РЫНКИ
Музей нарративного искусства Лукаса. Строительство объекта ведется возле Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. Архитектор — Ма Яньсонг, при строительстве используются главным образом композитные материалы.
Диаграмма 1. Потребление стеклонаполненных пластиков по регионам мира.
Диаграмма 2. Производство композитов в ЕС по сферам применения.
15 % 45 % Тихоокеанский регион
10 % Латинская Америка, Ближний Восток и Африка
29 % Северная Америка
16 % Европа
Спорт и отдых
15 % Электроника
34 % Строительство
1% Другие
35 % Транспорт (автомобили и аэрокосмическая промышленность)
Самый быстрорастущим сектором при- За последние 5 лет объем потребления переработки, так и увеличение продолменения композитных материалов (7% композитов возрос на 40%. жительности жизни изделий. в год) является возобновляемая энерге40% от общего объема композитов Необходимо различать при этом тика, в частности для производства ло- попадают в лом как отходы или браку- окончание срока службы материала пастей ветротурбин, рам солнечных ба- ются на этапе производства конечных необходимо и конец срока службы детарей и других структурных элементов изделий. тали/продукта. Волокно может пройветросолнечных установок. Возможно, Только в Европе на свалки попада- ти несколько цик лов переработки, этот сектор в перспективе 10 лет станет ет около 40 тыс т композитных отхо- прежде чем окончательно потеряет потреблять больше армированных ком40% от общего объема композитов попадает позитов, чем любой другой. Строительный сектор активно прив отходы на этапе производства. меняет композитные материалы ввиду их высокой производительности, проч- дов ежегодно, а всего в мире накопле- свои свойства в любом из возможных но свыше 350 тыс т смешанных отходов вторичных применений или больше ности и гибкости в дизайне. Высокая прочность на растяжение, хо- композитного производства. не может быть извлечено из смешанрошее ударопоглощение, долговечность Остро встал вопрос утилизации. ного материала. и сопротивление экстремальным погодЕвропейская комиссия в сотрудниным условиям обеспечивают сильные по- Фокус на рециклинг честве с Фондом Эллен Макартур раззиции композитов в спортивных приложеработала специальную программу, наниях и оборудовании: удочках, теннисных Вторичному использованию отходов правленную на решение проблемы ракетках, велосипедах, рулях, досках. мешают объективные проблемы, и пре- вторичной переработки. Из-за растущих требований к тол- жде всего невозможность разделения При подготовке материала использоващине, весу, прочности и дизайну в сек- конечных изделий на компоненты. торе электроники композиты усилива- Усилия разработчиков в связи с этим на- ны исследования The European Technology ют свои позиции и в этом направлении. правлены как на создание технологий Platform for Sustainable Chemistry. The Chemical Journal Июль-Август 2019
35
ПРОГРЕСС
Чемпион в среднем весе Автогиганты и OEM-производители соревнуются и устанавливают новые правила игры во внедрении технологий снижения веса автомобиля
36
Июль-Август 2019 The Chemical Journal
ПРОГРЕСС
Петр Степаненко
С
Источник: Dynalook.com
ерьезные штрафы, нала- а магний — около 7% веса. На детали Motors. Chevrolet и General Motors эксгаемые государственны- из термопластичных материалов при- периментировали с металлической ми органами на автопроиз- шлась доля в 4% (рис. 2). проволокой, имеющей память формы. водителей, стимулировали Этот компонент использовался для отпромышленность к внедре- Shevrolet Corvet крывания люка нию технологий, сокращающих автоВентиляции при открытой крышПри проектировании Shevrolet Corvet ке капота. Проволока с эффектом памобильные выбросы. Согласно директиве ЕС, к 2021 году был использован сплав с эффектом па- мяти формы при подаче на нее тока объем выбросов автомобиля дол- мяти формы, разработанный General натягивает рычаг, открывающий жен достичь 95 г CO2 на километр, что означает расход бензина на уровне 4,1 л на 100 км, или 3,6 л дизеля на 100 км. Рис. 1. Распределение веса автомобиля по группам компонентов. Самый простой способ и наиболее популярная стратегия в экономии топСтекла Внешние лива — снижение веса: уменьшение детали веса автомобиля на 10% увеличивает его пробег на 6–8%. Хотя автогиганты далеко продвинуВес 3% Вес 28% лись в снижении веса, в ближайшее де- Шасси сятилетие ожидается дальнейшая оптимизация веса авто еще на 10–15%.
