odkształceń oraz testy w pełnej skali zarówno w laboratorium, jak i w pojazdach rzeczywistych. Wykorzystano tomografię komputerową do wykrywania defektów odlewania, a także testy obciążenia statycznego i drogowego, aby potwierdzić właściwości mechaniczne komponentów.
Przekształcanie elementów stalowych w lekkie alternatywy
W projekcie FLAMINGo jako demonstrator wykorzystano elektryczny pojazdy użytkowy, skupiając się na krytycznych komponentach, które najbardziej mogłyby skorzystać na „odchudzeniu“: zwrotnicach, górnych mocowaniach tylnego amortyzatora i profilach tylnej ramy. Części te, pierwotnie wykonane ze stali, nie mogły być po prostu zastąpione nanokompozytami aluminiowymi. Zamiast tego naukowcy przeprojektowali je, dostosowując procesy produkcyjne i testując każdy ich aspekt. Ich wysiłki doprowadziły do powstania solidnych strukturalnie, lżejszych komponentów, które zintegrowano z obecnie stosowanymi metodami produkcji. „W skali całego pojazdu zmiany te pozwoliły na zmniejszenie masy o 2–3%. Chociaż może wydawać się, że to niewiele, przeskalowanie tego podejścia na podobne komponenty w całym pojeździe może pozwolić na oszczędność masy przekraczającą 12%. Na poziomie pojedynczych komponentów zaobserwowaliśmy zmniejszenie masy nawet o 45% — co jest naprawdę wartym uwagi osiągnięciem” — podkreśla Bianchin. Szeroko zakrojone oceny bezpieczeństwa nie wykazały podwyższonego ryzyka w porównaniu z konwencjonalnymi stopami aluminium. „Materiał Al-MMnC uwalnia podobny poziom lotnych cząstek w trakcie spawania, frezowania i recyklingu. Gwarantuje to, że wykorzystanie tych materiałów w zastosowaniach motoryzacyjnych nie wprowadza żadnych dodatkowych obaw związanych z nanobezpieczeństwem, co zwiększa zaufanie niezbędne do ich szerokiego przyjęcia” — podsumowuje Bianchin.
