Tεχνικό - Tεχνολογία υλικών
TEXNIKA ΘΕΜΑΤΑΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΥΛΙΚΩΝ
EVOLUTION, NOT REVOLUTION(*)
Η αλήθεια είναι ότι τα υλικά που θα χρησιμοποιούνται στην παραγωγή των
αυτοκινήτων το 2002 δεν θα διαφέρουν ουσιαστικά από τα σημερινά.
Σήμερα ένα αυτοκίνητο αποτελείται κατά μέσον όρο από 120 κιλά πλαστικό, 120
κιλά αλουμίνιο και 807 κιλά χάλυβα, αναλογίεςπου μάλλον ελάχιστα αναμένεται
να μεταβληθούν. Οι αλλαγές που θα πραγματοποιηθούν θα είναι μικρές,
συνολικά όμως θα διαφοροποιήσουν την ποιότητα των αυτοκινήτων, ακόμα και αν
αυτό δεν θα μπορεί ο μέσος οδηγός να το αντιληφθεί εύκολα.
(*) Εξέλιξη, όχι επανάσταση
Της Αλεξανδρινής Πέτρου
O ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΣ ΚΥΡΙΑΡΧΟΣ: Τα πρώτα πλαστικά χρησιμοποιήθηκαν για την
κατασκευή εσωτερικών τμημάτων του αυτοκινήτου (διακοσμητικών, χειρολαβών
κ.λπ.) αντικαθιστώντας βέβαια αντίστοιχα μεταλλικά.
H λογική συνέχεια, ήταν -σε συνδυασμό και με την εξέλιξη των υλικών- τα
πρώτα πλαστικά εξωτερικά εξαρτήματα, όπως πόρτες, προφυλακτήρες, φτερά
κ.λπ., ενώ ο κατάλογος των εξαρτημάτων από «πλαστικό» αυξάνεται συνεχώς,
ακόμα και σε τμήματα του αυτοκινήτου που παραδοσιακά κυριαρχούσε το
μέταλλο.
Σήμερα, μιλώντας για «πλαστικά» περιλαμβάνουμε ένα πλήθος υλικών, από το
νάιλον και τα απλά πολυμερή μέχρι τα λεγόμενα σύνθετα υλικά. Βέβαια στα
μάτια του καταναλωτή όλα αυτά ελάχιστα διαφέρουν, (και ενδεχομένως
ενδιαφέρουν) αλλά η αλήθεια είναι ότι οι διαφορές τους είναι αρκετά
μεγάλες, ενώ οι προσπάθειες των εταιρειών παραγωγής έχουν επικεντρωθεί στην
μείωση του κόστους σε συνδυασμό με τη βελτίωση των τεχνικών τους
χαρακτηριστικών.
Παράλληλα ακολουθώντας τις ανάγκες των καιρών οι εταιρείες έχουν εντάξει
στο σχεδιασμό του προϊόντος τις προδιαγραφές ανακύκλυσής τους.
Ένα από τα πιο κοινά υλικά είναι το SMC (Sheet Molding Composite), το οποίο
χρησιμοποιείται κατά κόρον στην κατασκευή μεγάλων εξωτερικών επιφανειών.
Εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1966 στην πίσω αεροτομή των στέσιον βάγκον
της Κράισλερ, ενώ από τότε μέχρι τώρα η χρήση του επεκτάθηκε δραματικά. Στα
μοντέλα του 1997 έχουν χρησιμοποιηθεί τμήματα από SMC σε περισσότερα από 11
εκατομμύρια αυτοκίνητα, ενώ το συνολικό τους βάρος φτάνει τα 21,2
εκατομμύρια τόνους.
Το 85% των εφαρμογών του υλικού αυτού αφορά τις εξωτερικές επιφάνειες, όπως
τα καπό, σκοπός για τον οποίο απορροφήθηκαν συνολικά 11,3 τόνοι.
Εδώ θα πρέπει να πούμε ότι η χρήση του SMC είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στα
μεγάλα φορτηγά, όπως το Volvo 2200 και το Kenworth T-2000, όπου η μείωση
του συνολικού βάρους είναι πρωταρχικής σημασίας.
Στο τελευταίο μάλιστα έχουν χρησιμοποιηθεί συνολικά 362 κιλά, στην
κατασκευή των θυρών, του καπό, της αεροτομής της οροφής, στους
προφυλακτήρες, στα ρεζερβουάρ, στα αλεξήλια και τις κολώνες.
