Branża motoryzacyjna jest jednym z kluczowych odbiorców blach stalowych i aluminiowych, tworzyw sztucznych oraz przewodów miedzianych. Choć podstawowy zestaw materiałów wykorzystywanych w produkcji samochodów nie uległ większym zmianom od dekad, producenci ciągle poszukują nowoczesnych rozwiązań lepiej odpowiadających współczesnym wymaganiom – zarówno ze strony przemysłu, jak i organów regulujących rynek.

Przemysł motoryzacyjny stawia materiałom specyficzne wymagania. Oprócz kwestii związanych z ceną, emisją gazów cieplarnianych i recyclingiem bierze się pod uwagę: niepalność, odporność na wysokie temperatury, skład gazów wydobywających się podczas pożaru lub podgrzewania do wysokiej temperatury, odporność na odkształcenia, zdolność tłumienia wibracji i wiele innych parametrów.

Między innowacją a bezpieczeństwem

Produkcja wielkoseryjna jest bezpieczna i opłacalna jedynie wtedy, gdy jest przewidywalna. Dlatego preferowane są materiały o dobrze poznanych właściwościach, potwierdzonych w innych zastosowaniach. Rzecz w tym, że nie wszystkie właściwości ujawniają się na etapie badań laboratoryjnych. Część z nich, zwłaszcza parametry dotyczące procesów starzenia, można potwierdzić wyłącznie na podstawie obserwacji degradacji elementów pracujących w rzeczywistych warunkach.

Istnieją sprawdzone sposoby przyspieszania procesów starzenia poprzez poddawanie próbek działaniu różnic temperatur, obciążeń mechanicznych oraz kontaktowi z agresywnymi związkami chemicznymi. Metody te dają dość dobre wyobrażenie o zachowaniu materiału w przyszłości, jednak nie gwarantują, że nie pojawi się czynnik, który przysporzy producentowi dodatkowych kosztów lub narazi na szwank jego reputację.

Wyobraźmy sobie scenariusz, w którym pewna seria wyprodukowanych silników otrzymała uszczelki głowic wykonane z obiecującego materiału, który jednak zaczął się degradować po upływie 5–6 lat. W tym czasie gwarancja producenta w większości przypadków już wygaśnie, ale troska o dobre imię marki podpowiada, że należy przeprowadzić akcję serwisową w pojazdach, które jeszcze nie osiągnęły granicznego wieku i nadal podlegają gwarancji. Konieczny jest również szybki powrót do produkcji uszczelek z dobrze przebadanych i sprawdzonych materiałów. Inne skutki powyższego scenariusza to znaczne koszty związane z przebudową produkcji i zastąpieniem wadliwego elementu, zaburzenie łańcucha dostaw oraz konieczność prowadzenia negocjacji z dostawcami.

Takich pozornie błahych, ale grożących poważnymi konsekwencjami skutków przedwczesnego wprowadzenia do produkcji nowych materiałów może być wiele. Stąd pewna inercja producentów i ostrożność w podejmowaniu decyzji o zastosowaniu nowatorskich rozwiązań materiałowych.

Niezniszczalne materiały

Wydawałoby się, że marzy o nich każdy producent. To jednak nieprawda – ci, którzy dążyli do niezniszczalności, a przynajmniej do długowieczności produkowanych pojazdów, szybko tego pożałowali. Przykładem niech będzie historia DeLorean Motor Company. W produktach tej marki panele nadwozia zostały wykonane z blachy nierdzewnej, teoretycznie doskonale odpornej na wszelkie warunki klimatyczne. Spowodowało to jednak widoczny wzrost kosztów produkcji, ponieważ surowiec ten jest droższy niż typowa blacha stalowa, nawet ocynkowana. Bardziej wymagający jest też proces obróbki.

Co równie istotne, sięgając po bardziej zaawansowane rozwiązania, można uzyskać niemal nieograniczoną trwałość jednego, ewentualnie kilku komponentów, lecz nie całego pojazdu. A to oznacza, że wysokiej jakości części i tak trafią na złom razem z podzespołami, których czasu życia nie udało się przedłużyć.