В среднестатистическом транспортном средстве около 80% веса приходится на шасси, двигатель, кузов и внешние компоненты (рис. 1). На облегчение именно этих компонентов направлены основные усилия разработчиков новых материалов. Ранее исследования OEM-производителей, таких как Faurecia и Lear Corp., привели к значительным успехам в облегчении автомобильного интерьера. Приборные панели, перчаточные ящики и конструкции сидений, на которые приходится менее 20% веса, сегодня облегчены максимально. Для уменьшения веса применяется два подхода: использование легких материалов, таких как алюминий и углеродное волокно, и оптимизация, изменение геометрии существующих конструкций.
Volkswagen Volkswagen при создании своей суперлегкой модели сумел добиться снижения веса кузова на 85 кг, что составляет 32– 42% для деталей корпуса вместе взятых, включая кузов, переднюю часть и пол. Компания сфокусировалась на использовании алюминия, на который пришлось в результате 53% веса. Стальные элементы заняли около 36%, The Chemical Journal Июль-Август 2019
Вес 27%
движущиеся компоненты
Вес 28%
детали интерьера
детали конструкций
Вес 4% Вес 10% Рис. 2. Распределение материалов в «суперлегкой» модели Volkswagen. Вес кузова: 180 кг Материалы
Распределение веса
Листовой алюминий
Алюминий
96 кг (53%)
Литые детали из алюминия
Сталь
66 кг (36%)
Экструдированный алюминий
Магний
11 кг (7%)
Сталь
Пласти
7 кг (4%)
Сталь горячего формования Листы магния Литые детали из магния Стекловолоконные термопласты
37
Источник: Dynalook.com
Стратегии снижения веса
ПРОГРЕСС благодаря оптимизации механизма, который раньше использовался с той же целью. Важно отметить, что автомобиль в среднем содержит 200 автоматизированных устройств, подобных запорному устройству вентиляционного отверстия. Все они в той или иной степени могут быть реконструированы с использованием легких интеллектуальных материалов. General Motors защитила описанную технологию патентом США № 8.821.224.
Источник: faurecia.com
Рис. 3. Облегченные сидения от компании Faurecia.
DaimlerChrysler
Источник: Dynalook.com
Рис. 4. Технологии, используемые в дизайне сидений.
0.4 кг
Пена Высококачественная пена для уменьшения плотности
0.4 кг
Спинка Изогнутая легкая панель
Другие примеры использования сплавов с памятью формы демонстрирует японская Furukawa. В сотрудничестве с DaimlerChrysler разработчики Furukawa создали пружину из сплава SMA-NT (NiTi), которая используется в Mercedes Benz классов A и B. Пружина SMA-NT (NiTi) применяется для активации бесступенчатой коробка передач (вариатора) автомобиля. SMA-NT автоматически трансформирует изменения температуры в движение клапана, который меняет направление потока масла.
Сиденья Faurecia Faurecia, известный поставщик автомобильных запчастей, недавно представила концепцию облегченных сидений, которая сделала сиденья на 2,5 кг легче, чем ныне используемые модели (рис. 3, 4).
Процесс QPF для формования алюминия Вес современного автомобиля был уменьшен заменой стали на алюминий в таких компонентах, как крышки багажника и внутренняя часть двери. Каркас Серьезным ограничением на этом Оптимизированные механизмы направлении является дефицит технои компоненты: полозья, 0.7 кг логий формования и невозможность подшипники и пр. Общий вес получения сложных форм из алюминия. Тонкие стойки Экономия Чтобы решить эту проблему, General 0.6 кг Motors совместно с VTP и Kaiser ~ 2,5 кг Aluminium разработали процесс быМатериалы: строго пластического формования 0.3 кг сталь + термопласты (QPF), способный производить закрывающие панели из алюминия в значительных количествах. Технология была успешно реализовентиляционное отверстие. Что умень- электрического тока прекращается. вана при изготовлении крышки капота шает внутреннее давление воздуха и по- Это изменение позволяет поддержи- и багажника сложной формы, что позволяет крышке капота или багажника вать комфортную температуру в салоне. зволило уменьшить их вес на на 35%. легко закрываться. Легированная проИспользование только этого «умно- Эта технология была защищена 59 амеволока возвращается в первоначальную го» материала позволило сэкономить риканскими и 16 неамериканскими паформу, как только люк закрыт и подача около 0,5 кг от общего веса автомобиля тентами General Motors. 38
Июль-Август 2019 The Chemical Journal
ПРОГРЕСС Пр оце с с вы гл я д и т с лед у ю щ и м образом: 1. Легкие алюминиевые листовые заготовки размещаются на приспособлении рядом с прессом. Затем заготовка поднимается роботом и помещается в нагреватель на 60 секунд. 2. После нагревания листа до определенной температуры робот переводит горячий лист в инструмент с электрическим нагревом. 3. Пресс-форма закрывается таким образом, что инструмент с электрическим подогревом образует воздухонепроницаемое уплотнение по периферии сшивателя. 4. Затем струей сжатого горячего воздуха алюминиевому листу придается необходимая форма. 5. После завершения цикла пресс открывается и поднимает верхнюю камеру устройства. 6. Сформированная деталь извлекается из нижней камеры автоматизированным подъемным устройством. 7. Горячая панель помещается на специально разработанную охлаждающую поверхность. 8. Частично охлажденная панель переносится на охлаждающий конвейер.
