Ελαφριά Υλικά Μεταμορφώνουν το Μέλλον του Σχεδιασμού Αυτοκινήτων

Τι επιτρέπει στα αυτοκίνητα να διανύουν μεγαλύτερες αποστάσεις στην πορεία της εξοικονόμησης ενέργειας και της μείωσης των εκπομπών; Η απάντηση μπορεί να βρίσκεται σε τρία βασικά υλικά που αποτελούν τα σύγχρονα οχήματα. Από τη γέννηση του Model T της Ford μέχρι τα σημερινά ακμάζοντα νέα ενεργειακά οχήματα, η καινοτομία των υλικών παραμένει ο βασικός μοχλός της προόδου της αυτοκινητοβιομηχανίας. Αυτό το άρθρο επικεντρώνεται στην ελάφρυνση των οχημάτων, εξετάζοντας τους ρόλους του χάλυβα, του αλουμινίου και των πλαστικών στον σχεδιασμό του αμαξώματος των αυτοκινήτων, αναλύοντας παράλληλα τα σχετικά υλικά και τις τεχνολογίες επεξεργασίας.

Στο κύμα της συνεχούς τεχνολογικής καινοτομίας των αυτοκινήτων, τα υλικά παίζουν καθοριστικό ρόλο. Ως η βάση της κατασκευής, μόνο μέσω εξελιγμένων τεχνικών επεξεργασίας μπορούν τα υλικά να μετατραπούν σε λειτουργικά εξαρτήματα αυτοκινήτων. Ένα συμβατικό όχημα με κινητήρα εσωτερικής καύσης αποτελείται συνήθως από δεκάδες χιλιάδες εξαρτήματα. Για την ενίσχυση της λειτουργικότητας των εξαρτημάτων και τη βελτίωση της απόδοσης καυσίμου, η ζήτηση της βιομηχανίας για προηγμένα υλικά συνεχίζει να αυξάνεται, οδηγώντας στην εμφάνιση νέων λύσεων υλικών.

Σύμφωνα με τα πρώτα στοιχεία έρευνας από την Japan Automobile Manufacturers Association (JAMA), η αναλογία σύνθεσης των αυτοκινητιστικών υλικών έχει υποστεί αλλαγές από την πετρελαϊκή κρίση. Τα υλικά χάλυβα—συμπεριλαμβανομένων των χαλύβδινων πλακών, του δομικού χάλυβα, του ανοξείδωτου χάλυβα και του χυτοσιδήρου—έχουν δει την αναλογία τους να μειώνεται ελαφρώς από περίπου 80% σε περίπου 70%. Ωστόσο, ο χάλυβας παραμένει το κυρίαρχο υλικό στην κατασκευή αυτοκινήτων. Εν τω μεταξύ, η χρήση αλουμινίου και πλαστικών έχει δείξει ανοδική τάση, με το αλουμίνιο και άλλα μη σιδηρούχα μέταλλα να αντιπροσωπεύουν περίπου το 8% και τα πλαστικά να φτάνουν σε παρόμοια επίπεδα. Αν και τα δεδομένα της JAMA επεκτείνονται μόνο μέχρι το 2001, οι εκτιμήσεις της βιομηχανίας υποδηλώνουν ότι τα πλαστικά αποτελούν πλέον σχεδόν το 10% των αυτοκινητιστικών υλικών. Αυτή η αλλαγή στη σύνθεση των υλικών προέρχεται σε μεγάλο βαθμό από τις εκτιμήσεις ελάφρυνσης, που επιτυγχάνονται κυρίως με την αντικατάσταση του παραδοσιακού χάλυβα με εναλλακτικές λύσεις αλουμινίου και πλαστικού.

