Tworzywa sztuczne w motoryzacji
Tworzywa sztuczne dzięki swoim licznym właściwościom, takim jak lekkość, nieprzepuszczalność czy
odporność, towarzyszą branży motoryzacyjnej od samego początku. Ich producenci oferują materiały
spełniające rygorystyczne wymagania światowego przemysłu motoryzacyjnej.
Tworzywa sztuczne odgrywają kluczową rolę i przyczyniają się do zmniejszenia całkowitej masy pojazdów, umożliwiając w ten sposób redukcję emisji CO2. Szacuje się, że statystyczny pojazd zawiera od 40 do 100 kg różnego rodzaju części wykonanych z tworzyw sztucznych, które stanowią zaledwie 10% jego ciężaru. Wraz z dynamicznym postępem w technologiach przetwórstwa tworzyw wciąż zwiększa się zakres ich zastosowań w nowoczesnych konstrukcjach pojazdów, a projektanci i konstruktorzy zyskują coraz więcej możliwości, dzięki doskonałej jakości i optymalnym parametrom produkowanych z nich części samochodowych.
Dlaczego warto stosować tworzyw sztuczne w motoryzacji?
Dzięki elementom z tworzyw sztucznych nie tylko osiągamy zmniejszenie masy oraz innowacyjny design pojazdu, ale także zwiększamy bezpieczeństwo pasażerów. Pochłanianie energii uderzeniowej przez zderzaki, zahamowanie ryzyka wybuchu w zbiornikach paliwa, pasy bezpieczeństwa, poduszki powietrzne i inne zwiększające bezpieczeństwo wyposażenie, takie jak np. foteliki dla dzieci, to tylko niektóre przykłady pozwalające stwierdzić, że tworzywa sztuczne to materiał idealny do zastosowań motoryzacyjnych. Poszukując rozwiązań w dziedzinie transportu, projektanci zmagają się z zapewnieniem równowagi pomiędzy dobrymi właściwościami materiału, niskimi kosztami, stylem, wygodą, wydajnością paliwa i minimalnym wpływem na środowisko. Rozwiązania ekologiczne, czyli zgodne z zasadami zrównoważonego rozwoju, odzwierciedlać muszą optymalną równowagę pomiędzy wszystkimi tymi parametrami i wymaganiami. Innowacyjne materiały z tworzyw sztucznych przychodzą branży z pomocą. Elementy z tworzyw sztucznych mogą być o 50% lżejsze niż podobne elementy wykonane z innych materiałów, co przekłada się na 25-35% niższe zużycie paliwa. Każdy kilogram mniej masy samochodu oznacza, że emituje on ok. 20 kg mniej CO2 w czasie całego czasu użytkowania samochodu. Techniczne tworzywa sztuczne w samochodach są przeznaczone do długotrwałego użytkowania. Dodatkowo tworzywa sztuczne można ponownie wykorzystać do otrzymania nowych materiałów. Można je również ponownie przetworzyć w połączeniu np. z włóknami i w ten sposób formować je w nowe komponenty, w całości lub częściowo. Pozwala to na ich wielokrotne wykorzystanie, nie tylko na spalanie w charakterze odpadów, jak to często miało miejsce w przeszłości. W przypadku materiałów takich, jak poliamid 6, polikaprolaktam lub też termoplastyczne materiały kompozytowe komponenty można produkować i przetwarzać przy użyciu