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Zusammensetzungen: Auf guter Form

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Eine Reihe zusammengesetzte Materialien sind jetzt für Trägerhersteller vorhanden

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Obgleich die Vorteile der Plastikzusammensetzungen in der Automobilindustrie weithin bekannt sind, ist ihr Gebrauch durch hohe materielle Kosten, langsame Produktionsrate, Interessen über Wiederverwertbarkeit und den allgemeinen Mangel der Industrie an Erfahrung und Komfort mit dem Material im Vergleich mit Metallen behindert worden. Zusammensetzungproduzenten und -automobilhersteller arbeiten jetzt fieberhaft, um diese Probleme zu lösen, obgleich viel Arbeit bleibt erledigt zu werden.

Eine Zusammensetzung ist eine Kombination von zwei oder mehr Materialien, die bessere mechanische Eigenschaften als seine einzelnen Bestandteile besitzt. Im Gegensatz zu metallischen Legierungen behält jedes Material seine unterschiedlichen Chemikalien-, körperlichen und mechanischeneigenschaften. Die zwei Bestandteile einer Plastikzusammensetzung sind eine faserartige Verstärkung - basiert auf den Carbon-, Glas- oder natürlichenmaterialien wie Flachs - und eine Plastikmatrix. Die Verstärkung versieht die Zusammensetzung mit seiner Stärke und Steifheit, während die Matrix das Material zusammenhält.

Carbonfasern weisen im Allgemeinen ausgezeichnete dehnbare und zusammenpressende Stärke, demonstrieren hohen Modul (Steifheit), haben ausgezeichnete Ermüdungeigenschaften und korrodieren nicht auf. Sie sind benutzt worden, in der Formel 1 seit 1981 aber bis vor kurzem galten als zu teuer für alles ausgenommen leistungsstarke Straßenautos.

Der Ausgangspunkt für die Produktion der Carbonfaser ist der Vorläufer - gewöhnlich thermoplastisches polyacrylonitrile (WANNE), infolge von seinem hohen Maß molekularer Lagebestimmung, hochschmelzendem Punkt und hohem Ertrag. In einem schwierigen und energie-intensiven Prozess werden die Bestandteile dieses Vorläufers one-by-one entfernt und schließlich erbringen eine Faser, die aus praktisch reinem Carbon mit einer beständigen Graphitstruktur besteht.

Der Preis der WANNE wird am Preis des Öls gebunden, das hoch ist und in den letzten Jahren instabil gewesen ist. Außerdem erklärt die Produktion der Carbonfaser solch eine kleine Menge des Acrylonitrils, das jedes Jahr produziert wird und verkauft ist, dass die Industrie wenig Hebelkraft in dem Aushandeln der vorteilhafteren Preise mit den Produzenten vom thermoplastischen ausgedrückt hat.

Kurz gesagt ist die Produktion der Carbonfaser ein teurer und - in den Klimaausdrücken - schmutziger Prozess im Vergleich mit der Produktion der Metalle. Z.Z. ist das einzige massenproduzierte Auto, zum des intensiven Gebrauches der Carbonfaser zu kennzeichnen citycar BMWs i3.

Kosteneffektive Carbonfaser

An seiner Anlage im Moses See, produziert Washington, SGL Automobilcarbon-Fasern (ACF) Carbonfasern für die BMWi Modelle. Das Jointventure zwischen BMW-und SGL Gruppe Gebrauchelektrizität am Ort erzeugt unter Verwendung der Wasserkraft, um Energiekosten und die Auswirkung des Produktionsprozesses auf die Umwelt erheblich zu verringern.

Kostendegression ausnutzend, werden die Kosten des Produzierens der Carbonfaser weiter durch die Erhöhung des Ausganges der Anlage verringert. SGL-ACF plant, die Kapazität seiner Moses Seeanlage von 3kt ein Jahr zu 9kt ein Jahr bis zum 2015, an Kosten um €200m ($250m) zu verdreifachen. Die Expansion lässt auch BMW den Carbonfaserverstärkten Plastik (CFRP) Inhalt in seinen anderen Trägern erhöhen; 2015 fängt die Firma an, das Material in seinen Modellen 7-Series zu benutzen.

Preiswertere Carbonfasern konnten auch produziert werden, indem man alternative Vorläufer verwendete, um, wie Lignin ZU VERSCHIEBEN, das z.Z. durch die Plastik-Matrix-Zusammensetzungen team am Ridge-nationalen Laboratorium (ORNL) studiert wird. Die Forscher entwickeln auch eine Methode des Produzierens der Carbonfasern aus Polyäthylen (PET), das eine größere Menge Carbon als WANNE (86% verglichen mit 65%) erbringt, und konnten von Pfostenverbraucher aufbereitetem Abfall Ursprungs sein.

