UNELE ASPECTE ASUPRA UTILIZĂRII MATERIALELOR COMPOZITE

ÎN INDUSTRIA CONSTRUCTOARE DE AUTOVEHICULE

IntroducerePiaţa de automobile este o piaţă importantă pentru industria materialelor. In Europa, aproximativ 12 milioane de vehicule, de masă medie de 1000 kg se produc anual, ceea ce înseamnă aproximativ 12 miliarde kg de materiale.Dacă la început, acum vreo 100 de ani, un automobil era constituit în principal din lemn şi oţel, astăzi el este alcătuit din numeroase materiale aparţinând următoarelor mari familii:

materiale feroase: fonte, oţeluri, tablă (aproximativ 70% din masa sa); materiale neferoase: aluminiu (fontă şi tablă), materiale ce conţin cupru,

magneziu (aproximativ 5%) minerale: sticlă, cerammică (4%) materiale organice: vopseluri, adezivi, textile, fluide, cauciucuri termoplaste şi

termorezistente, cu sau fară fibre (sticla, carbon, aramida, naturală) sau minerale (aproximativ 2%);

Materialele organice compozite cu matrice termoplaste sau termorezistente, cu fibre, în general din sticlă, lungi sau scurte, şi-au făcut apariţia în industria automobilului în timpul anilor ‘60, ‘70. Chiar dacă sunt folosite astăzi aproape exclusiv pentru a îndeplini anumite funcţii, cota lor de utilizare nu depăşeşte 10…15 %, în funcţie de vehicule.

1. Avantajele folosirii materialelor compozite la automobile Generalitati

Apriori caracteristicilor lor intrinseci, materialele compozite, cu matrici termoplaste şi/sau termorezistente prezintă trei dezavantaje majore în raport cu materialele metalice pentru a permite o producţie de piese compatibile tehno-economic cu cadenţele (1 maşină la minut) şi cu seriile (1000 pană la 3000 vehicule pe zi ) întalnite în industria automobilelor, şi anume:

1

Figura 1 – Evolutia cotelor de utilizare a materialelor polimere şi compozite (in afără de tabla şi cauciuc).

- un preţ pe kilogram cateodată mai ridicat (mai ales comparativ cu cel al oţelului);- caracteristici mecanice intrinseci mai slabe: modul în flexiune, rezistenţa la rupere,

temperaturi limitate de utilizare, etc;- procedee de obţinere a pieselor finite, adeseori lente : cu excepţia procedeelor de

injecţie, a le căror cadenţe, cost şi durată de viaţă a utilajelor sunt asemanătoare cu cele folosite în metalurgie (2000 pană la 3000 de piese pe zi), celelalte procedee folosite în mod curent, mai ales compresia, nu permit decat cadenţe slabe sau medii (de la cateva piese, la 350-400 pe zi, pe utilaj). În acest caz, utilajele,deşi nu necesită decât investiţii relativ slabe, au o durată de viaţă mai limitată.

Tabelul 1 arată şituaţia valorilor caracteristicilor menţionate mai sus.Tabelul 1 Caracteristicile comparative ale materialelor

MaterialeDensitate Modulul lui

YoungE

[GPa]

Coeficient de dilatare

[10 ]

Rezistenţa la rupere[GPa]

E/d

[GPa]

E/d3

[GPa]

Poliester/ fibră de sticlă

1400-1800 9-12 15-20 140 6,6 2,6

Epoxi/fibră de sticlă

1800-2100 25-60 6 420-1700 22 5,7

Termoplastic 1100-1500 1,9 80 30-200 1,5 0,7

Aluminiu 2700 70 24 300-650 26 3,5Magneziu 1800 45 26 200-250 25 7,7

Oţel 7800 210 12 350-6001000-1500 27 0,44

Fontă 7500 120-140 12 300-600 17 0,31Titan 4500 120 12 1100 26 1,3

Pe lângă aceste inconveniente, materialele compozite au avantaje importante, precum:- o densitate scazută (oţel: 7800 kg/m3; aluminiu: 2700 kg/m3; compozite : 1000…

