Udział kompozytów w środkach transportu cały czas rośnie

Czy przemysł automotive – ciężarówek jest gotowy do zastosowania materiałów kompozytowych na dużą skalę? Jeśli tak, to czy może to wyglądać jak skok w stosowaniu kompozytów lotniczych – na przykład z 9% masy kompozytów w Boeing 777, do 50% w Boeing 787? Według znawców branży transportowej, wzrost zastosowań kompozytów jest realną możliwością, choć nieco mniejszej skali niż ta, która ma miejsce na rynku samolotów pasażerskich, i nie wcześniej niż w połowie 2020 roku. Jeśli on nastąpi, będzie on miał wspólną cechę z samolotami komercyjnymi: znaczny wzrost masy kompozytów będzie prawdopodobnie wynikiem przejścia kompozytów do produkcji głównych elementów.

Co ważne, potrzeba zmiany celowych – czystego, „technicznego” podejścia projektowego – jest podkreślana jako warunek wstępny każdej takiej zmiany. Prawie każdy obecny pojazd posiada osłony kompozytowe. Uważa się, że aby uzyskać znaczące nowe oszczędności masy i wydajności, producentom OEM najlepiej służy projektowanie „od podstaw” czyli „nie bierz wszystkich starszych elementów ”i spróbuj po prostu zastąpić stal kompozytem. Konsolidacja części poprawi wartość nowych projektów kompozytowych, można także zintegrować dach, a wówczas nie potrzeba owiewki na górze. Zintegrowana jednostka staje się mono strukturalna i kompletna. Oszczędzamy czas i pieniądze.

Wprowadzona obecnie technologia samochodów ciężarowych i przyczep odbywa się zatem na podstawowym, systemowym poziomie, obejmującym układ napędowy, wały napędowe, osie, zawieszenia i koła, a także elementy częściej kojarzone z kompozytami – kabina ciężarówki, podłoga i ścianami naczep oraz w przyszłości rama i podwozie.

Obecnie producenci ciężkich samochodów ciężarowych i przyczep są na etapie zdobywania doświadczenia w produkcji materiałów kompozytowych. Właściwości i wydajności układów są oparte dzięki zastosowaniu komponentów kompozytowych, a niektóre firmy nawet już dokonały przejścia.

Prognozy rynkowe dla tych komponentów są optymistyczne. Na przykład raport z postępów prac Future Market Insights (Londyn, Wielka Brytania) przewiduje krótkoterminową poprawę na rynku ciężkich ciężarówek wykonanych z zaawansowanych materiałów, w tym kompozytów, z długoterminowym (10- letnim) oczekiwana roczna stopa wzrostu na poziomie 6-8% na całym świecie.

Jak sytuacja sytuacja za „wielką wodą”?

Obecne kompozyty znajdują zastosowanie u producentów komponentów obsługujących sektor ciężkich samochodów ciężarowych i przyczep. Na przykład CMT, (Columbus, OH, USA) zakończyła z wielką pompą produkcję 2-milionowej ciężarówki, informując jednocześnie, iż wdrożyła 32 programy plandekowe i zabudowy dla siedmiu marek ciężarówek. Elementy polimerowe wzmocnione włóknem szklanym CMT są produkowane w różnych procesach, od formowania natryskowego z włókna szklanego do wysokociśnieniowego formowania tłocznego mieszanki do formowania arkuszy.

Inny przykład, to przedsiębiorstwo Molded Fiber Glass Cos. (Ashtabula, OH, USA) firma chwali się działalnością pionierską w ciężkich pojazdach ciężarowych, której początki sięgają lat sześćdziesiątych, obecnie rocznie produkcje 40 000 kompozytowych pokryw dachowych.

O tym, że rynek dojrzewa do nowych produktów, świadczy historia Fusion Floor firmy Havco Wood Products LLC (Scott City, MO, USA). Formy odpowiedzialnej za zabudowy specjalistyczne samochodów. Nowy produkt hybrydowy, w którym panel szklano-epoksydowy, jest produkowany na podwójnej prasie taśmowej, następnie łączony z laminowaną podłogą dębową. Produkt ten, opracowywany od 1993 r. Trafił do produkcji w 2000 r .; ale dopiero w 2007 r. sprzedaż wyraźnie przyspieszyła. Twórca Fusion Floor, Gopal Padmanabhan, wiceprezes ds. Rozwoju produktów, zaprezentował opatentowaną technologię na forum targów JEC Composites Forum w tym samym roku Havco zaprezentowało dane z 10-letniego testu swojej podłogi. Wyniki jednoznacznie pokazały, że 10-letnia kompozytowa deska podłogowa jest mocniejsza niż nowa standardowa deska podłogowa dębowa.