Großserien-, niedrige Kosten

Wegen ihrer niedrigen Kosten, dehnbaren Stärke, hohen Schlagbiegefestigkeit und guten chemischen Widerstands, Glasfasern werden weitgehend in den Großserienautomobilanwendungen verwendet. Jedoch zeigen sie verhältnismäßig niedrigen Modul und besitzen minderwertige Dauerwechselfestigkeit im Vergleich mit ihren Carbonvettern.

Die zwei allgemeinsten Arten der Glasfasern, die in den Automobilzusammensetzungen benutzt werden, sind: E-Glas, das preiswert ist und eine gute Kombination der Dehnfestigkeit und des Moduls liefert; und S-Glas, das teurer ist, aber 40% stärker als E-Glas.

In den Vereinigten Staaten ansässiger Materialversorger AGY versucht, den Abstand zwischen diesen zwei Formulierungen mit seiner S-1 MAJESTÄT Glas zu füllen. Eine eigene Glasformulierung einsetzend, entwarf, Leistung beim Zulassen zu maximieren Großserien und ökonomische Fertigung, die Fasern der MAJESTÄT S-1 stellen erheblich höheren Modul und erhöhte Ermüdungleistung im Vergleich mit traditionellem E-Glas zur Verfügung. Z.B. zeigen die Fasern einen dehnbaren Modul von 90GPa - 20%, das des E-Glases höher als das ist.

Entwicklungmanager AGYS, Tim Collins, sagt: „Während faserverstärkte Zusammensetzungen des Carbons hohe Steifheit und Stärke aufweisen, ist es auch zutreffend, dass diese „Hinweise des hohen Moduls“ auf Carbonzusammensetzungen häufig gerade Code für „sprödes“ sind. Es ist in der Auswirkung, in der Ermüdung, im Schadenwiderstand und in der Schadentoleranz, dass Zusammensetzungen der MAJESTÄT S-1 in den Schatten stellen durchweg konkurrierende Systeme.“

Diese Verstärkungen können in Polymer-Plastiken als gehackte Fasern enthalten werden, um die Stärke der Teile zu erhöhen, die unter Verwendung der Kompression und der Einspritzung-formenprozesse gebildet werden.

Nichtgewebte Gewebe

Jedoch um das Potenzial dieser Verstärkungen völlig vorzuspannen, die mechanischen Eigenschaften der Plastikteile zu verbessern, müssen sie als gesponnene oder nichtgewebte Gewebe enthalten werden. Diese Gewebe werden durch Konverter wie mit Sitz in Großbritannien Formax produziert.

Nach Ansicht des Direktors der Firma der Innovation, Tom James, kann es breite Veränderung- der mechanischen Leistung der Gewebe mit dem gleichen Flächengewicht, aber Unterscheidungaufbauten in Heftungslänge ausgedrückt, eine Heftungsart und Faserlagebestimmung geben. Ein Gewebe muss in Bezug auf Stärke, Steifheit und Mühelosigkeit der Infusion weitgehend geprüft werden und optimiert werden, um die besten Parameter für einen gegebenen Bestandteil vor dem Produktionsdurchlauf festzustellen.

Drapieren Sie und Faserlagebestimmung sind besonders wichtige Parameter für das Produzieren der Carbonfaservorformlinge, die in benutzt werden, Harz-bringen die formenprozesse (RTM), die durch die Gleichen von BMW für die Massenproduktion der CFRP-strukturellen Bestandteile eingesetzt werden.

Alle diese Variablen stellen bedeutenden Kopfschmerzen für die Autoentwerfer dar, die mehr mit, verhältnismässig direkten Metallen zu arbeiten gewohnt sind. Formax entwickelt z.Z. Software, die es das Verhalten der trockenen Gewebe während der Gestaltung simulieren lässt, die das GewebeAuswahlverfahren direkter bilden würde.

Das orthotropische Verhalten des verstärkten Plastiks (Bedeutung, dass sie Eigenschaften haben, die in drei gegenseitig Senkrechtrichtungen unterschiedlich sind), kann Probleme für Entwerfer auch aufwerfen. James sagt: „Herkömmliche Zusammensetzungen können hergestellt werden, um quasi-orthotropisch zu sein [mit Fasern in den mehrfachen Lagebestimmungen in den x-und y-Richtungen] und können Infläche Lasten auf eine ähnliche Art als Metalle folglich beschäftigen.