2000 kg/m3);- tehnologii de obţinere prin mulaj (injecţie, compresie, etc.), care: limitează cantitatea de materie pană la cât este necesar şi compensează astfel costul materiei de bază pe kilogram; oferă posibilitatea de a obţine forme complexe, integrări de funcţii şi de forme în sirul elementelor metalice, limitând astfel numărul utilajelor. Toţi aceşti factori duc adesea la investiţii mici. elimină prelucrarea de finisaj precum decuparea sau debavurarea;- un comportament excelent faţă de coroziune, zgârieturi datorate micilor şocuri

urbane şi un comportament acustic adeseori favorabil.Dacă, de la mijlocul anilor 60, cantitatea de materiale polimere şi compozite n-a încetat să crească, cum o arată figura 1, aceasta se datorează faptului că alegerea unui material dat pentru o aplicaţie obligă la o confruntare de soluţii care iau în calcul ansamblul parametrilor enumeraţi mai sus şi nu numai proprietăţile intrinseci ale materialelor.Spre exemplu, cercetarea celui mai bun cuplu material/procedeu de fabricaţie a unei piese va lua în calcul numeroase criterii: criterii tehnice şi industriale legate de capacitatea şi de disponibilitatea mijloacelor de punere în formă, criterii economice legate de costul materei

2

şi costurile de producţie şi în sfarşit, criterii sociale care ghidează orientarea alegerilor clientului final.Examinarea ansamblului acestor criterii pune în evidenţă faptul că utilizarea materialelor compozite este favorabilă în acelaşi timp evoluţiilor tehnico-economice dorite de constructori şi noilor aşteptări ale clientului final.

Punctul de vedere al constructoruluiPentru a face faţă constrangerilor reglementare, economice şi concurenţiale cu care se confruntă astăzi, constructorul trebuie să facă să evolueze « produsul automobil ». Folosirea materialelor compozite este una din posibilităţile aflate la dispoziţia sa pentru a face faţă acestor provocări.

■Constrangeri reglementareEste vorba mai ales de reglementările internaţionale referitoare la emisiile sonore, în special la nivelul motorului către exteriorul autovehiculului, la securitatea din timpul şocurilor pană la 50 km/h, chiar 65 km/h in coliziuni frontale, decalate, laterale sau din spate, la mediul în conjurător în relaţie cu gazele de eşapament şi reciclarea vehiculelor la sfarşitul vieţii.

Emisiile sonore : pe lângă proprietăţile lor amortizante, materialele compozite contribuie adesea la reducerea acestor emisii, fie prin înlocuirea organelor mecanice metalice: capac de chiulasă, colector de admisie, etc., fie ca ecran acustic care acoperă motorul.Securitate : ameliorarea rezistenţei la şoc la viteză mare a vehiculelor şi reducerea agresivităţii lor faţă de alte vehicule sau pietoni şi a celor cu două roţi devin importante. Materialele compozite vor contribui la ameliorarea securităţii vehiculelor graţie distrugeii lor progresive şi deci capacităţii lor de absobţie progresivă a energiei. Figura 2 ilustrează acest comportament.Mediu înconjurător: pentru a limita consumul de carburant şi poluarea prin gazele de eşapament (poluanţi reglementaţi şi CO2), este necesară diminuarea cilindreei motoarelor. Dar în acest caz, dacă masa automobilului rămâne constantă, performanţele vehiculului scad şi-l dezamăgesc pe client. Devine deci obligatoriu a uşura în mod considerabil vehiculele pentru a păstra performanţe identice cu cele mai mici motoare şi aceasta cu atât mai mult cu cât fiecare înlocuire a unui model prin succesorul lui se produce printr-o creştere medie de masă de aproximativ 10% (ameliorarea confortului, prestaţii şi securitate).Exemplu : pentru a atinge obiectivul unui consum mediu de 3 l la 100 km şi o emisie de 90g CO2/km, pentru un vehicul de mijloc de gamă, o masă maximă de 750 kg nu va