Havco twierdzi, że sprzedał ponad 300 000 swoich podłóg kompozytowych / drewnianych. Takie podłogi zdobyły rosnący udział w rynku furgonetek do przewozu ładunków suchych w latach 2007–2017, osiągając udział na poziomie 16%. Jednym z wyzwań stojących przed Havco jest jednak to, że jego patenty w Ameryce Północnej wygasły w 2016 i 2017 r., Co doprowadziło do zwiększenia konkurencji. Wraz z innymi firmami, które próbują swoich sił w posadzkach drewnianych / kompozytowych, pojawiły się różne podejścia i jakość.

Havco kontynuuje rozwój technologii. Od momentu wprowadzenia produktu firma współpracowała z dostawcami w celu zwiększenia zawartości szkła w laminacie kompozytowym epoksydowym z 70% do 75%. Havco współpracuje również z producentami klejów topliwych i producentami urządzeń do laminowania, aby zwiększyć szybkość przetwarzania.

…a Europa?

W projektowaniu pojazdów użytkowych najmniej wykorzystywanym obszarem powodującym zmniejszenie zużycia paliwa jest polepszenie własności aerodynamicznych. Do tej pory stosowano co prawda owiewki montowane na dachu kabiny czy między kabiną a naczepą, ale nie traktowano aerodynamiki kompleksowo. Badania w tunelu aerodynamicznym są dość kosztowne i długotrwałe, a ich efekt można łatwo popsuć, np. opuszczając szybę w kabinie. Jednak coraz głośniej mówi się o wpływie oporów aerodynamicznych na zużycie paliwa. Niektórzy producenci, jak Scania, budują nawet własny kanał aerodynamiczny. W zasadzie teoria aerodynamiki jest opracowana od wielu, a praktykę poznano podczas badań nadwozi samochodów osobowych.

Najprostszą drogą poszedł Renault Trucks w prototypowym zestawie drogowym Optifuel Lab dokonując modyfikacji w produkowanym seryjnie modelu Premium. W ciągniku wydłużono o 30 cm zderzak, zmieniono kształt dachu kabiny i usunięto lusterka zewnętrzne, zastępując je kamerami. Między kabiną, a naczepą zastosowano spoilery boczne. Najwięcej zmian dokonano w naczepie: osłonięto koła jezdne, zastosowano dyfuzory powietrza optymalizujące jego przepływ pod zestawem. Z tyłu naczepy zamontowano spojlery o długości 70 cm pozwalające na maksymalne ograniczenie strefy turbulencji powietrza. Powstaje ona za samochodem podczas jazdy i działa hamująco na jego ruch. Zmieniono też kształt dachu naczepy z płaskiego na wypukły. Zestaw porusza się na oponach o zmniejszonych oporach toczenia Michelin Energy SaverGreen. Według Renault Trucks, eksperymentalny zestaw Optifuel Lab ze zmianami aerodynamicznymi napędzany silnikiem Euro 5 zużywa o 13% mniej paliwa w stosunku do porównywanego, obecnie produkowanego zestawu drogowego.

Jakie oszczędności daje sama aerodynamiczna naczepa? Na to pytanie starał się odpowiedzieć Mercedes-Benz, który opracował eksperymentalną naczepę o niskich oporach aerodynamicznych. Naczepę połączono z seryjnym, obecnie produkowanym ciągnikiem siodłowym Actros. W stosunku do wersji typowej, zestaw ciągnik siodłowy Actros i eksperymentalna naczepa ma o 17 – 18% mniejszy współczynnik oporu powietrza. Zdaniem Mercedesa-Benza zmniejszenie tego współczynnika o 18% powoduje zmniejszenie zużycia paliwa o 5%. Przy rocznych przebiegach rzędu 150 tys. km aerodynamiczna naczepa pozwala więc zaoszczędzić ok. 2000 litrów oleju napędowego. W aerodynamicznej naczepie zastosowano: 

– spoiler między naczepą a ciągnikiem – oszczędność o 1%, 

– boczne osłony – oszczędność o 8%,

– tylny dyfuzor i panele podwoziowe – oszczędność o 1-2%,

– tylne osłony o długości 40 cm – oszczędność o 7%. 