Έτσι, ο χάλυβας, το αλουμίνιο και τα πλαστικά αποτελούν τους τρεις πυλώνες των δομικών υλικών αυτοκινήτων. Φυσικά, η σύνθεση του οχήματος εκτείνεται πέρα από αυτά τα τρία υλικά—το καουτσούκ για τα ελαστικά, το γυαλί ασφαλείας για τα παρμπρίζ, τα κεραμικά για τους αισθητήρες και η πλατίνα για τους καταλυτικούς μετατροπείς, όλα χρησιμεύουν ως απαραίτητα εξαρτήματα. Η ολοκληρωμένη εφαρμογή αυτών των υλικών καθιστά δυνατά τα σύγχρονα αυτοκίνητα, ενώ η ανάπτυξη των αυτοκινήτων οδηγεί ταυτόχρονα στη βελτιστοποίηση των υπαρχόντων υλικών και στην έρευνα νέων.

Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1980, τα κεραμικά υλικά τράβηξαν την προσοχή ως το «τρίτο υλικό» μετά τα μέταλλα και τα πλαστικά, κυρίως λόγω της ανώτερης αντοχής τους σε υψηλές θερμοκρασίες σε σύγκριση με τα κράματα μετάλλων. Μια πρωτοποριακή καινοτομία εμφανίστηκε το 1985, όταν το μοντέλο Fairlady Z της Nissan ενσωμάτωσε μια κεραμική τουρμπίνα σιλικόνης νιτριδίου. Με πυκνότητα μόλις 3,2 g/cm³—σημαντικά χαμηλότερη από το κράμα Inconel (8,5 g/cm³) που χρησιμοποιούνταν συνήθως για τις λεπίδες τουρμπίνας εκείνη την εποχή—αυτό το υλικό μείωσε σημαντικά το βάρος του ρότορα και βελτίωσε την απόκριση του κινητήρα.

Οι κεραμικές βαλβίδες κινητήρα νιτριδίου του πυριτίου υποβλήθηκαν επίσης σε εκτεταμένη έρευνα και έφτασαν σε στάδια δοκιμών πρωτοτύπων. Η τεχνολογία λείανσης για αυτό το υλικό υψηλής σκληρότητας—ιδιαίτερα ο οικονομικά αποδοτικός ποιοτικός έλεγχος—εμφανίστηκε ως μια κρίσιμη τεχνική πρόκληση, υπογραμμίζοντας και πάλι τη σημασία των τεχνικών επεξεργασίας υλικών. Τα κεραμικά παίζουν επίσης ζωτικούς ρόλους σε περιβαλλοντικές εφαρμογές: κεραμικά ζιρκονίας σε αισθητήρες οξυγόνου οχημάτων βενζίνης, κεραμικά κορδιερίτη σε υποστρώματα καταλυτικών μετατροπέων και κεραμικά καρβιδίου του πυριτίου σε φίλτρα σωματιδίων ντίζελ (DPF) για τον καθαρισμό των καυσαερίων.

Τα DPF, που εφαρμόστηκαν για πρώτη φορά στο 2000 Peugeot 607, συλλαμβάνουν σωματιδιακή ύλη (PM) από τα καυσαέρια ντίζελ χρησιμοποιώντας δομές κηρήθρας με πορώδεις τοίχους. Αυτή η τεχνολογία απαιτεί ακριβή έλεγχο των διαστάσεων των μικροπόρων και προηγμένες τεχνικές επεξεργασίας κηρήθρας. Μια τυπική μονάδα DPF επιβατικού οχήματος ζυγίζει 3-6 kg, αυξάνοντας αναπόφευκτα το συνολικό βάρος του οχήματος.