Realne cele

Produkcja wielkoseryjna rządzi się własnymi prawami, a producenci dążą do osiągnięcia jak najlepszych wyników finansowych. Oznacza to, że wytworzenie każdego egzemplarza produktu powinno być możliwie tanie, a jego jakość – wystarczająco dobra. W tym pozornie prostym stwierdzeniu można znaleźć drogowskaz dla współczesnej inżynierii materiałowej celującej w przemysł motoryzacyjny. Produkt ma być tani, ekologiczny i na tyle solidny, aby klienci nie zasypali producenta stosami reklamacji.

Dbałość o środowisko w inżynierii materiałowej

Ograniczenie emisji dwutlenku węgla związanej z produkcją materiałów i ich wykorzystaniem w gotowych pojazdach to tylko jeden z aspektów ochrony środowiska w przemyśle motoryzacyjnym. Producenci dążą do tego celu, poszukując nowych technologii produkcji oraz zwiększając udział materiałów pochodzących z recyklingu.

Logika tego podejścia jest następująca: najwięcej energii pochłania produkcja metalu z rudy, a przetwarzanie metalu już wcześniej wykorzystanego jest znacznie tańsze i mniej obciążające dla środowiska, ponieważ nie wiąże się z wydobyciem, procesami przetwarzania urobku itp. W dużym uproszczeniu sprowadza się do przetopienia złomu, dodania uszlachetniaczy oraz nadania wyrobowi odpowiedniej formy.

Stal, aluminium, miedź i wiele innych metali, raz wyprodukowane, mogą być wykorzystywane w nieskończoność. Podobnie jest z niektórymi tworzywami sztucznymi. Podstawowym warunkiem jest właściwa organizacja procesu pozyskiwania i przetwarzania surowców wtórnych.

Nieco inaczej wygląda sprawa z kompozytami. Jeśli składają się one z materiału poddającego się recyklingowi (takiego jak np. osnowy z drutu) i wypełnienia, który obecnie nie jest jeszcze wystarczająco dobrze przetwarzane, powstaje problem z rozdzieleniem obu komponentów. Dla części produktów, np. opon, istnieją już technologie rozdzielania poszczególnych składników. W innych przypadkach materiał, który potencjalnie można wykorzystać ponownie, jest tracony, głównie dlatego, że proces rozdzielania komponentów byłby zbyt skomplikowany i kosztowny. Można temu częściowo zaradzić, modyfikując projekt kompozytu i preferując półprodukty, w których materiały będą się łatwo poddawać rozdzielaniu.

Stopy metali

Analizując profil zapotrzebowania na nowe materiały w przemyśle motoryzacyjnym, na szczycie listy znajdziemy stopy metali. Metalurgia rozwija się nieustannie i w pewnym sensie przypomina alchemię. Owszem, właściwości nowych stopów da się z dużą dozą pewności przewidzieć na podstawie wcześniejszych doświadczeń – możliwe jest ich komputerowe modelowanie i projektowanie. Bywa jednak i tak, że ostateczny efekt znacznie odbiega od pożądanego, mimo że wszystko wykonano zgodnie z recepturą potwierdzoną przez symulację komputerową.

Z jednej strony jest to nieco frustrujące, z drugiej zaś daje nadzieję, że bazując na wciąż tych samych, dobrze znanych metalach – takich jak: żelazo, aluminium, wolfram czy magnez – nadal możemy liczyć na odkrycie idealnych proporcji nowego stopu o właściwościach przewyższających wszystko, co dotychczas udało się osiągnąć. Proces ten jest jednak żmudny, długotrwały, energochłonny i kosztowny, a końcowy efekt zależy nie tylko od tego, jakie składniki zmieszano i jakie były ich proporcje, ale także od zmian temperatury podczas produkcji.

Dwa przykłady stosunkowo nowych kierunków badań w zakresie metalurgii dla motoryzacji to stopy Al-Mg-Si-Cu (aluminium, magnez, krzem, miedź) oraz Al-Zn-Mg-Cu (aluminium, cynk, magnez, miedź). Doskonale nadają się do produkcji elementów zawieszenia i podwozia – są lekkie, wytrzymałe i odporne na korozję.