3

Fmed efort mediu (permiţând caracterizarea strivirii în regim permanent)Fmax efort maximal (mărime dimenşională pentru material)Eabs energie totală absorbită pe deplasarea totalăDeplasare totală: cursa maximă de strivire fixată constantă

Figura 2 - Absorbţia de energie a uni material tip SMC/BCM.

trebui să fie depăşită, ceea ce corespunde la o uşurare de aproape 30% pentru ansamblul vehiculului.In ceea ce priveşte reciclarea, este evident că materialele compozite sunt în urma celor metalice deja recliclate de foarte mulţi ani. Totuşi, chimiştii şi constructorii sunt pe cale să pună la punct soluţii tehnice de recuperare şi de reciclare. Chiar dacă rentabilitatea economică nu este încă întotdeauna evidentă (lipsă de zăcământ important de produse casate, costuri de demontare şi de logistică), reciclarea nu trebuie să fie o frână pentru inovaţie şi introducerea materialelor compozite. Trebuie să facă parte încă de la început din exigenţele caietului de sarcini.

■ Constrângeri economiceReducerea costurilor globale este o prioritate pentru constructori. Ei sunt deci nevoiţi să folosescă sistematic cuplul material/procedeu de transformare cel mai rentabil şi cel mai bine adaptat la problema de rezolvat. Costul unei piese reprezintă 50 % cost pe materie şi 50 % costul procedeelor de fabricare. Dacă se pot uşor compara preţurile materialelor pe kilogram, este mai greu de a se lua în calcul costurile pentru mâna de lucru, pentru cantitatea reală de materiale folosită, pentru echipamente, utilaje şi cheltuieli generale. Acestea din urmă variază mult în funcţie de materiale, cadenţele de producţie şi cantitatea totală de piese de produs. Figura 3 ilustrează aceste dificultăţi.Exemplu: luând exemplul unui panou exterior de caroserie Asociaţia IBIS a putut arăta (fig 4) ca SMC este favorabil pentru nişte ritmuri slabe de producţie în raport cu tabla de oţel, dar mai ales ca punctul de creştere a curbelor care era situat în 1986 la 65 000 de vehicule pe an, se găsea în 1996 la 150 000 pe an. Deplasarea acestui punct se datorează progreselor realizate de industria SMC care este o industrie nouă în raport cu cea a oţelului. Acest fenomen bine cunoscut sub numele de curbă de experienţă sau de învăţare este foarte greu de a se lua efectiv în calcul în alegerea materialelor.

■ Constrângeri concurenţialeCreşterea concurenţei este prezentă mai ales în Europa unde toţi constructorii mondiali sunt prezenţi. Numărul măcilor prezente cu o parte de piaţă superioară de 1% a trecut de la 16 în 1990 la 20 în 1997. Această creştere a concurenţei are drept consecinţe creşterea numărului de modele cu o reducere de penetrare a fiecăruia dintre ele, schimbarea lor mai frecventă (reducerea duratei de viaţă), creşterea diversităţii pentru a lăsa din ce în ce mai puţine segmente de piaţă neocupate.

4

a) b)a) Influenţa costurilor de fabricaţie ale pieselorb) Influenţa volumului producţiei asupra costurilor de fabricaţie ale pieselor

Figura 3 Schema de descompunere a costurilor şi influenţa volumului de producţie.

Punctul de vedere al clientului finalAnaliza aşteptărilor clienţilor relevează trei axe de exigenţe majore.■ Cost mic global (cumpărare, întreţinere, asigurare, utilizare curentă)Materialele compozite permit satisfacerea aproape în întregime a acestei exigenţe: diminuarea costurilor constructorului, a consumului prin uşurare, a costurilor de aşigurare prin comportamentul lor bun la mici şocuri, a întreţinerii prin absenţa coroziunii.Doar repararea rămâne o problemă reală de rezolvat pentru două motive principale: o lipsă de competenţă şi de experienţă în service-uri. ■ Securitate, fiabilitate, durabilitate, confortSecuritatea este o exigenţă necesară care uneşte constrângerile reglementare descrise mai sus, în care materialele intervin mai ales la nivelul securităţii pasive. Fiabilitatea şi durabilitatea (calitatea) necesită pe de o parte producerea de materiale având variaţii minimale (sau perfect cunoscute) de proprietăţi sau de dimensiuni graţie procedeelor de fabricaţie încercate şi asociate cu mijloace de control adaptate şi, pe de altă parte, obligă la luarea în calcul a mecanismelor de degradare precum uzura şi oboseala şi la stăpânirea metodelor predictive de durabilitate. Confortul, noţiune foarte subiectivă, constă într-un ansamblu de percepţii difuze în care influenţa materialelor joacă un rol important la mai multe niveluri : confortul vibratoriu şi acustic, confort de poziţie, confort tactil şi vizual, şi, în sfârşit, confort olfactiv.