Η ελάφρυνση των οχημάτων στοχεύει κυρίως στη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και στην ενίσχυση της δυναμικής απόδοσης. Υπό αυξανόμενες περιβαλλοντικές πιέσεις, οι βελτιώσεις στην απόδοση καυσίμου έχουν καταστεί ιδιαίτερα κρίσιμες. Υπάρχουν πολλαπλές προσεγγίσεις για την επίτευξη χαμηλότερης κατανάλωσης καυσίμου—συμπεριλαμβανομένης της βελτιστοποίησης της καύσης του κινητήρα, της μείωσης των απωλειών τριβής, της βελτίωσης της απόδοσης μετάδοσης ισχύος, της μείωσης της αεροδυναμικής και της αντίστασης κύλισης και της μείωσης του βάρους του οχήματος. Μεταξύ αυτών, η ελάφρυνση αποτελεί ένα από τα πιο κρίσιμα μέτρα. Δεδομένου ότι το αμάξωμα αποτελεί το βαρύτερο εξάρτημα του οχήματος, η ελάφρυνση του αμαξώματος αποδεικνύεται απαραίτητη για την οικονομία καυσίμου. Για τα ηλεκτρικά οχήματα, η μείωση του βάρους επεκτείνει επιπλέον την εμβέλεια οδήγησης.

Εξετάστε ένα επιβατικό σεντάν 2,0 λίτρων με βάρος 1.214 kg: το ατσάλινο αμάξωμά του ζυγίζει 343 kg, που περιλαμβάνει ένα αμάξωμα-in-white (δομικό πλαίσιο) 261 kg συν 82 kg για πόρτες και καπό. Έτσι, το αμάξωμα αντιπροσωπεύει περίπου το 30% του συνολικού βάρους του οχήματος. Συγκριτικά, ο κινητήρας ζυγίζει 141 kg, συμπεριλαμβανομένου ενός χυτοσιδηρού μπλοκ κυλίνδρων 41 kg. Η αντικατάσταση αυτού με αλουμίνιο μειώνει το βάρος κατά 15 kg—ένα κλασικό παράδειγμα αντικατάστασης υλικού για ελάφρυνση.

Η μικρογραφία εξαρτημάτων προσφέρει μια άλλη σημαντική προσέγγιση ελάφρυνσης. Η μείωση των μεγεθών των εξαρτημάτων του κινητήρα και του χώρου του κινητήρα όχι μόνο επεκτείνει τον χώρο της καμπίνας, αλλά αυξάνει επίσης τις ζώνες προστασίας σε περίπτωση σύγκρουσης, βελτιώνοντας την ασφάλεια σε περίπτωση σύγκρουσης. Η μικρογραφία ενισχύει επίσης την ευελιξία του σχεδιασμού του αμαξώματος. Για παράδειγμα, ένα σύγχρονο ελαφρύ όχημα (βάρος 718 kg) διαθέτει αμάξωμα 206 kg—διατηρώντας μια παρόμοια αναλογία βάρους αμαξώματος προς όχημα με το σεντάν 2,0 λίτρων (βλ. Πίνακα 1).

Τα αμαξώματα αυτοκινήτων αντιπροσωπεύουν μερικές από τις μεγαλύτερες και πιο σύνθετες δομές οχημάτων, καθιστώντας τα βασικούς στόχους για την ελάφρυνση. Ο σχεδιασμός του αμαξώματος πρέπει να ικανοποιεί πολλαπλές απαιτήσεις απόδοσης—συμπεριλαμβανομένης της αντοχής, της ακαμψίας, της ανθεκτικότητας, της αντοχής στη διάβρωση, της απόδοσης NVH (θόρυβος, κραδασμοί και σκληρότητα) και της ασφάλειας σε περίπτωση σύγκρουσης—χωρίς συμβιβασμούς από τις προσπάθειες μείωσης του βάρους.

Ο χάλυβας υψηλής αντοχής (HSS) χρησιμεύει ως ένα κρίσιμο υλικό ελάφρυνσης. Με την αύξηση της αντοχής του χάλυβα, οι κατασκευαστές μπορούν να μειώσουν τη χρήση υλικού χωρίς να θυσιάσουν τη δομική απόδοση. Οι προηγμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής (AHSS)—συμπεριλαμβανομένων των διφασικών (DP), της πλαστικότητας που προκαλείται από τη μετατροπή (TRIP), της σύνθετης φάσης (CP) και των μαρτενσιτικών (MS) χαλύβων—διαθέτουν όλο και πιο διαδεδομένες εφαρμογές αυτοκινήτων. Αυτά τα υλικά προσφέρουν υψηλότερη αντοχή και καλύτερη μορφοποίηση για ελαφρύτερες, ασφαλέστερες δομές αμαξώματος.