Το SMC όμως χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα και στο πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο
παραγωγής, το EV1 της General Motors, (που παράγεται με τα εμβλήματα της
Σατούρν) τα περισσότερα μέρη του αμαξώματος του οποίου -πόρτες, καπό,
οροφή- έχουν κατασκευαστεί από το υλικό αυτό. Αν θέλουμε να γίνουμε πιο
συγκεκριμένοι για τα τμήματα του αμαξώματος του EV1 χρησιμοποιήθηκε SMC
χαμηλής πυκνότητας με μικροσφαιρίδια γυαλιού, το οποίο είχε ειδικό βάρος
μόλις 1,3 g/cm3, τη στιγμή που η αντίστοιχη τιμή του συμβατικού SMC είναι
1,9 g/cm3 και του χάλυβας 7,8 g/cm3.
Το ενδιαφέρον των εταιρειών παραγωγής πλαστικών ή καλύτερα συνθετικών
υλικών έχει στραφεί τα τελευταία χρόνια και σε εφαρμογές στο χώρο των
κινητήρων και των συστημάτων μετάδοσης.
Για παράδειγμα το Minlon (mineral reinforced nylon) αντικατέστησε το
μαγνήσιο σαν υλικό κατασκευής στο καπάκι των βαλβίδων των τελευταίων
εξακύλινδρων κινητήρων (2,5 και 2,8 λίτρων) της BMW. Τα βασικά
πλεονέκτηματά του σε σχέση με το μαγνήσιο είναι ότι το κόστος παραγωγής και
συναρμολόγησης είναι μόλις το ένα τρίτο, ενώ παράλληλα δεν απαιτείται και
επιφανειακή κατεργασία του για αντιδιαβρωτική προστασία.
Το ίδιο συνέβη και με τα καπάκια των βαλβίδων της τελευταίας έκδοσης της
Πόρσε 911, τα οποία είναι κατασκευασμένα από το Zytel (νάιλον 6,6
ενισχυμένο με ίνες γυαλιού) της DuPont. Από το ίδιο υλικό είναι
κατασκευασμένη και η πολλαπλή εισαγωγής στον V8 του Φορντ Μάστανγκ του
1996, ο οποίος έχει συνολικό βάρος μόλις 4,08 κιλά και θεωρείται το
μεγαλύτερο και πολυπλοκότερο εξάρτημα από σύνθετο υλικό που έχει
κατασκευαστεί μέχρι στιγμής.
Το Zytel αποτελεί πάντως μια πολύ καλή επιλογή για συνδέσμους, ηλεκτρικά
«φις» και μικρούς ηλεκτροκινητήρες, καθώς προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα
σε θέματα μείωσης βάρους και θερμικής αντοχής.
Ένα από τα παραδοσιακά τμήματα από «πλαστικό» ενός αυτοκινήτου είναι και το
ταμπλό. Εδώ η επικράτηση των θερμοπλαστικών, όπως είναι η ονομασία των
υλικών που χρησιμοποιούνται, είναι απόλυτη, ενώ η προσπάθεια των εταιρειών
στρέφεται πλέον στη δημιουργία υλικών που είναι μαλακά στην αφή και δεν
επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις αλλαγές της θερμοκρασίας, προκειμένου
να ελαχιστοποιηθούν οι τριγμοί που παρουσίαζαν τα παλαιότερα υλικά.
Το πολυπροπυλένιο είναι το πλέον κοινό θερμοπλαστικό υλικό, αφού είναι το
πιο πρόσφορο στην δημιουργία επιφανειών με πολύπλοκη γεωμετρία. Από τους
860 εκατομμύρια τόνους θερμοπλαστικών που χρησιμοποιήθηκαν το 1995 οι 270
ήταν πολυπροπυλένιο, ενώ οι υπόλοιποι πολυαιθυλένιο. πολυεστέρες, PVC,
νάιλον, κ.α.
Ένας άλλος τομέας στον οποίο τα τελευταία χρόνια τα πλαστικά έχουν
αντικαταστήσει τα μέταλλα είναι τα ρεζερβουάρ καυσίμου.
Σήμερα το 65% των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων και το 35% των αμερικανικών
διαθέτουν ρεζερβουάρ κατασκευασμένα από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας
(High Density Polyethylene - HDPE), όπως αυτό της Z3 της BMW.
Ο βασικός λόγος για την αλλαγή αυτή είναι το χαμηλότερο βάρος, η δυνατότητα
σχεδιασμού πολύπλοκων επιφανειών σε μαζική παραγωγή, η αντοχή στη διάβρωση
και οι μειωμένες αναθυμιάσεις καυσίμου. Τα ρεζερβουάρ από HDPE καλύπτουν
τις πρόσφατες αυστηρές αμερικανικές προδιαγραφές για τις εκπομπές
αναθυμιάσεων καυσίμου, χωρίς η συμπεριφορά τους αυτή να μεταβάλλεται με την
πάροδο του χρόνου, λόγω ενδεχόμενης γήρανσης.