innowacyjnych technologii, co wiąże się z mniejszą ilością odrzutów, zmniejszeniem etapów pracy, krótszym czasem cyklu i uproszczeniem całego procesu, a w efekcie produkcja jest wydajniejsza. Są odpowiednie m.in. dla elementów akumulatorów, łożysk podwozia i powłok siedzeń. Płytowe materiały kompozytowe na bazie tworzyw sztucznych, wzmacniane włóknami ostatnio znajdują coraz szersze zastosowanie we wspornikach modułów drzwiowych i przednich elementów nadwozia. W produkcji seryjnej stosowane są ponadto we wspornikach modułów elektrycznych i elektronicznych. Tworzywa sztuczne mają również ogromny potencjał innowacyjnych zastosowań w wielu punktach całego łańcucha wartości ogniw litowo- -jonowych. Dotyczy to zarówno wnętrza ogniwa akumulatorowego, jak i elementów całych modułów akumulatorowych, a także elementów układu napędowego pojazdów elektrycznych. Potencjalne zastosowania obejmują pokrywy akumulatorów, wtyki wysokiego napięcia, obudowy jednostek sterujących, uchwyty ogniw i linie chłodzące. W procesie „uplastyczniania” części samochodowych niezbędna jest współpraca pomiędzy producentem materiałów i projektantem pojazdów. Nie wystarczy po prostu wymienić materiał na lżejszy. W zdecydowanej większości przypadków spowodowałoby to prawdopodobnie wzrost kosztów jednostkowych. Należy wziąć pod uwagę również sąsiednie elementy, montaż końcowy i dalszą fazę użytkowania. W ten sposób można wykorzystać potencjał techniczny i ekonomiczny, aby z nadwyżką zrekompensować wyższe koszty materiałowe. Ostatecznie chodzi bowiem o to, aby dostarczyć odpowiedni materiał o odpowiednich właściwościach na odpowiednie miejsce. Jest to o wiele bardziej skomplikowane niż praca z blachą o podobnych wymiarach.
Jak z powyższego widać zastosowanie tworzyw sztucznych w motoryzacji wiąże się z wieloma korzyściami.
ZALETY TWORZYW SZTUCZNYCH DO ZASTOSOWAŃ W MOTORYZACJI
Udział tworzyw sztucznych w produkcji motoryzacyjnej stopniowo rośnie i jest to zasługa wielu zalet tego typu materiałów. Między innymi:
Niewielkiej masy – tworzywa polimerowe są dużo lżejsze od metali czy szkła. Im większy ich udział w produkcji, tym lżejszy pojazd. Masa pojazdu w dużej mierze wpływa na osiągi silnika. Do napędzenia pojazdu o mniejszej masie potrzeba mniej energii, a przez to również mniej paliwa.
Wysoka wytrzymałość – tworzywa sztuczne w zależności od technologii produkcji mogą wykazywać odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz czynniki środowiskowe na tym samym, a nawet wyższym poziomie niż stal wykorzystywana obecnie do produkcji większości komponentów.
Odporność na czynniki zewnętrzne – między innymi wysokie temperatury oraz wilgoć. W przeciwieństwie do metali tworzywa sztuczne nie korodują, a zatem zachowują swoją trwałość i wygląd znacznie dłużej niż stal, nie wymagają też zabezpieczenia przeciw rdzy.