Το τελευταίο μοντέλο ενός κατασκευαστή αυτοκινήτων χρησιμοποιεί εκτεταμένα AHSS για να μειώσει το βάρος του αμαξώματος κατά 15% βελτιώνοντας παράλληλα την ακαμψία και την ασφάλεια σε περίπτωση σύγκρουσης. Ο χάλυβας θερμής μορφοποίησης ενισχύει επίσης συνήθως κρίσιμα δομικά εξαρτήματα όπως οι κολόνες Α και οι κολόνες Β για την ενίσχυση της αντοχής σε περίπτωση σύγκρουσης.

Τα κράματα αλουμινίου παρέχουν μια άλλη σημαντική λύση ελάφρυνσης. Με πυκνότητα περίπου το ένα τρίτο του χάλυβα, η αντικατάσταση του αλουμινίου μειώνει σημαντικά το βάρος του αμαξώματος. Η εξαιρετική μορφοποίηση και η αντοχή στη διάβρωση του αλουμινίου διευκολύνουν τις διαδικασίες κατασκευής. Οι τρέχουσες εφαρμογές περιλαμβάνουν πάνελ αμαξώματος, δομικά εξαρτήματα, συστήματα ανάρτησης και εξαρτήματα κινητήρα.

Η Audi A8 αποτελεί παράδειγμα κατασκευής αμαξώματος εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο, επιτυγχάνοντας περίπου 40% μείωση βάρους σε σύγκριση με τα συμβατικά ατσάλινα αμαξώματα. Η Tesla Model S χρησιμοποιεί επίσης εκτενώς αλουμίνιο για τη μείωση του βάρους και την επέκταση της εμβέλειας.

Τα πλαστικά και τα σύνθετα υλικά προσφέρουν πρόσθετες οδούς ελάφρυνσης. Η ουσιαστικά χαμηλότερη πυκνότητά τους σε σχέση με τα μέταλλα επιτρέπει σημαντική εξοικονόμηση βάρους, ενώ η εξαιρετική ευελιξία σχεδιασμού και η αντοχή στη διάβρωση ταιριάζουν σε εξαρτήματα σύνθετου σχήματος. Οι τρέχουσες εφαρμογές περιλαμβάνουν προφυλακτήρες, φτερά, πάνελ επένδυσης θυρών και πίνακες οργάνων.

Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα αντιπροσωπεύουν υλικά ελαφριάς κατασκευής υψηλής απόδοσης με εξαιρετική αντοχή και ακαμψία. Παρά το υψηλότερο κόστος, η χρήση τους σε οχήματα premium όπως τα i3 και i8 της BMW συνεχίζει να επεκτείνεται.

• Χάλυβες υψηλότερης αντοχής, υψηλότερης ολκιμότητας: Οι AHSS επόμενης γενιάς θα επιτρέψουν ελαφρύτερες, ασφαλέστερες δομές αμαξώματος.
• Κράματα αλουμινίου χαμηλότερου κόστους: Η προώθηση των τεχνολογιών παραγωγής θα επεκτείνει τις εφαρμογές αλουμινίου.
• Σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης: Τα ανθρακονήματα και παρόμοια υλικά θα δουν ευρύτερη υιοθέτηση.
• Υβριδοποίηση πολλαπλών υλικών: Τα μελλοντικά αμαξώματα θα συνδυάζουν υλικά για τη βελτιστοποίηση της ελάφρυνσης.

Η ελάφρυνση των αυτοκινήτων αποτελεί μια συστηματική μηχανολογική πρόκληση που απαιτεί συντονισμένες προόδους στα υλικά, το σχεδιασμό και την κατασκευή. Καθώς οι τεχνολογίες προχωρούν, τα μελλοντικά οχήματα θα γίνουν ελαφρύτερα, πιο αποδοτικά και πιο περιβαλλοντικά βιώσιμα.