Олекване – II

От метал към композити

   Преди година Polestar обявиха, че ще произвеждат концептуалния Precept, чийто интериор е изработен от устойчиви материали, като
PET бутилки, риболовни мрежи и корков винил

    Преди няколко години вече имахме случай да говорим за автомобилното олекване. Тогава още беше ясно, че гладът за нови, по-високи въглеродни цели на Европейската комисия няма вид на едноактно действие: както и да го оценяваме, явлението има по-траен характер, а годините до тази недвусмислено показаха и много от разнообразните отраслови и далеч отвъд него аспекти на регулаторния натиск. Интересът ни към тях е обречен на постоянно висока интензивност заради трудните за цялостно осмисляне и остойностяване последствия от емисионно-регулаторния ентусиазъм (ще го наречем така по-меко, за да има мир – поне днес), а тук отново ще хвърлим любопитно око върху един от интересните аспекти в борбата за по-малко въглероден двуокис – използването на алтернативни материали с цел сваляне теглото на колите.

В опит да предприеме енергични мерки за справяне с изменението на климата през декември правителството на Обединеното кралство се зарече да намали въглеродните емисии на страната с 68% до 2030 г., провъзгласявайки забрана за продажбата на нови бензинови и дизелови возила. Няма и половин година по-късно и то направи още една амбициозна стъпка в намаляването на CO₂ еквивалентните емисии, свеждайки целите си до водещия в света показател от -78% през 2035 в сравнение с 1990 г., придвижвайки кралството с повече от 2/3 напред по пътя към нетната нула, планирана за 2050-а. Публикуваният на 14 юли декарбонизационен план, чийто 216 страници представляват крайно интересно четиво за любознателния и просветен български регулатор, отива още по-далеч, а именно забранява продажбата на нови дизелови и бензинови тежкотоварни автомобили от 2040. За да се постигнат тези свръхамбициозни цели, практически почти половината от британските превозни средства до края на десетилетието трябва да се електрифицират.

Но обединените англичани, уелсци, северноирландци и шотландци далеч не са сами в електромобилния преход: Европейският зелен пакт и законодателният пакет “Fit for 55“ включват преосмислени стандарти за фосилните превозни средства с краен срок за продажбата им през 2035-а и развитие на зарядната инфраструктура по Трансевропейската транспортна мрежа.

Коя е най-голямата заплаха за постигането на тези колективни цели? Ниската степен на приемане на електромобилите, разбира се. Основният потребителски проблем в момента е тяхната ограничена автономия, а първият, идващ на ум, начин за подобряването й е увеличаването на батерийния капацитет. Алтернатива на това очевидно, но далеч не така лесно за постигане решение е обстоятелството, че при движението си електромобилите изпитват ограниченията на аеродинамичното, механичното съпротивление на търкаляне и – обектът на днешната ни тема – теглото.

Полимерните композити, включващи въглеродно усилените полимери (или въглеродните влакна за по-кратко), предлагат по-ниско тегло и несравнимо по-голяма формовъчна гъвкавост от метала; така те помагат в подобряването и на трите.

Приложенията

   Подходът на Bcomp

   Въпреки очевидните им предимства, едно от основните предизвикателства при подмяната на стоманените конструктивни елементи с композитни е, че себестойността на материалите и производственият процес могат да бъдат значително по-високи – обстоятелство с особено значение при приложението им в масово производство. При тях цената предизвиква много повече тревоги, отколкото при нискотиражните суперспортни автомобили, където до момента е и най-широкото им приложение.

Електромобилите представляват отлична фокусна точка при разработката на конкурентни композитни решения: броят на частите с напълно нови или фундаментално различни конструктивни изисквания и ограничения в сравнение с еквивалентните конвенционални автомобили е значителен. Още по-радикално, с евентуалното нарастване на автономните превозни средства много вероятно ще наблюдаваме отказ от идеята за автомобилите като стоманени кутии с редици обърнати напред седалки; ще възникват нови форми на самоносещи конструкции, възползващи се от обстоятелството, че за пътниците вече няма да се налага да контролират движението или да седят с лице към пътя.

В последния контекст композитите имат и друго ясно изразено преимущество: лекота в изграждането на радикално оформени структури, обещаваща значително предимство в електромобилните им приложения. Футуристично задвижваният от слънчева енергия електромобил на Aptera Motors, които напоследък получиха предварителни поръчки за четвърт милиард долара, има композитен монокок и използва множество други подобни структури, предлагайки превозно средство с високо аеродинамична форма и невероятно ниско тегло. Резултат: пробег от над 1 600 км – близо 4 пъти по-голям от този на колите със сходни по размер батерии.