Prognozy dla rynku tworzyw sztucznych w motoryzacji – możliwości i ograniczenia
Wg prognozy MarketsandMarkets wielkość globalnego rynku tworzyw sztucznych dla samochodów osobowych wzrośnie z 21,1 mld USD w 2021 roku do 30,8 mld USD do 2026 roku, przy CAGR wynoszącym 7,9% w okresie prognozy od 2021 do 2026 roku. Potencjał maksymalnej redukcji masy, znaczna redukcja emisji oraz ulepszony wygląd i estetyka pojazdów to jedne z głównych czynników przyczyniających się do wzrostu rynku tworzyw sztucznych dla samochodów osobowych. Wybuch epidemii wirusa COVID-19 zakłócił cały łańcuch dostaw w przemyśle motoryzacyjnym na skalę światową. Przemysł motoryzacyjny stoi obecnie w obliczu czterech głównych wyzwań związanych z pandemią – ograniczone dostawy części samochodowych, spadek sprzedaży nowych pojazdów, zamknięcie zakładów produkcyjnych i spadek kapitału obrotowego. W 2020 roku, według OICA, globalna sprzedaż samochodów osobowych spadła o -15,9% z 63,7 mln sztuk w 2019 roku do 53,6 mln sztuk. Ponieważ rynek tworzyw sztucznych dla przemysłu motoryzacyjnego w samochodach osobowych jest uzależniony od sprzedaży samochodów osobowych, oczekuje się, że epidemia będzie miała znaczący wpływ na ten rynek. Na całym świecie coraz częściej wprowadzane są rygorystyczne przepisy dotyczące emisji i zużycia paliwa przez pojazdy. Przepisy te zmusiły producentów OEM do zwiększenia wykorzystania lekkich materiałów, takich jak tworzywa sztuczne. Zaawansowane materiały z tworzyw sztucznych pomagają zwiększyć oszczędność paliwa, zapewniając jednocześnie bezpieczeństwo i osiągi pojazdu. Zmniejszenie masy pojazdu o 10% może poprawić ekonomikę zużycia paliwa o 6 do 8%. Zastosowanie tworzyw sztucznych zmniejsza zużycie paliwa w pojeździe, ponieważ mniejsza masa wymaga mniej energii w momencie przyspieszania. Wzrost świadomości ekologicznej, wsparcie i zachęty rządowe oraz inwestycje producentów OEM utorowały drogę pojazdom elektrycznym. EV są bardziej wydajne, niezależne energetycznie i lepsze niż alternatywne pojazdy na gaz. Ponieważ EV mają silniki o niskiej mocy, używają lekkich materiałów, które napędzają siłę silnika. Dlatego rosnące zapotrzebowanie na pojazdy elektryczne stanowi szansę dla rozwoju rynku tworzyw sztucznych w branży motoryzacyjnej.
Jednak nadal sporym problemem jest recykling tworzyw sztucznych pochodzących z branży automotive. Wynika on z braku świadomości wśród producentów na temat ich recyklingu oraz braku odpowiedniej infrastruktury.
JAKIE ELEMENTY W SAMOCHODACH WYTWARZA SIĘ Z TWORZYW SZTUCZNYCH
deski rozdzielcze,
kierownica,
podsufitki,
klamki,
siedzenia (wraz z wyposażeniem),
schowki itd.
Nowości w sektorze tworzyw sztucznych do motoryzacji
Koncernj Lanxess wprowadził do swojej oferty Pocan B3233HRLT (skrót od angielskiego hydrolysis-resistant, laser transparency, co oznacza „odporny na hydrolizę, przezroczysty dla lasera”), mający już szereg wielkoseryjnych zastosowań i mogący służyć do produkcji, np. obudów mechatronicznych siłowników klap wirowych. Partner Lanxessa, jeden z niemieckich producentów samochodów, montuje takie siłowniki w silnikach wysokoprężnych należących do kilku z oferowanych przez niego serii. Oferowany przez koncern związek PBT został wybrany ze względu na to, że wytrzymuje wysokie temperatury panujące pod maską samochodu, nawet w warunkach bardzo dużej wilgotności. Materiał charakteryzuje się również niskim poziomem zwichrowań i wysoką stabilnością wymiarową, które to cechy sprawiają, że nadaje się on do produkcji kompaktowych obudów o złożonej geometrii. Nawet gdy materiał zostaje zabarwiony na czarno, zachowuje wysoki poziom przezroczystości w przedziale długości fali wykorzystywanych w laserach stosowanych zazwyczaj do spawania tworzyw sztucznych na wskroś. Pocan B3233HRLT charakteryzuje się odpornością na wysoką temperaturę i wilgotność, co zostało potwierdzone podczas długotrwałej próby SAE/USCAR-2 Rev. 6, przeprowadzonej zgodnie z normą ustanowioną przez amerykańską organizację Society of Automotive Engineers (SAE). Badanie to jest uznawane za jedno z najbardziej wymagających badań odporności tworzyw sztucznych na hydrolizę, jakie przeprowadza się na świecie. Gotowy element poddawany jest licznym cyklom znacznych zmian temperatury w warunkach wilgotności względnej wynoszącej nawet 100%. Badania próbek przeprowadzone w zbliżonych warunkach wykazały, że oferowany związek spełnia wymogi ustalone dla klasy 3, a to oznacza, że wytrzymuje temperatury osiągające 125°C.