■ Imaginea şi noile prestaţiiPe de o parte, anumiţi clienţi doresc vehicule care au o mare originalitate asociată cu o imagine foarte personalizată şi valorizantă şi, pe de altă parte, alţii caută vehicule care să răspundă exigenţelor vieţii lor de fiecare zi şi pentru asta prezentând prestaţii noi foarte funcţionale. In cele două cazuri, aceasta va conduce la propunerea unor vehicule foarte diversificate şi deci la multiplicarea numărului de versiuni, a căror durată de viaţă şi număr produse pe zi vor fi mai scăzute.

Dificultăţi referitoare la folosirea materialelor compozite la automobileDeşi materialele compozite prezintă numeroase avantaje atât pentru constructori cât şi pentru clienţii lor, dificultăţile deloc neglijabile există şi frânează o utilizare mai masivă în construirea vehiculelor.

Dificultăţile de depăşit sunt de ordin tehnico-economic, cultural şi industrial :

■ Dificultăţi tehnico-economice Se caracterizează prin insuficienţe în următoarele domenii :

- achiziţionarea datelor fizice de bază fiabile şi utilizabile în modele de simulare şi mai ales pentru materialele noi ;- cunoaşterea legilor de comportare a materialelor ;- modelarea pentru impact şi simularea pentru punerea în aplicare;

5

- predicţia şi durabilitatea: rezistenţa la intemperii, la oboseală şi lastricăciuni ;- automatizarea şi fiabilizarea procedeelor de punere în aplicare ;- stăpânirea modelelor de asmblare multimateriale. Colajul este mijlocul cel mai adaptat la materialele compozite. Deşi mari progrese au fost realizate în acelaşi timp la produse şi la punera lor în funcţiune, ramăne totuşi adevărat faptul că încrederea într-un asamblaj lipit nu se bazează adesea decât pe incercarea reală de validare ;- stăpânirea tehnicilor de reparare după vânzare ;- stăpânirea unei vizibilităţi pe termen lung a materialelor şi a fluctuaţieilor.

■ Dificultăţi culturale- «cultura oţelului » este încă foarte ancorată la constructori ;- procesul de introducere şi de inovare este foarte lent şi progresiv ;- automobilul este un produs de mare difuzare, fabricat în serie mare ceea

ce generează o inerţie importantă legată de investiţiile deja prezente sau care urmează ;- conservatorismul consumatorilor: preferinţa cumpărătorului rămâne încă

astăzi o maşină care să posede o caroserie vopsită, netedă şi strălucitoare.

■ Dificultăţi industriale- investiţiile deja

făcute apasă greu în alegerea concepţiei noilor vehicule ;

- utilizarea altor materiale decât oţelul repune în cauză tehnologiile de

asamblare mult încercate, precum sudura pe puncte şi duce la obligaţia de a dezvolta simultan noi modele de asamblare nevalidate industrial;

- logica de studiu a unui nou model se intinde pe mai mulţi ani. Alegerea de

materiale pentru diferitele piese constitutive ale vehiculului trebuie să corespundă soluţiilor existente, deci mai puţin favorabile noilor materiale.