За масите

   При все това, материалните разходи не са единствената пречка, която композитите трябва да преодолеят: интеграцията в съществуващите вериги на доставки и производствени линии е друго предизвикателство. Дори след идентификацията на казус за приложението им, достигането с необходимата скорост до пазара е голямо предизвикателство пред композитните компоненти. Причината отчасти е в многото възможности за избор на влакна, смоли и комбинациите им, за разлика от относителната простота на металите.

След оптимизацията на конструкцията и производството им не е просто: формоването с пренасяне на смола, при което суха влакнеста форма (съвкупност от предварително оформени слоеве сухи влакна) е разположена във форма, в която впоследствие се инжектира смола, е водещата технология в масовото производство. Съществуващите в момента решения обаче вървят с високи разходи за инструментална екипировка и опитът в използването им не е разпространен широко извън космическата индустрия; двете препятствия трябва да намалеят с нарастването на композитната употреба в автомобилния сектор.

       С дължина от 4.44, ширина 2.24, височина 1.36 и колесна база от 2.77 м Aptera
Resurrection представлява електрическа триколка,  произведена от 10 основни
структурни части (електромобилите обикновено имат около 300) с тегло около 815 кг
и очаквана цена между 34 и 59 000 долара 

Намали, употребявай, рециклирай

   Друго едно предизвикателство се крие в края на живота на превозното средство: изхвърлянето и рециклирането на композити. То е особено належащо предвид евродирективата за излезлите от употреба превозни средства, изискваща 85% от масата им да подлежи на повторна употреба или рециклиране и затрудняваща се от компонентната смес в композитите. Да не говорим, че полимерните композити често се произвеждат от невъзобновяеми ресурси като петрол, а производството на синтетични влакна по правило е енергоемко. Така възникна и значителният натиск за разработването на „зелени композити“ с намалено въздействие върху околната среда.

Те, използващи за подсилващи агенти естествени влакна и/или био смоли за полимерна матрица, се получават от възобновяеми ресурси, като евтините селскостопански отпадъци, и биха могли да бъдат биоразградими. Енергията, използвана при производството им, може да е далеч по-ограничена, отколкото при традиционните; така те не просто са устойчиви, а имат и по-ниско въздействие върху околната среда.

До ден-днешен използването на зелени композити, подобно на останалите, обикновено е ограничено до превозни средства с малък тираж, или до елементи в масово произвеждани автомобилни интериори. Автомобилните производители сега обаче се фокусират върху масовото им производство за приложение във всички аспекти на колите от следващо поколение.

Навъртелият вече десетилетие швейцарски стартъп Bcomp се фокусира върху производството на композити в голям мащаб. Използваните естествени влакна са получени от лен, а крайният композит подлежи на формоване под налягане за автомобилни интериорни панели с до 70% намалено съдържание на пластмаса и 50% редукция в теглото в сравнение с други композити. Материалът има крайните характеристики на „конвенционалните“ карбонови влакна, а въглеродният му отпечатък е със 75% по-нисък. Производителят стимулира приемането му в сътрудничество с големи автомобилни манифактуристи, като Tesla и Volvo.

Конвенционалните каросерийни панели не са единствените компоненти, използващи зелени композити. TRB Lightweight Structures разработват леки батерийни корпуси, изработени от смола на захарна основа със 100-процентов произход от отпадъчна селскостопанска биомаса, постигаща паритетна производствена себестойност с алуминия.  

Към зелените композити се насочват и по-големите производители: наскоро General Motors са подали заявки за патент за използване на композити с естествен произход в интериорни компоненти, а Ford сътрудничат с известните производители на кетчуп Heinz в разработката на композити от доматени ципи за вграждане в компоненти на бъдещите им превозни средства.

Пътят напред

   Полезните свойства на композитите могат да бъдат използвани, за да осигурят бъдещи превозни средства, превъзхождащи значително базираните им на стомана предшественици – а и да изглеждат поразително, докато го правят – особено, когато става дума за електромобили.

Въпреки това пътят напред не е напълно ясен: скоростта, с която се въвеждат в производство и достигат до пазара ще останат големи предизвикателства, докато не бъде преодоляна историческата индустриална инерция, изградена върху базираното на метали производство.