Koncern chemiczny SABIC opracował materiały NORYL NHP 6011 i 6012, które charakteryzują się wysoką ognioodpornością oraz udarnością, dzięki czemu mogą być stosowane w elementach akumulatorów. Oba materiały, dzięki możliwości formowania cienkościennego mogą przyczyniać się do zmniejszenia masy i umieszczenia większej liczby ogniw w akumulatorach, a tym samym do zwiększenia wydajności i zasięgu pojazdu. Te nowe, wzmocnione włóknem szklanym żywice NORYL wykorzystują opatentowaną technologię kopolimeru eteru polifenylenowego (PPE) i wzbogacają portfolio rodziny materiałów NHP firmy SABIC, przeznaczonych do zastosowań mobilnych.
Nowe żywice NORYL NHP6011 i NHP6012 zapewniają najlepszą w swojej klasie, niechlorowaną/niebromowaną odporność na płomień, która spełnia wymagania UL 94 V-0 przy grubości 1,5 mm. Ponadto, zapewniają wysoką sztywność i wytrzymałość na uderzenia w celu ochrony przed zderzeniami. Oba materiały różnią się zawartością włókien szklanych, aby spełnić specyficzne wymagania klientów w zakresie sztywności.
Stabilność wymiarowa i dobre właściwości płynięcia gatunków NORYL umożliwiają projektowanie cienkościennych ram ogniw, uchwytów i górnych pokryw pakietów akumulatorów. Nowe żywice NORYL NHP6011 i NHP6012 zapewniają wysoką odporność na działanie kwasów w porównaniu z PC, lepszą odporność na wilgoć w porównaniu z PA oraz niski ciężar właściwy.
Solvay dostarcza przemysłowi motoryzacyjnemu nową generację materiałów poliamidowych (PPA) Amodel ukierunkowanych na wyższe wymagania dotyczące wydajności i zrównoważonego rozwoju dla zaawansowanych zastosowań elektrycznych i elektronicznych w e-mobilność. W gamie Supreme materiały Amodel PPA AE 9933 i AE 9950 zostały zaprojektowane dla szynoprzewodów do silników elektrycznych i falowników pracujących przy napięciu 800 woltów i wyższym. Łączą one najlepsze w swojej klasie wskaźniki porównawczego wskaźnika śledzenia (CTI) z wysoką odpornością na szok termiczny w zakresie od -40 do 150°C. Nowe bezhalogenowe ognioodporne materiały Amodel Bios HFFR R1-133 i HFFR R1-145 wychodzą naprzeciw rosnącemu trendowi integracji silnika elektrycznego i skrzyni biegów w jeden skonsolidowany układ napędowy. Dzięki CTI >600 V, odporności cieplnej >120°C i wysokiej stabilności wymiarowej, te gatunki umożliwiają projektowanie wysoce kompaktowych systemów przy użyciu zminiaturyzowanych komponentów. Ponadto zapewniają klasę palności V0 wg UL94 bez konieczności stosowania halogenowych środków zmniejszających palność. Oprócz rozwiązania problemów bezpieczeństwa w przypadku niekontrolowanego skoku temperatury, bezhalogenowa formuła minimalizuje również ryzyko korozji elektronicznej. Ponadto Solvay oferuje Amodel Bios AE R1-133, gatunek specjalnie opracowany dla złączy danych montowanych powierzchniowo, które można lutować rozpływowo bez tworzenia pęcherzy. W porównaniu ze standardowym PPA wyższa odporność na uderzenia i wytrzymałość linii spawu materiału pozwala projektantom na dalsze zmniejszenie grubości ścianek złączy, oszczędzając do 50 procent śladu na płytce drukowanej i dając więcej miejsca na inne urządzenia elektroniczne. Amodel Supreme i Bios cieszą się dużym zainteresowaniem wśród projektantów e-napędów, w tym silników elektrycznych, energoelektroniki i elektronicznych pomp chłodziwa. Nowy Amodel Supreme firmy Solvay charakteryzuje się najwyższą w branży PPA temperaturą zeszklenia (Tg) wynoszącą 165°C, co umożliwia wyższą wydajność mechaniczną w porównaniu z tradycyjnymi materiałami na bazie PA4T i PA6T w podwyższonych temperaturach.