ORNL: снижение стоимости углеволокна Использование композитов из углеродного волокна позволяет существенно снизить вес при соблюдении строгих требований безопасности. Единственным сдерживающим фактором является высокая цена углеродного волокна, мешающая многим автопроизводителям использовать этот материал более широко. Усилия разработчиков направлены на снижение стоимости углеродного волокна. В традиционном производстве углеродного волокна используется полиакрилонитрил (PAN) в роли связующего, которое требует длительной и энергоемкой стабилизации. Этот процесс имеет решающее значение для обеспечения стойкости к высоким температурам, воздействию которых он подвергается на последующих этапах переработки. Oak Ridge National Laboratory (ORNL) разработала углеродное волокно с показателем прочности 250 тысяч фунтов на квадратный дюйм со стоимостью 5–7 $ за фунт. The Chemical Journal Июль-Август 2019
Хотя автогиганты далеко продвинулись в снижении веса, в ближайшее десятилетие ожидается дальнейшая оптимизация веса авто еще на 10–15%.
Рис. 5. Карбоновые композитные диски.
Рис. 6. Композитные листовые рессоры из углепластика.
Рис. 7. Магниевый двигатель и магний-алюминиевая крыша.
Согласно результатам исследований ORNL, окисление плазмы, карбонизация в условиях микроволнового облучения и новый способ обработки поверхности — ключевые технологии на пути снижения производственных затрат. Окисление плазмы и карбонизации плазмы с помощью микроволн позволяет снизить энергопотребление, уменьшает площадь поверхности, подлежащей обработке. Технология способна довести время обработки до 20 минут по сравнению
с 90–120 минутами, необходимыми для обработки обычным способом.
Магний и алюминий Nissan, Mazda, Ford и известные OEMпроизводители Lear, Robert, Bosch и Denso вносят точечные изменения в различные автомобильные компоненты, такие как трансмиссия, кузов, интерьер и внешние дета ли, например: • Магниевый блок двигателя, опорная плита, масляный поддон 39
ПРОГРЕСС
Источник: transportpolicy.net
Диаграмма 1. Технологии, используемые в дизайне сидений. 240
и крышка двигателя — на 28% легче, чем алюминиевая версия. • Композиционные материалы для приводных валов — экономия до 3,5 кг в моделях Nissan, Mazda и Mitsubishi. • Алюминиевые штампованные крыши и стержнеобразные опорные конструкции — уменьшение веса на 11 кг. • Магниевый руль и рулевая колонка — экономия около 2 кг.
Сплошная линия: историческое развитие. Пунктирная линия: текущие целевые показатели. Точки: прогнозные значения.
220 200 180 160 140 120 100
Трансфер технологий
80 60 40 20 0 2000
2005
2010 US Китай
Канада
2015
2020
Мексика
Северная Корея
Европа Индия
2025
Япония Бразилия
Диаграмма 2. Технологии, используемые в дизайне сидений. 100% 90%
15%
17%
80%
8% 5% 9%
10% 7%
70% 60%
14%
50%
11% 11%
18%
19%
20%
11%
13%
14%
11%
15%
14% 18%
7%
40% 30%
49%
20%
44%
39%
10%
5%
33%
30%
2% 13%
2010
2030
0% 1984 Сталь
40
Железо
1994 Высокопрочная сталь
2004 Алюминий
18%
Композиты
Другие материалы
Автомобильный сектор является одной из самых патентоемких отраслей, способствуя появлению множества изобретений и оригинальных решений. И большинство компаний защищают свои инновации, чтобы получить конкурентное преимущество на рынке. Однако, чтобы выполнить регулятивные требования государственных органов, компании должны иметь широкий доступ к полученным решениям и в большинстве случаев — осуществлять исследования совместно. Примером прогрессивного взаимодействия в области трансфера технологий стало недавнее решение Tesla и Toyota об использовании открытого исходного кода во всех ведущихся разработках компаний. Принятие модели с открытым исходным кодом и обмен патентами между конкурентами может стать выигрышной стратегией для достижения скорейших результатов и снижения затрат на НИОКР. При подготовке материала использованы результаты исследований Aranca. Июль-Август 2019 The Chemical Journal