„Jedoch, werden die Durchstärke Eigenschaften der herkömmlichen Zusammensetzungen im Allgemeinen durch die untereren Eigenschaften der Matrix geregelt, wegen des Mangels an Fasern in der z-Richtung, und folglich wird diese betrachtet, die Achillesferse der Zusammensetzungen zu sein. Formax arbeitet z.Z. an einigen kooperativen Projekten, um zu versuchen, dieses Problem zu überwinden.“

Was bildet die Matrix?

Die Matrix, die zusammengesetzten Bestandteilen ihre Form gibt, kann in der Natur thermostatoplastisch oder thermoplastisch sein. Thermosets werden im Wesentlichen unschmelzbar und unlöslich, wenn es durch Thermal- und/oder Chemikalienmittel kuriert wird. Nachdem man kuriert hat kann thermoset nicht zu seinem ungeheilten Zustand zurückgebracht werden.

Thermosets sind verhältnismäßig teuer, aber zeigen hochfestes. Als solches sind sie in der Produktion der unterbrochenen faserverstärkten Blatt- und Masseformteilglasmittel am meisten benutzt (SMCs und BMCs). Diese Mittel können für das Großserieneinspritzung- und Kompressionsformteil einer Vielzahl der non-structural Automobilteile benutzt werden.

Außerdem bildet die niedrige Viskosität von etwas thermosets wie Epoxy-Kleber sie in hohem Grade verwendbar für Gebrauch in Hochdruck Harz-bringen formenprozesse (HP-RTM), in denen ein Mischrohrkopf Harz in einen geschlossenen Formenhohlraum einspritzt und den trockenen Faservorformling nach innen unter Hochdruck sättigt. In der Tat werden Epoxy-Kleber z.Z. für die Produktion der strukturellen Bestandteile bevorzugt.

Um das i3 zu produzieren, das Schalen ist, benutzt BMW Araldite LY 3585/Hardener XB 3458 der Jäger-vorgerückten Materialien Epoxidsystem für die Produktion des CFRP, der im i3 Schalen ist. Jäger behauptet, dass die niedrige Viskosität des Systems eine wichtige Rolle im Gesamtprozesse, nach rechts von dosieren und durch von mischen zur Imprägnierung spielt, und stellt die gute Faser sicher, die in der Form naßist. Das System kann in gerade fünf Minuten an 100°C. kurieren.

Im Gegensatz zu thermosets für die die Heilungreaktion nicht aufgehoben werden kann, verhärten sich Thermoplastikee, wenn Sie dennoch abgekühlt werden, ihre Plastizität behalten Sie; sie schmelzen um und können umgestaltet werden, indem sie sie über ihrer verarbeitentemperatur wieder erwärmen. Thermoplastikee neigen, preiswerter zu sein und leisten erhöhte Schlagbiegefestigkeit, sowie schnell sich verhärten bei den verhältnismäßig niedrigen Temperaturen und bedeuten, dass verstärkte thermoplastische Teile mit kurzen Zykluszeiten schnell produziert werden können.

Unterbrochene faserverstärkte Thermoplastikee, wie Polypropylen (pp.), sind Einspritzung-formen Vorderseitenfördermaschinen, Instrumentenbrettfördermaschinen, TürBrettlagerungen, Konsolen und Pedale allgemein verwendet. Jedoch verhindert das Hochviskositäts der Thermoplastikee, dass sie für die Reihenproduktion der strukturellen Bestandteile verwendet werden, wie sie sie inkompatibel mit RTM Prozessen bildet.

Verkürzte Zykluszeiten

Diese Situation konnte schnell ändern. Teijin und sein Partner General Motors arbeiten an Materialien und Prozessen, die der betätigen-Formung der Ununterbrochenfaser verstärkten thermoplastischen strukturellen Bestandteile in den Zykluszeiten unter einer Minute ermöglichen konnten. Benanntes Sereebo, die Technologie ist in Geheimhaltung seit seiner Ansage im März 2011 eingehüllt worden.