Ако автомобилната индустрия ще изпълнява амбициозни цели за устойчивост, по-нататъшните иновации в сферата на зелените композити очевидно ще играят много важна роля.

   Лекият корпус на електромобилен батериен пакет от TRB Lightweight Structures

Олекване

Подложени на натиск, производителите развиват технологиите за олекотяване на колите

          Алуминият издигна Audi до премиум марка

Последните години поставиха автомобилната индустрия под засилващ се натиск за промяна в начина, по който проектира и произвежда колите. Фактори, като увеличаващият се акцент върху безопасността при удар с пешеходец или конкурентния натиск, водещ към глобализация и свиване на производствените разходи, придобиват все по-голямо значение. Да не говорим за постоянно обсъждания политически натиск в Европа и Северна Америка, насочен към намаляване на въглеродните емисии, влияещ директно върху цялата верига на доставките. 

Прякото последствие е, че все повече и повече автомобили включват компоненти, ориентирани към намаляване на теглото, консолидиране на необходимите за намаляване на производствената себестойност компоненти и по-ефективно рециклиране на влаганите материали. Нуждата от подобряване на общата енергийна ефективност създава мощна тенденция към спад в теглото. Употребата на материали с високи показатели, като високоякостните стомани и алуминия, е в подем, докато традиционните чугун и стомана се избягват навсякъде, където е възможно.

Един от подходящите примери за приложение на техники за олекотяване е седмото поколение на Volkswagen Golf, свалил цели 100 килограма в сравнение с предишната генерация. Една от техниките е предлаганият като опция при спортните модификации покрив от въглеродни влакна. Прилагането му носи икономия на тегло от 9 кг., подобряваща както скоростните показатели, така и тези за разход на гориво. То ни напомня и за степента на навлизане на въглерода в масовото автомобилно производство – това вече не е запазената територия на скъпите коли. Приблизителната печалба на тегло от каросерията се оценява на 37 килограма спрямо предходния модел – постижение, дължащо се на употребата на нови материали и производствени процеси, като дистанционното лазерно заваряване или лепенето. BASF пък помагат на инженерите от Волфсбург в замяната на структруни компоненти, обикновено изработвани от стоманизиран полипропилен, с такива от усилен със стъклени влакна полиамид.

Следващата генерация модели ще свалят още: концертуалният Ford Mondeo тежи 1195 кг., което е еквивалент на актуалната дизелова Fiesta. Следващото му поколение включва карбонови седалки, алуминий и високоякостни стомани, както и композитни пружини на предните амортисьори. Крайният резултат от подобни мерки е по-бързо ускорение и подобрена енергийна ефективност в сравнение със сегашния модел. 

Междувременно в името на ползите от олекотяването употребата на стомани с висока якост, включително закаляваните с бор, расте. По тази причина в бъдеще ще виждаме все по-леки стоманени автомобили, особено в чувствителните на тема себестойност А, В и С сегменти.

Въпреки, че изработването на каросерийни панели и най-различни други модули по традиция е работа на производителите, все по-голяма част от това производство се изнася. Стратегиите в това отношение са различни и зависят от съотношението между икономиите от аутосрсинга в Източна Европа например и съображенията за контрол на качеството и щетимостта при транспортиране. 

Пластмасите 

          Структура на пчелна пита от шприцована пластмаса, фиксирана 
          върху усиленото с въглеродни влакна полимерно шаси на BMW i3

И докато процесите по въвеждането на алуминия, магнезия и различните класове стомана са в процес на оптимизация според различни фактори, то употребата на пластмасите бележи решителен ръст през последното десетилетие. Тенденцията към все по-интензивното им приложение във външни, структурни, функционални и силови компоненти е подпомогната от напредъка в материалите и технологиите за формоване и боядисване, които подобриха значително показателите и стойността им. Пластмасите дават голяма свобода на дизайнерите, което също обуславя разширената им употреба. Те не само позволяват производството на части, които не могат да бъдат изпълнени от други материали, но дават възможност за интеграция на няколко компонента в едно цяло с оглед намаляване на себестойността му. 

Най-новите пластмаси са в състояние да издържат в горещата и корозионна среда на двигателния отсек, което обуславя широкото им навлизане и под капака. Походът на пластмасите е и в каросерията: структурни компоненти като подови плочи и опорни греди, както и неструктурни, като външни панели, въздуховоди, светлини, резервоари за различни течности, капаци на клапани и елементи от задвижването ги правят практически незаменими. Автомобилните инженери споделят, че за момента пластмасовите структурни елементи са трудни за интеграция със стоманата, поради което употребата им все пак е ограничена до компоненти, които се добавят след изработването на металната структура. Това се дължи и на ограниченията, налагани от надеждността и пригодността за ремонтиране, които са неделими от живота на колата. 