■ Totuşi, factorii favorabili sunt extrem de puternici şi ne putem gândi că6

Evoluţia pentru SMC din 1986 în 1996Timp de ciclu : 135s90sRebut piese: 10% la 5%Deşeuri de materie 5% la 2%

Figura 4 Comparaţia costurilor unui panou de caroserie SMC/oţel în funcţie de volumul de producţie.

diminuarea masei, creşterea durabilităţii şi diminuarea taliei seriilor vor fi paramatrii primordiali care vor face ca materialele compozite să crească în industria automobilelor cum este ilustrat în paragrafele următoare.

2. Domenii de utilizareMaterialele compozite şi-au făcut apariţia în serie mare în automobil în anii 60-70 în aplicaţii în interiorul vehiculului. Figura 5 arată curba de experienţă a introducerii materialelor compozite în funcţie de timp. Parcursul său, poziţiile dobândite (habitaclu şi accesorii exterioare) în fazele de dezvoltare în curs (piese de structură) vor permite descrierea diferitele lor domenii de utilizare.

2.1. HabitacluIn mod global habitaclul unui vehicul este constituit din materiale polimerice şi compozite (figura 5) care singure reprezintă aproape 50% din cantitatea folosită la un vehicul, atât in Europa cât şi în Statele Unite.Principalele aplicaţii se referă la bord şi scaunul conductorului, la îmbrăcămintea uşilor, garniturile plafonului, tableta din spate, covoarele de la sol şi textilele.Până de curând, materialele folosite aveau proprietăţi mecanice scazute, dar trebuiau înainte de orice să satisfacă exigenţele de aspect şi de ţinută, de rezistenţă la razele solare, la zgârieturi şi aveau bune proprietăţi insonorizante.Principalele materiale utilizate au fost ABS, PVC, spumă PUR, termoplaste cu sau fără fibre de sticlă. Tehnicile de punere în aplicare se referă mai ales la injecţie şi termoformare, asociate cu realizarea « pieselor sandwich » conţinând carton, lemn şi fibre de sticlă.Dezvoltările recente arată o utilizare din ce în ce mai mare a termoplastelor şi a cauciucurilor termoplaste pe bază de polipropilenă şi a fibrelor de origine naturală, precum inul, pentru a diminua costurile, masa şi a facilita reciclarea.Tehnicile de punere în aplicare evoluează către procedee ce permit realizarea de piese multimateriale într-o singură operaţiune, precum procedeul RIM, comulajul, bi-injecţia, injecţia la presiune scăzută, asistată de gaz şi compresia sau injecţia cu film decorativ în formă.Principalele proprietăţi şi îmbunătăţiri căutate sunt: confortul acustic, percepţia tactilă, aspectul (materiale colorate şi mai rezistente la zgârieturi), limitarea emisiilor (mirosuri şi fum). Conceperea pieselor evoluează şi către dezvoltarea pieselor gata de montat şi care au numeroase funcţii: panouri de uşi, garnituri de plafon, ansamblul scaunului de conducătorului, conţinând planşa de bord şi consola, spre exemplu.In timp ce materialele compozite de structură erau relativ excluse din habitaclu, utilizarea lor frecventă ar trebui să crească destul de mult în viitor pentru a atinge obiectivele de uşurare în curs de definitivare a armăturilor scaunelor, a structurilor planşelor de bord şi a mecanismelor uşilor unde părţile metalice vor fi înlocuite cu materiale compozite de tip TRE, SMC sau S-RIM/RTM.

2.2 Accesorii exterioareFigura 5 arată că materialele compozite sunt de asemenea larg folosite pentru realizarea principalelor accesorii exterioare a vehiculelor (ele reprezintă aproape 20% în masă a materialelor polimerice şi compozite prezente la un vehicul).