MAN opracował aerodynamiczny zestaw drogowy od podstaw. Prototypowy zestaw – ciągnik siodłowy i naczepa o futurystycznych kształtach nazwano sugestywnie Concept S. Zestaw zbadano w tunelu aerodynamicznym. Firma twierdzi, że współczynnik oporu powietrza tego zestawu jest porównywalny z samochodem osobowym. Podaje się, że zużycie paliwa Concept S jest aż o 25% niższe od porównywalnego 40-tonowego ciągnika o tradycyjnej budowie. 

Dlaczego nie wprowadza się do seryjnej produkcji aerodynamicznych naczep? Nie pozwalają na to obowiązujące przepisy. Eksperymentalne, aerodynamiczne naczepy przy zachowaniu dotychczasowych wymiarów przestrzeni ładunkowej przekraczają o ok. 50 cm dopuszczalny limit długości określony obowiązującymi przepisami. Jest to spowodowane głównie zastosowaniem tylnych osłon. Potrzebna jest więc zmiana przepisów. Wydaje się, że ten producent, który jako pierwszy wprowadzi do seryjnej produkcji aerodynamiczną naczepę, osiągnie sukces finansowy i przychylność ekologów.





Rozszerzający się zakres zastosowań

Pojawiające się i ciągle wzrastające dodatkowe zastosowania kompozytów w przyczepach, a także w aerodynamicznych elementach pomocniczych, takich jak spojlery i owiewki również daje obraz nowych możliwości. Trendy są zdecydowanie pozytywne, jednym z powodów (często kluczowym) jest koszt. Cena kompozytów na bazie polimerów spadła (i będzie spadać) dzięki optymalizacji stosunku żywicy do włókien, procesom produkcyjnym i stosunkowi wytrzymałości do masy.

Wśród producentów przyczep długodystansowych, Great Dane ma jedną z bardziej ugruntowanych historii z kompozytami. Firma oferuje podłogę hybrydową kompozytowo-drewnianą Wingolite firmy Prolam (Cap-Saint-Ignace, QC, CN) jako wyposażenie opcjonalne w suchych samochodach dostawczych Champion . PunctureGuard, laminat kompozytowy ze szkła / polipropylenu (PP), został wprowadzony na początku XXI wieku. Służy do ochrony wewnętrznych powierzchni przyczepy w zastosowaniach takich jak okładziny ścian bocznych i opaski na nogi, PunctureGuard nadal jest popularną opcją premium w furgonetkach Champion i jest standardowym wyposażeniem służącym jako wyłożenie w furgonetce Everest (lub chłodni) firmy Everest .

Linię chłodni Everest Great Dane można również wyposażyć w materiał izolacyjny ThermoGuard, który firma wprowadziła na rynek około roku 2010. Laminat ThermoGuard zawiera metalową warstwę barierową otoczoną warstwami kompozytu szklanego / polipropylenowego (PP), który jest wytwarzany przez podgrzewanie taśmowego formowania jednokierunkowego szkła i folii PP. Laminat uszczelnia piankę izolacyjną furgonu, aby zmniejszyć jego szybkość degradacji, zapobiec odgazowaniu i wnikaniu wody. (Absorpcja wody w izolowanych ścianach chłodni może również dodać masy pustej przyczepie, a także pogorszyć jakość izolacji.) Samochody dostawcze wyposażone w ThermoGuard tracą mniej niż 5% wydajności izolacji w ciągu pierwszych dwóch lat, w porównaniu z 15-20 % dla typowego konwencjonalnego wkładu. Po 5 latach degradacja termiczna ThermoGuard podobno utrzymuje się na poziomie poniżej 15%, w porównaniu do 30% w przypadku materiałów konwencjonalnych. Jest to istotna i zauważalna zmiana.

Inni producenci przyczep również wprowadzają technologię kompozytową w swojej ofercie chłodniczej. Wabash National Corp. (Lafayette, IN, USA) wprowadził na rynek w 2016 roku serię nadwozi typu chłodnia z zaawansowaną technologią formowanego kompozytu strukturalnego (MSC). MSC, który tworzy ściany przyczepy, podłogę i dach, składa się z wysokiej wydajności rdzeń piankowy zamknięty w powłoce polimerowej wzmocnionej włóknem i ochronnym żelkocie. Zwiększa on wydajność termiczną w porównaniu z konwencjonalnym materiałem ściennym nawet o 28%, podwaja odporność na przebicie i zmniejsza masę nawet o 20%. Daje to wymierne korzyści w postaci mniejszego montowalnego agregatu, mniejszego zużycia energii, zwiększonego zasięgu potencjalnych dostaw.