Органичните материали 

Автомобилната им употреба не е новост: от доста време доставчици и производители са концентрирани върху въвеждането на екологичните технологии във всички производствени процеси. 

Кокосовите влакна в подложките на седалките са хубав например. Те се използват както с оглед постигането на икономически и екологични цели, така и заради приноса им в устойчивото производство. В някои свои модели Mercedes-Benz влагат не само кокосови влакна в седалките, но дървени стърготини и дори натрошени маслинени костилки. 

Toyota пък използва пластмаси от различни растителни култури в Prius. Позната като екологична пластмаса, пяната на растителна основа и формованите компоненти, откриваме на най-различни места в колите, включително изолационни панели и най-разнообразни видове тапицерии и уплътнения. Пластмасите от растителен произход заместват конвенционалните, извилачни от петрохимикали, намалявайки въглеродните емисии за целия живот на продукта – от производството до рециклирането, с което редуцират и употребата на петрол. Уточнение: екологичните пластмаси изхвърлят по малко CO₂ за целия си жизнен цикъл, защото по-голямата част от въглеродния двуокис, използван при рециклирането им, се компенсира от фотосинтезата, съпътстваща отглеждането на изходната култура. 

Цената на олекотяването 

Когато попитате производителите за цената на олекотяването, обикновено отговорът е, че самите те биха искали да я знаят. Те разбира се я знаят, но конкретните числа са различни за различните производители и различните моделни линии на една марка. 
Разходите са в пряка зависимост от етапа на развойния процес: ако към края на разработката на даден модел тегловите цели не са постигнати, компенсирането на недостига става много скъпо. И обратното – изпълнението им в по-ранните етапи сваля разходите. Това произточа от присъщите на процеса на разработка целеви тегла, които по правило са трудни за постигане. Борбата с килограмите е част от всеки етап на разработката на нов модел, което прави стойността на отнемането му различна във всеки един от тях.

Експертите в производствения процес очертават основните фактори, влияещи върху цената на олекотяването в следните посоки:

1. Каква е цената на алтернативите за сваляне на въглеродния отпечатък, като развитието на задвижващите системи? Тя е променлива заради развитието на технологиите и законодателната динамика.

2. Какви са другите ползи (подобрената пътна динамика, да кажем)? Производител на суперспортни автомобили има по-голяма склонност към допълнителни разходи в намаляване на теглото, заради високата му добавена стойност.

3. Какви са другите фактори за увеличаване на теглото (системи за сигурност и хибридизация), влияещи на ценовия алгоритъм?

4. Какви биха били пазарните последици от малко повече тегло в даден модел? Биха ли могли да бъдат компенсирани от друг модел в гамата, или се разчита само на този?

5. Какви са съпътстващите икономии? В един електромобил например приемливата цена на свалянето на теглото би била по-висока, заради ползите от синергията (необходими са по-евтини батерии), водещи до значителни крайни икономии.

6. Каква е добавената стойност от гледна точка комуникация или ценностите на марката? Как алуминият помогна на Audi при трансформацията им в премиум марка е пример от библиотека „Световна класика“. 

          Дистанционното лазерно заваряване дава нови възможности

Отговорите на тези въпроси са различни за всеки производител, но общото впечатление е, че очакваният сценарий за ескалация на разходите не се сбъдна. Свалянето на тегло определено има цена, но част от скъпите решения намериха по-евтини алтернативи в развитието на конвенционалните задвижващи системи и гумите.

Информационно-развлекателните системи също предлагат леко решение. Основният потенциал там е материалът, от който се изработват магнитите на говорителите. В моделите от висок клас неодимът масово замества ферита, а автомобилната индустрия плаща с готовност премията за спестяване на тегло. 

Приключваме темата за олекотяването на колите с думите на вицепрезидента по технологиите на Magna International Свами Котагири: „Балансът на инвестиционните разходи в задвижващи системи и леки материали е факторът, който ни дава възможност да постигаме бъдещите въглеродни цели. Производителите са внимателни и разглеждат най-оптимизираните решения, тъй като разходите се поемат от крайния потребител.“

Сп. "Тема"