In Entwicklung in der Teijin Zusammensetzung-Anwendungs-Mitte (TCAC) in den USA, enthält die Sereebo Strecke drei Zwischenmaterialien. Das erste, benannt u-Reihe, ist ein in einer Richtung Vermittler, der hohe Richtungsstärke anbietet. Das zweite, i-Reihe, ist ein isotroper Vermittler, der eine Balance der Form, Mühelosigkeit der Gestaltung anbietet und richtungsunabhängige Stärke, sagt Teijin. Das Drittel, p-Reihe, ist eine lange faserverstärkte thermoplastische Tablette (LFT), die von der hochfesten Carbonfaser gebildet wird und ist für die Einspritzung-Gestaltung der schwierigen Bestandteile verwendbar.

Wenig sonst bekannt über Sereebo außerhalb TCAC (mindestens durch die, die nicht eine Non-disclosurevereinbarung unterzeichnet haben), und sie bleibt gesehen zu werden, wie die Technologie entwickelt.

Wiederverwertung von Herausforderungen

In der Theorie bildet die Tatsache, dass Thermoplastikee umgeschmolzen werden können, sie viel einfacher als thermosets aufzubereiten. Europäische Gemeinschaft (EU) Ende-vonleben Richtlinien vereinbaren, dass 80% der Materialien, die in einem neuen Auto benutzt werden, zurückführbar sein müssen. Es gibt eine verhältnismäßig direkte Weise der Wiederverwertung der Zusammensetzungen: sie können unten gerieben werden und als Füller im Beton benutzt werden. Für geringwertigen gefüllten Plastik ist diese Annäherung entwicklungsfähig, aber für hochwertiges CFRPs ist es nicht eine elegante Lösung. Wenn die Carbonfasern von ihren Plastikmatrizen getrennt werden konnten, konnten sie als preiswertere Alternative zu den reinen Carbonfasern in den non-structural Anwendungen benutzt werden.

Die Wiederverwendung der überschüssiger Carbonfasern und -gewebe ist relativ gut eingerichtet, mit den Geweben gebildet von aufbereiteten Carbonfasern handelsüblich. Formax verkauft eine Verstärkung, genannt Verbesserung, die sie völlig vom multiaxialen Produktionsabfall für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich die strukturelle, über einer Strecke der Industrien herstellt. Formax sagt, dass das Gewebe Höhe drapieren und Permeabilität, quasi-isotrope mechanische Eigenschaften und Wärmebeständigkeit für Werkzeugausstattunganwendungen zeigt.

Fasern von kurierten und ungeheilten thermoset Matrizen zu trennen, sind schwieriger damit sie wiederverwendet werden können, aber einige Firmen tun gerade die.

Anlage MIT-RCFS in der See-Stadt, South Carolina, verwendet Pyrolyse - in, welchem CFRP-Schrott zu 400-500°C in Ermangelung des Sauerstoffes erhitzt wird und eine saubere Carbonfaser erbringt, die 90-95% seiner ursprünglichen mechanischen Eigenschaften aufrechterhält - um CFRP-Teile aufzubereiten und ist, 1.36-2.27kt des Materials ein Jahr zu verarbeiten. Sowie, gehackte Carbonfasern produzierend, benutzt MIT das zurückgeforderte Material, um schwierige Vorformlinge für die Teilhersteller über sein eigenes dreidimensionales herzustellen (3D) ausgeführt durchführen Prozess (3-DEP).

Der Executivvizepräsident der Firma, Markierung Housley, sagt: „Für bescheidene strukturelle Teile, ist die Haupthürde [zur Wiederverwertung] diese Carbonfaser, sogar aufbereitete Carbonfaser, Kosten mehr pro lbs als Aluminium, Stahl und Fiberglas. In gehackter Form ist zurückgeforderter Carbon bereits in einer ziemlich großen Auswahl der thermoplastischen Mittel vorhanden, also sind Teilentwurf und Fertigungssysteme bereits an der richtigen Stelle. So ist es ein recht direktes Programm.“

Er fährt fort: „In den Teilen, die vom Carbongewebe abgeleitet werden, formatiert es ist komplizierter. CAE/FEA [computergestützte Technik/des begrenzten Elements Analyse] modelliert für die Anwendung des nichtgewebten Carbongewebes, Formate sind nicht während sich entwickelt, während sie für ununterbrochenes gesponnen sind und Gewebe aufnehmen, also entwerfen und Überprüfungsdatensätze müssen auf einer Teil-durchteil Basis entwickelt werden.“

So dann, stellen zusammengesetzte Materialien einen mannigfaltigen Satz Herausforderungen für Automobilhersteller und ihre Lieferanten dar; jedoch bilden ihre leichten, ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften und Gelegenheiten für Teilintegration sie eine unwiderstehliche Alternative zu den Metallen in einer Strecke der strukturellen und non-structural Anwendungen.

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