Σύμφωνα με τους ειδικούς η χρήση των πλαστικών θα επεκταθεί ριζικά τα
επόμενα χρόνια, ιδιαίτερα μάλιστα σε εφαρμογές μέσα στο χώρο του κινητήρα,
καθώς τα νέα υλικά επηρεάζονται σημαντικά λιγότερο από τις υψηλές
θερμοκρασίες.
Για παράδειγμα σε ένα μέσο αυτοκίνητο χρησιμοποιούνται σήμερα στο χώρο του
κινητήρα 5,03 κιλά νάιλον, ενώ το 2005 εκτιμάται ότι θα φτάσει τα 6,55
κιλά.
Αλουμίνιο - το υλικό της μόδας
H τελευταία πενταετία χαρακτηρίζεται από την εντυπωσιακή αύξηση της χρήσης
του αλουμινίου στην αυτοκινητοβιομηχανία, η οποία έφτασε το 80%.
Σύμφωνα με την Αμερικανική Ένωση Αλουμινίου το 1996 η χρήση του
συγκεκριμένου μετάλλου στην αυτοκινητοβιομηχανία έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια
τόνους, ενώ είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι το 58% της ποσότητας αυτής
προέρχεται από ανακυκλωμένο αλουμίνιο.
Το μεγαλύτερο μέρος του υλικού απορροφάται στην κατασκευή κινητήρων
-περίπου 540 εκατομμύρια τόνοι- στην κατασκευή τμημάτων μετάδοσης, όπως
κελύφη κιβωτίων, σώματα υδραυλικών βαλβίδων κ.λπ. Από εκεί και πέρα
ιδιαίτερα μεγάλη κατανάλωση υπάρχει στην κατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων,
που παραδοσιακά κατασκευάζονται από αλουμίνιο, όπως οι τροχοί αλλά και τα
ψυγεία και οι εναλλάκτες θερμότητας.
Η χρήση του στην κατασκευή τμημάτων του αμαξώματος καθώς και του
αυτοφερόμενου πλαισίου, όπως στην περίπτωση του Α8 της Audi, εξαρτάται από
την εξέλιξη των τεχνολογιών παραγωγής.
Το Panoz AIV Roadster του 1996 αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μια νέας
τεχνολογίας.
Με την ονομασία RHT (Retrogression Heat Treatment) είναι εφικτή η παραγωγή
και οι συνδέσεις ενός αλουμινένιου πλαισίου χωρίς συγκολλήσεις ή χρήση
ειδικής κόλλας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ταχύτερη και αποδοτικότερη
συναρμολόγηση, έτσι ώστε το διάστημα παραγωγής ενός μικρού σπορ αυτοκινήτου
να μην διαφέρει από αυτόν ενός αυτοκινήτου μαζικής παραγωγής. Τα τμήματα
από χάλυβα του αυτοφερόμενου πλαισίου έχουν αντικατασταθεί από αλουμινένια
ελάσματα τα οποία συνδέονται με πρεσάρισμα, ενώ τα καμπυλωτά τμήματα
μορφοποιούνται με την μέθοδο RHT. Το πλαίσιο «κλείνει» με ένα χαλύβδινο
πλαίσιο, ενώ συμπληρώνεται με αλουμινένιες πλάκες, με αποτέλεσμα το
αλουμίνιο να καλύπτει τελικά το 65% της κατασκευής.
Το βασικότερο πρόβλημα όμως του αλουμινίου είναι το υψηλό του κόστος, μιας
και κοστίζει τέσσερις φορές περισσότερο από το χάλυβα. Από την άλλη όμως η
χρήση του θα μεγαλώσει όσο η τιμή του στην αγορά σταθεροποιείται, όσο
βελτιώνονται οι μέθοδοι συγκόλλησης του και εφαρμόζονται πιο εύκολοι τρόποι
μορφοποίησης.
Χάλυβας - η μεγάλη επιστροφή
Παρά το γεγονός ότι τα τελευταία είκοσι χρόνια όλο και περισσότερα τμήματα
ενός αυτοκίνήτου κατασκευάζονται από «πλαστικά» ή αλουμίνιο, ο χάλυβας
παραμένει το κυρίαρχο υλικό κατασκευής, τουλάχιστον για αυτοκίνητα μαζικής
παραγωγής.