Nowością Borealisa w zakresie materiałów dedykowanych dla przemysłu motoryzacyjnego jest portfolio uniepalnionych, bezhalogenowych compoundów polipropylenowych dedykowanych głównie dla segmentu baterii litowo-jonowych. Uniepalniona grupa polipropylenów obejmuje zarówno materiały niewypełniane, jak również zawierające odpowiednio 20, 30 oraz 40% włókna szklanego. Materiały te charakteryzują się klasą uniepalnienia na poziomie V0 dla grubości ścianki 0,8 lub 1,6 mm.
Na szczególną uwagę zasługuje wysokopłynący compound FibremodT FF311SF, który pomimo wysokiej zawartości włókna szklanego, na poziomie 30%, charakteryzuje się wysokim MFI na poziomie 21 g/10 min (230°C/2,16 kg). Materiał ten wyróżnia się również wysoką udarnością oraz wytrzymałością mechaniczną charakterystyczną dla materiałów mniej płynących. W ofercie znajduje się również m.in. materiał FibremodT FJ081HP, który jest wysokopłynącym compoundem dedykowanym do efektywnego powlekania ciągłego włókna szklanego (proces D-LFT).
Szerokie portfolio materiałów Borealisa pozwala na ich skuteczne zastosowanie w całej gamie aplikacji bateryjnych m.in. w obudowach modułów, separatorach, cell-holderach czy elementach izolacyjnych.
Firmy Ford Motor Company, HellermannTyton i DSM zdobyły nagrodę za innowację przyznawaną przez Stowarzyszenie Inżynierów Tworzyw Sztucznych (SPE) za zastosowanie w Fordzie Bronco Sport Akulon RePurposed - tworzywa sztucznego pochodzącego z oceanów. Ford stosuje Akulon RePurposed w modelach Bronco Sport do wykonania niewidocznych dla pasażera zacisków do wiązek przewodów mocowanych do boków siedzeń w drugim rzędzie zasilających boczne poduszki powietrzne. Testy Forda pokazują, że materiał Akulon RePurposed, pomimo przebywania w słonej wodzie i nasłonecznieniu, jest tak samo mocny i trwały jak klipsy wykonane z tworzywa sztucznego na bazie ropy naftowej.
Materiał Akulon RePurposed jest otrzymywany z nylonowych sieci rybackich zebranych z Oceanu Indyjskiego i Morza Arabskiego. Siatki są dokładnie czyszczone i przetwarzane przy użyciu zastrzeżonego procesu, aby stworzyć mocny materiał inżynieryjny z poliamidu 6 (PA6) o wydajności porównywalnej do nowych tworzyw sztucznych na bazie ropy naftowej.