Kompozyty z włókna węglowego

Włókno węglowe i budowane na jego bazie kompozyty także kryją wiele tajemnic. Ostateczny efekt zależy nie tylko od średnicy włókna i rodzaju spoiwa, którym jest sklejane, ale także od liczby warstw, schematu nawijania (układania) włókien oraz zabiegów pomocniczych stosowanych podczas produkcji detalu. Elementy karbonowe mają szczególną cechę: ich właściwości mechaniczne – zwłaszcza wytrzymałość na ściskanie i rozciąganie oraz maksymalne ugięcie – mają właściwości kierunkowe.

Oznacza to, że ten sam detal może reagować inaczej podczas ściskania wzdłuż osi podłużnej (przód–tył), a inaczej, gdy nacisk lub udar działają pod dużym kątem względem tej osi. Dlatego sposób układania warstw z włókna karbonowego musi odpowiadać przyszłym zastosowaniom detalu. Nie ma to większego znaczenia w przypadku elementów dekoracyjnych, ale dla części nadwozia uczestniczących w procesie pochłaniania energii przy zderzeniu jest to parametr krytyczny.

Włókna organiczne

Niezwykle interesującymi materiałami są włókna pochodzenia organicznego, choć niekoniecznie naturalnego. Do tej grupy zaliczają się organiczne związki chemiczne zdolne do tworzenia bardzo długich łańcuchów cząstek. W przyrodzie występują m.in. jako wydzielina pająków krzepnąca w kontakcie z powietrzem – doskonała do budowy sieci – lub przędza jedwabników, która po obróbce (w procesie znany od tysięcy lat) daje włókno o unikalnych właściwościach: ponadprzeciętnej wytrzymałości na rozciąganie, niewielkiej średnicy i odporności na warunki atmosferyczne.

Włókna mogą być pozyskiwane z roślin i zwierząt, ale coraz częściej mówi się o ich produkcji w warunkach laboratoryjnych. Dzięki niej można uzyskać bardzo stabilne, przewidywalne właściwości i wytwarzać potrzebne materiały niezależnie od dostępu do hodowli zwierząt lub roślin. Materiały tego rodzaju są całkowicie biodegradowalne. Idealnie sprawdzają się tam, gdzie liczy się wygląd, odporność na przetarcie i odbarwienie. Można je stosować do produkcji foteli, podsufitek, okładzin drzwi, osłon silników i akumulatorów, poduszek powietrznych itd.

Na pozór korzyści ze stosowania włókien organicznych w branży motoryzacyjnej mogą wydać się niewielkie, ale pamiętajmy, że mówimy o wielkoseryjnej produkcji. Nawet jeśli dziś ich udział nie przekracza 2–5% całkowitej masy pojazdu, przy działaniu na wielką skalę możemy zredukować ilość odpadów po demontażu o wiele tysięcy ton w skali roku.

Inne materiały

Prowadzone współcześnie badania obejmują także inne materiały, takie jak: lakiery, kleje, podkłady lakiernicze, folie, wkłady filtrów czy płyny eksploatacyjne. Interesujące innowacje spotykamy choćby w grupie nowoczesnych tworzyw sztucznych do produkcji uszczelek czy poduszek tłumiących drgania. Każdy postęp w tej dziedzinie jest godny odnotowania.

Szczególnym obszarem, w którym obserwujemy znaczny przyrost badań nad nowymi materiałami, jest sektor pojazdów elektrycznych. Bardzo mocno rozwija się produkcja akumulatorów, w których wykorzystuje się lit i inne metale ziem rzadkich. Ze względu na specyficzne oczekiwania rynku i wciąż rozwijającą się technologię produkcji, a także liczne eksperymenty, trzeba przyjąć, że znaczna część nowych materiałów będzie wykorzystywana do produkcji akumulatorów trakcyjnych. Jest to jednak temat tak obszerny i specjalistyczny, że wymaga osobnego opracowania.

Piotr Kołaczek