Το βασικό του πλεονέκτημα είναι η χαμηλή τιμή του σε σχέση με τα άλλα υλικά
και φυσικά η μεγάλη εμπειρία που υπάρχει στην παραγωγή αλλά και στη
μορφοποίησή του.
Παρά ταύτα, οι ανάγκες για τη μείωση του βάρους των αμαξωμάτων αλλά και της
ταυτόχρονης αύξησης της αντοχής τους οδήγησαν 30 εταιρείες παραγωγής
εξαρτημάτων από χάλυβα στις Η.Π.Α. να θεσπίσουν το 1992 τις προδιαγραφές
ενός μοντέλου αμαξώματος με πολύ χαμηλό βάρος.
Το Ultralight Steel Auto Body (Υπέρ-ελαφρύ Αμάξωμα από Χάλυβα) θα πρέπει να
αποδεικνύει ότι μπορεί να υπάρξει ένα αυτοφερόμενο από χάλυβα, σχεδιασμένο
έτσι ώστε να εκμεταλλεύεται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τις φυσικές
ιδιότητες του υλικού, με όσο το δυνατό χαμηλότερο βάρος, που όμως από την
άλλη θα καλύπτει και τις απαιτήσεις παθητικής ασφάλειας.
Με βάση τις απαιτήσεις αυτές η αμερικάνικη εταιρεία Porche Engineering
Services Inc. παρουσίασε ένα αμάξωμα με προδιαγραφές πραγματικά
εντυπωσιακές, εάν συγκριθεί με ένα συμβατικό.
Το βάρος του είναι μικρότερο κατά 25% (φτάνοντας συνολικά τα 200 κιλά), η
στρεπτική του ακαμψία μεγαλύτερη κατά 132% και το κόστος του μειωμένο κατά
154 δολάρια ή αν θέλετε κατά 42.000 δραχμές.
Η κατασκευή του θα είναι δυνατή με τις υπάρχουσες μηχανουργικές
τεχνολογίες, οι συγκολλήσεις θα γίνονται με λέιζερ, ενώ για την μορφοποίηση
των τμημάτων του θα εφαρμοστεί η νέα τεχνολογία hydroforming.
Τέλος, ένα από τα πλεονεκτήματά του είναι ότι θα εκμεταλλεύεται την
υπάρχουσα τεχνολογία ανακύκλυσης των μεταλλικών τμημάτων.
Το κονσόρτσιουμ των εταιρειών θα επενδύσει 200 εκατομμύρια δολάρια μέσα στα
επόμενα δύο χρόνια για την δημιουργία πραγματικών μοντέλων για επίδειξη.
Παράλληλα θα ξεκινήσει μια ανάλογη μελέτη για το σχεδιασμό ενός ελαφρού
ημιφορτηγού, μια κατηγορία η οποία καλύπτει το 43% της αμερικάνικης αγοράς.
Μία διαφορετική πρόταση προέρχεται από τις εταιρείες Armco Inc. και
Autokinetics Inc. οι οποίες έχουν σχεδιάσει ένα πλαίσιο το οποίο
αποτελείται από τμήματα (modular design), τα οποία συνδέονται μεταξύ τους
με μια νέα τεχνολογία συγκόλλησης. Ο ανθρακοχάλυβας που χρησιμοποιείται για
τα σφυρήλατα τμήματα είναι ο Armco NITRONIC, με όριο ροής τα 830 ΜΡa, δεν
χρειάζεται αντιδιαβρωτική προστασία, έχει υψηλή επιφανειακή σκληρότητα και
είναι περισσότερο όλκιμος από τους κοινούς ανθρακοχάλυβες. Η μορφοποίηση
των περισσοτέρων τμημάτων θα γίνει με ψυχρή εξέλαση, μια πολύ κοινή μέθοδος
στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Η τελική επιλογή
H διαφοροποίηση των υλικών από τα οποία θα κατασκευάζονται τα αυτοκίνητα
στην επόμενη πενταετία ελάχιστα θα γίνουν αντιληπτές από τον καταναλωτή.
Και αυτό γιατί οι αυτοκινητοβιομηχανίες θα επικεντρωθούν στη μείωση του
κόστους παραγωγής και τη μείωση του βάρους, με τη διατήρηση όμως της
ποιότητας στα σημερινά επίπεδα. Κάποια εξαρτήματα θα αλλάξουν καθώς από
πλαστικά θα γίνουν μεταλλικά, κυρίως στο χώρο του κινητήρα, ενώ και τα νέα
«πλαστικά» θα είναι πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες και θα
προσφέρουν μειωμένο θόρυβο και κραδασμούς._Α.Π.