Poza komponentami furgonetek ciężarówek i przyczep, producentów wyżej wymienionych, także inni dostawcy, dostawcy (zarówno OIM jak i OIS), oferują liczne urządzenia aerodynamiczne, które pomagają zmniejszyć zużycie paliwa. Nowoczesne materiały są wykorzystywane do tworzenia owiewek czołowych, na dach i tylnych, a także paneli bocznych. Podczas gdy najpopularniejsza boczna osłona Wabash jest wykonana z materiału DuraPlate, firma oferuje również Aeroskirt CX, wykonany z polimeru wzmocnionego szkłem. Ponadto najnowszy produkt firmy, segmentowy (do pięciu paneli na stronę) Ventix DRS (Drag Reduction System), jest również wykonany z kompozytów. Segmenty osłony Ventix DRX eliminują opór, który tworzą standardowe owiewki, zatrzymując powietrze pod przyczepą. Segmentowa konfiguracja podobno zwiększa oszczędności paliwa o 50% więcej niż standardowe boczne osłony przyczepy.

Niektóre z najnowszych osiągnięć aerodynamicznych komponentów kompozytowych, a także innych zastosowań kompozytów, są wynikiem programu SuperTruck I Departamentu Energii USA (DOE). Zainteresowanie DOE długodystansowymi ciężkimi samochodami ciężarowymi wynika z możliwości, jakie ten sektor stwarza dla poprawy wydajności transportu towarowego i zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych: komercyjne ciężarówki stanowią tylko 4% pojazdów drogowych, ale zużywają 20% całości paliwa.

Choć programy takie jak SuperTruck pełnią rolę demonstratorów technologii, gotowość technologiczna była tylko drugim celem tej inicjatywy. W rzeczywistości TPI Composites zdecydowało się nie wykorzystywać okazji do udziału w SuperTruck I, ponieważ podejście głównego badacza, w którym zastosowano niestrukturalne elementy zewnętrzne z kompozytu z włókna węglowego, wydawało się „jednorazowym pojazdem pokazowym bez możliwości do produkcji” . Firma obawia się, czy nowe technologie mogą być wdrożone.

Kompozyt jako element nośny?

Podczas gdy spodziewany jest stały wzrost rynku w zastosowaniach kompozytów jako obudów i środków pomocniczych (jak wspominano wyżej) w samochodach ciężarowych i przyczepach, większe pytanie dotyczy tego, czy i kiedy kompozyty będą się rozwijać w zastosowaniach stricte mechanicznych. Inicjatywa DOT SuperTruck II, która rozpoczęła się w 2016 r., Daje uczestnikom możliwość zbadania kompozytów strukturalnych, które mogą wykroczyć poza status demonstratora czy prototypu i wprowadzić go do produkcji.

Główny inżynier Navistar zaawansowanych technologii Dean Oppermann mówi, że podczas SuperTruck I, Navistar (Lisle, IL, USA) celowo utrzymywał tę samą stalową konstrukcję kabiny, aby uniknąć głównych prac rozwojowych, które byłyby wymagane do włączenia kompozytów – radzenia sobie z nowymi materiały, nowe technologie formowania i nowe wyzwania w zakresie łączenia. Jednak w SuperTruck II Navistar i TPI dążą do „struktury i powłoki całkowicie złożonej”, kontynuuje Oppermann. „Aby uczynić go bardziej produktywnym, skupimy się na wzmocnieniu włókna węglowego tylko w miejscach, w których potrzebujemy mocy. Projektujemy go jako system. ”

Wspólny wysiłek SuperTruck II TPI Composites i Navistar wykorzystuje specjalnie zaprojektowane podejście systemowe. Altman z firmy TPI przewiduje, że jedną z dróg wejścia do pojazdów produkcyjnych może być fakt, że w przypadku kompozytów „Możemy przygotować narzędzia za ułamek kosztów metalowych narzędzi”. oprzyrządowanie dla dużych metalowych elementów ciężarówek może kosztować miliony, podczas gdy narzędzia kompozytowe są znacznie mniej kosztowne. Ta niska inwestycja kapitałowa pomogłaby uzasadnić biznesowo, zwłaszcza w przypadku modeli samochodów ciężarowych o mniejszej pojemności. Projekt musi czerpać korzyści z innych czynników, w tym niższej inwestycji w oprzyrządowanie, lub możliwości włączenia bardziej złożonych funkcji, takich jak profile aerodynamiczne.