Novodur 550 firmy INEOS Styrolution został wybrany przez firmę THACO Plastics Components do produkcji tylnego spojlera. Novodur to marka specjalistycznych kopolimerów akrylonitrylo-butadieno-styrenowych (ABS) produkowanych przez INEOS Styrolution. Linia produktów obejmuje gatunki o zrównoważonych właściwościach, w tym dobrej udarności, stabilności wymiarowej i odporności cieplnej. Jest łatwy w obróbce i zapewnia estetyczny wygląd kolorowej powierzchni. Ta linia produktów jest również dostępna w wersji wstępnie barwionej i zawiera produkty o wielu unikalnych cechach, aby sprostać najbardziej wymagającym zastosowaniom w takich branżach, jak motoryzacja, gospodarstwo domowe, elektronika, medycyna i budownictwo.
Novodur 550 to materiał, który oferuje wysoką odporność na ciepło, wysoką udarność, dobrą przetwarzalność i nadaje się do pokrycia lakierem klasy premium, oferując luksusowy wygląd samochodów firmy THACO.
ELIX Polymers oferuje szeroką gamę wstępnie barwionych mieszanek ABS dla przemysłu motoryzacyjnego. Szczególnie w zastosowaniach wewnętrznych estetyka jest kluczem do różnicowania wartości produktu i poprawy postrzegania jakości w widocznych obszarach samochodów. Harmonia kolorów potrzebna do dopasowania różnych części podkreśla znaczenie zachowania ścisłych tolerancji kolorów między różnymi materiałami i partiami. Materiały wstępnie barwione mają wiele zalet w porównaniu z koncentratami do samodzielnego barwienia, takich jak stabilność koloru, brak różnic w kolorze między partiami itd. Niedawno laboratorium kolorów ELIX w Tarragonie otrzymało certyfikat działu projektowego Renault, co oznacza, że ELIX może samodzielnie sprawdzać nowe lub istniejące kolory przy użyciu nowych materiałów zgodnie ze specyfikacjami Renault i procedurami zatwierdzania kolorów, zamiast akredytowanego laboratorium zewnętrznego. Renault i ELIX współpracują ze sobą od wielu lat, a kilka produktów ELIX zostało zatwierdzonych w najnowszym panelu materiałów termoplastycznych Renault (PMR). ELIX Polymers oferuje również wsparcie techniczne Renault na swoich poziomach Tier, w których ABS jest używany do różnych zastosowań, takich jak wewnętrzne elementy wykończenia lub chromowane zewnętrzne przednie grille.
Podsumowanie
Zastosowanie tworzyw sztucznych w pojazdach wciąż ma zatem wielki potencjał. Części konstrukcji nośnej, takie jak podwozie, które są narażone na duże obciążenia, nadal składają się z elementów metalowych. Jednak w przypadku wielu elementów półstrukturalnych, które pełnią również funkcję nośną lub osłonową, tworzywa sztuczne okazaył się skuteczną alternatywą dla konwencjonalnych materiałów. Całościowe podejście uwzględnia pozytywne właściwości nowych materiałów i pozwala na łączenie nowych metod z klasyczną obróbką, a także integrację dodatkowych funkcji. Stanowi to bardzo dobry punkt wyjścia dla przyszłych innowacji w sektorze tworzyw sztucznych do motoryzacji.
Izabela Gajlewicz
Sieć Badawcza Łukasiewicz Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników
Literatura:
1. https://www.pressreleasefinder.com/ELIX_Polymers/ELXPR064/en/
2. https://knaufautomotive.com/pl/tworzywa-sztuczne-w-budowie-samochodow/
3. https://www.plasticomould.com/news/ppe-resin-provides-flame-retardancyand-impact-53055987.html
5. https://www.pressreleasefinder.com/Solvay/SOLPR010/en/
7. https://www.chemiaibiznes.com.pl/artykuly/tworzywo-pbt-odpowiednie-dosilnikow-samochodowych
8. https://www.solvay.com/en/press-release/pvdf-capacity-investment-growingdemand-ev-battery
9. https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/automotiveplastics-market-passenger-cars-506.html?gclid=EAIaIQobChMIxZSq__ zl9QIVh5iyCh08JwpLEAAYASAAEgI9yfD_BwE