Przyszłość …

W porównaniu ze zwykłymi naczepami ciągnikowymi, potencjał do skokowego wykorzystania kompozytów może być większy w przypadku pojazdów napędzanych alternatywnie – w szczególności pojazdów elektrycznych (EV). Możliwość zastosowania specjalnie zaprojektowanego podejścia do pojazdów elektrycznych, ich większej wrażliwości na wagę i niższych początkowych objętości tych pojazdów, powinna pomóc w uzasadnieniu kosztów projektowania, oprzyrządowania i produkcji w oparciu o kompozyt.

Altman z TPI cytuje kompozytową wizją Proterra (Burlingame, CA, US) jako modelową drogę do zastosowania większej ilości kompozytów. „Zaprojektowany specjalnie do tego celu projekt Catalyst zapewnia najlepszą ocenę wydajności w przypadku autobusu tranzytowego o długości 40 stóp, z ekwiwalentem do 28 mpg”, stwierdza Rick Huibregste, starszy wiceprezes ds. Inżynierii pojazdów w Proterra. „Autobusy Proterra to jedyne pojazdy masowego transportu zbudowane od podstaw jako pojazdy elektryczne. Dzięki unikalnemu aerodynamicznemu nadwoziu wykonanemu z połączenia zaawansowanych materiałów kompozytowych jesteśmy w stanie zredukować masę dla maksymalnej wydajności. ”Autobus jest w stanie osiągnąć nominalny zasięg do 700km (z pełnym ładunkiem), spełniając potrzeby agencji transportowych na północy Ameryki. „Podobnie jak w przypadku sukcesu Proterra, specjalnie skonstruowane ciężarówki kompozytowe zapewnią wiodącą w branży wydajność i podniosą poprzeczkę wydajności na nowy poziom”, uważa Altman.

Bardziej ostrożny jest Andrew Halonen z NACFE, prezes Mayflower Consulting LLC (Calument, MI, USA), który twierdzi, że postęp gospodarczy i technologiczny jest niezbędny do znacznego zwiększenia ilości kompozytów, szczególnie w przypadku elementów konstrukcyjnych. Klientowi końcowemu musi być narzucony biznes, zwłaszcza właścicielom flot, mówi. „Mają oni pełne zrozumienie kosztów swoich pojazdów”. O ile oszczędność paliwa podczas eksploatacji floty jest ważnym czynnikiem, to również wartość odsprzedaży jest istotna. Halonen twierdzi, że optymalny czas na odsprzedaż ciężarówki przez floty to 3-5 lat. Tak krótkie czas wywiera presję na obniżenie zwrotu z inwestycji, potrzebnego do premii kosztowej środków efektywności paliwowej. „Jeśli zamierzam zatrzymać ten pojazd przez 3 lata, dlaczego miałbym się przejmować, że nadwozie kompozytowe wytrzyma 10 razy dłużej?” – podkreśla Halonen.

Aby zbudować uzasadnienie ekonomiczne dla większej liczby kompozytów, Lee z Great Dane przytacza niezbędne zmiany rynkowe, aby uwzględnić obniżone koszty kompozytów z włókna węglowego i kompozytów z włókna szklanego, z wyższymi stosunkami wytrzymałości do masy dla zastosowań w przyczepach i na ścianach oraz kompozytach o wyższej wytrzymałości arkusze i panele. Sugeruje również potrzebę bardziej przyjaznych dla produkcji konstrukcji płyt warstwowych o wyższym stosunku wytrzymałości do masy oraz większej ilości materiałów rdzeniowych odpornych na wgniecenia i odkształcenia – wszystko to w bardziej ekonomicznych warunkach cenowych. Metody napraw są również istotnym problemem dla producentów ciężarówek i przyczep. Chociaż te techniki są dobrze opracowane w zastosowaniach kompozytowych w przemyśle lotniczym, rynek ciągników siodłowych wymaga szybszych i mniej pracochłonnych metod naprawy, aby naprawy były opłacalne.

Jak się rozwinie sytuacja zobaczymy, ale już widać trend w którym będzie podążać ścieżka zastosowań kompozytów branży automotive samochody ciężkie. Elementy wymagające skomplikowanego kształtowania i redukcji masy, będą wykonywane z kompozytów a ich udział będzie rósł. Pozostałe elementy (choć technicznie nie ma przeszkód) będą musiały poczekać na nową generację pojazdów. Będzie też rósł rynek pojazdów wysoko wyspecjalizowanych (np. wojskowych) gdzie kompozyt z racji swoich własności będzie wysoce pożądany.