7

Principalele aplicaţii se referă la: capace de roţi, calandre, grile de aerisire, elemente de protecţie a motorului, retrovizoare, semnalizatoare, ştergătoare, indicatoare, eleroane, mânere de uşi,etc.Materialele folosite sunt în principal termoplaste cu sau fără fibre, foarte adesea vopsite şi lăcuite pentru a asigura o bună ţinută la intemperii. Materialele cele mai întâlnite sunt următoarele : ABS. ABS/PC, PP, PET, PA, PC/PBT, PMMA şi cauciucuri termoplaste. Piesele sunt realizate în principal prin injecţie.Capacele reprezintă în acelaşi timp piesele cele mai importante şi cele care au evoluat cel mai mult de 20 de ani. Primele capace nemetalice au apărut în 1972 pe Renault 5 : erau din SMC nevopsit şi aveau o funcţie structurală. De la această dată, barele paraşoc din oţel au dispărut complet. Capacele compozite au evoluat foarte mult în cursul timpului la nivelul materialelor utilizate şi al funcţionalităţii lor. Evoluţia materialelor se caracterizează prin introducerea (fără cronologie şi adeseori în mod concomitent) a materialelor compozite următoare: SMC vopsit, PP/EDPM, PC/PBT, RIM PUR în funcţie de concepţia structurală a piesei.Evoluţiile viitoare se vor referi în principal la materialele colorate în masă (actualmente vopseala reprezintă în medie 50% din preţul unei piese din plastic) şi materialele având o mai mare stabilitate termică pentru a limita jocurile de caroserie şi a proiecta utilizarea pieselor mari din ce în ce mai integrate în caroserie. Tehnicile de punere în folosire evoluează de asemenea către procedee ce permit realizarea pieselor multimateriale într-o singură operaţie precum bi-injecţia, injecţia asistată de gaz şi injecţia cu film decorativ în formă sau diminuând presiunile de injecţie precum injecţia secvenţională.O nouă funcţie ar trebui să se dezvolte şi să prelungească înlocuirea din ce în ce mai frecvent a sticlei cu policarbonat pe faruri, spre exemplu vitrajul plastic pentru a obţine uşurare, o mai mare viteză, o mai mare libertate de stil şi o mai bună reciclare.

2.3.Compartiment motor8

Folosirea materialelor compozite la compartimentul motor este în plină evoluţie cum arată figura 5. În timp ce utilizarea lor este de mai bine de 20 de ani elemente ca: filtru de aer, baterie, rezervorul şi carenajul radiatorului, o puternică creştere apare pentru noile aplicaţii tehnice la motor. Aceasta se referă în principal la colectoarele de admisie, rampele de injecţie, capacele de chiulasă, carcasele de ieşire şi de intrare a apei, turbinele pompelor apă, clapetele de aer, carterele de ulei şi anumite rotiţe în care adeseori aluminiul este înlocuit de materiale ca: PA6, 46 , 66, PPS, SMC/BMC, PPA.Aceste materiale trebuie să aibă bune proprietăţi mecanice (de unde prezenţa fibrelor de sticlă de 30...50%) să reziste la temperaturi mai mari de 100-120 °C, la şocuri termice, la vibraţii, la şocuri de montaj sau de după vânzare şi la fluide agreşive (uleiuri, carburanţi, lichid de frână şi de răcire). Aceste constrângeri pot limita utilizarea lor dar ele nu reprezintă constrângeri în măsura în care sunt bine luate în calcul la conceperea noilor piese: desen adaptat, fixări prevăzute cu inserţii, garnitură de etanşare corect dimensionată, materiale perfect selecţionate şi validate. Câştigul de masă, de ordinul de 50% este totuşi destul de slab în valoare absolută, căci aceste piese, cu toate funcţiile, nu reprezintă decât 8-10% din masa unui motor. Câştigurile economice de ordinul 20...30% scontabile (absenţa uzinajului, integrarea de funcţii) ca şi câştigurile de performanţă (izolare termică şi fonică, performanţele motorului). Evoluţiile viitoare vor fi asociate cu evoluţia conceperii la nivelul integrării într-o singură piesă a funcţiilor precum colector/injecţie/filtrare de aer, capac de chiulasa şi cu cercetări de ameliorare a design-ului compartimentului motor. Se preconizează că peste 5...10 ani marea majoritate a vehiculelor vor fi echipate cu colectoare compozite.Exemple: Se pot evidenţia două încercări în cursul anilor 80 pentru a realiza un motor aproape în întregime din materiale compozite.Polimotor în 1980:-motor de 2,3 litri, 76 kg de compozite;câştig de masă de 68%, diminuarea zgomotului cu 20-30% şi a consumului cu 10 la 12%.Proiectul Brite – Euram de Ford UK în 1987:

- motor cu piese din RTM epoxi: doi pereţi, carter cilindru, carter de distribuire, carter de ulei, capac de chiulasă;

- asamblare prin înşurubare şi lipire;- preţ: - 5%, emisie hidrocarburi: -20%, zgomot: -30%, masă în raport cu aluminiul –

10%, masă în raport cu fonta: -30%.Totuşi aceste proiecte n-au avut urmări industriale din lipsă de rentabilitate economică legată de costurile de fabricaţie în serie mare, prea ridicate.

2.4. Piese de caroserieDe mulţi ani (din anii 30...50) constructorii de automobile au căutat să introducă panouri de caroserie din materiale compozite. La început, era vorba de vehicule construite în serii mici a căror caroserie era realizată în totalitate sau în parte adeseori manual, cu răşini poliester pe bază de fibre de sticlă (vehicule sport). Efectele de stil şi câştigurile economice (absenţa uneltelor şi a preselor de ştanţare) constituiau obiectivele principale. În Europa, introducerea panourilor nemetalice în serie mare datează din 1955 cu comercializarea lui Citroen DS, echipată cu un pavilion din răşină poliester/fibre de sticlă. Apoi Citroen inovează din nou (1982) cu BX, echipată cu o capotă, cu un capac şi laterale din SMC/BCM (mulaj prin compresie şi injecţie). Demersuri similare se produc in Statele Unite la 3 constructori americani.

9

Prin ameliorarea stapânirii tehnologiilor SMC şi BMC, constructorii americani şi europeni au experimentat, fie parţial fie cu o anumită continuitate, pe ansamblul gamei lor, utilizarea în serie mare a panourilor de caroserie precum capota, aripile din faţă şi din spate, panourile uşilor, portbagaj.Caroseriile sunt realizate:- fie juxtapunând panourile din oţel şi panourile compozite termorezistente: conceperea vehiculului şi procedeele de fabricare rămân tradiţionale;- fie în întregime cu panouri compozite: conceperea vehiculului şi procedeele de fabricaţie sunt specifice. Tot în anii 80 şi paralel cu dezvoltarea materialelor termorezistente, constructorii americani experimentează (GM Fiero General Motors în 1982) şi lansează în serie aplicaţii realizate din termoplaste (GM Saturn: aripile din faţă şi din spate, panouri de uşi (ABS/PC +încărcături)cu un ritm de producţie de aproximativ 1000 vehicule pe zi). Pentru aceste vehicule o concepere şi o industrializare au fost deja puse în practică.La începutul anilor 90 se produce răspândirea mai largă a folosirii materialelor compozite (aliaje) termoplaste injectate, mai ales aripile din faţă, în Statele Unite (GM şi Ford) şi în Europa Renault Clio 16S în 1992 (50 vehicule/zi) Renault Megane Scenic în 1996 (1500 vehicule/zi) Mercedes Classe A în 1998 (aripi şi invelişul portbagajului), Rover Freelander, Volkswagen New Beetle. Pentru toate aceste aplicaţii europene materialul folosit este un aliaj termoplastic PPO/PA.Exemplu: în cazul aripilor de la Megane Scenic, câştigul de masă este de 55% (aripă oţel=2,5 kg; aripă compozită=1,2 kg) pentru investiţii reduse la jumătate şi un cost pe piesă echivalent. Procedeul simulării injecţiei şi al dimensionării pieselor a contribuit mult la reuşita acestor piese.Evocarea acestei lente evoluţii arată că introducerea materialelor compozite în caroserie pentru vehicule de serie mare este la începutul fazei sale de creştere (figura 5) şi că paleta soluţiilor folosite (produs/procedeu) este vastă: RTM, SMC, BMC, RIM/R-RIM, PUR, aliaje termoplaste (PC/PBT, PPO/PA, ABS/PC, PET, PP, PA/ABS) cu procedee de punere în aplicare prin compresie şi injecţie. Dezvoltările viitoare lărgesc şi mai milt alegerile soluţiilor posibile: fibre de carbon, fibre naturale, TRE, termoformate, SMC flexibile, materiale compozite în masă, lăcuite sau nu (Mercedes Smart) noi aliaje termoplaste.Se observă, de asemenea, că aplicaţiile sunt foarte variate, fără continuitate evidentă şi arată că soluţiile sunt încă într-o fază de experimentare în care fiecare caută să evalueze fezabilitatea tehnico-economică a soluţiilor de mai sus prin experienţe a căror rentabilitate industrială nu este neapărat o prioritate.Fiecare aplicaţie, mai ales în caroserie, este de fapt un caz particular unde, numeroşi parametri ce interacţionează între ei, sunt de luat în consideraţie:

- prestaţia client ţintită;- cadenţa legată de procedeul de transformare, cadenţă prevăzută pentru vehicul;- număr de piese de produs (complexitatea şi durata de viaţă a formelor);- investiţiile existente sau viitoare în legătură cu o fabricare internă sau externă;- funcţionalitatea piesei (integrarea funcţiei, jocuri admise, piesă de înveliş care nu

lucrează, aripa spre exemplu, sau piesă semistructurală, capotă sau portbagaj spre exemplu);

- procedee de fixare pe vehicul (gestionarea dilatărilor diferenţiale şi stapânirea jocurilor, caroseria multimaterială sau monomaterială);

10

- conceperea vehiculului şi locul de introducere a piesei pe lanţul de asamblare: în tablă, între cataforez şi lac în asociere cu alegerea vopselii piesei în linie cu vehiculul;

- (gestiunea menţinerii temperaturii în instalaţiile de vopsire) sau cu asamblarea piesei în afără liniei (gestiunea acordurilor de ţinută şi logistică).

Tendinţele viitoare de uşurare a automobilului îi determină pe toţi constructorii să studieze noile aplicaţii, mai ales pentru aripi şi capota portbagajului (câştigurile de masă de ordinul 30...40% sunt aşteptate, fie 3...5 kg/vehicul). Se prevăd noi schimbări, asociind termoplastul/termorezistent/aluminiu, în anii următori.

2.5. Piese de structurăAşa cum arată tot figura 5, pătrunderea materialelor compozite pentru aplicaţii structurale este foarte variabilă după nivelul de performanţă dorit.Pentru piesele semi-structurale (bare de protectie, învelişul motorului, pedale, partea din faţă, plafon retractabil, parabole pentru faruri), nivelul de creştere este atins: Barele antişoc: pentru aceste aplicaţii se folosesc bare structurale în spatele unui înveliş de plastic. Aceste bare, montate pe o mare majoritate de vahicule sunt realizate din SMC, RTM, S:RIM, TRE, chiar mai recent din PP+ fibre de sticlă lungi. La izoperformanţă, câştigurile de masă pot atinge 50%. Materialele compozite sunt actualmente in mare concurenţă cu aluminiul pentru această aplicaţie. Carenajul sub motor: căutarea unei mai bune izolări fonice la compartimentul motor şi caracteristicile aerodinamice mai performante au dus la generalizarea carenajului sub motor. Acestea sunt realizate în general din TRE, din PP+fibre de sticlă scurte şi chiar mai rar din SMC. Pedalele: numeroşi constructori europeni folosesc pedalele de acceleraţie şi de ambreiaj realizate prin injecţie din PA+fibre de sticlă (reducerea masei de 50% şi a costului cu 10%). Părţile din faţă: numeroşi constructori din Europa (PSA, Volvo, grupul Volkswagen, Renault) şi din Statele Unite (Ford, GM) îşi echipează unele din vehicule cu părţi din faţă tehnice (suport de radiator, de ventilator, de canalizaţii, faruri) realizate din materiale compozite şi mai ales TRE. O aplicaţie recentă a arătat că poate fi avantajos (câştig de cost şi de masă) să se înlocuiască TRE printr-o structură realizată prin acoperirea unui suport metalic cu un termoplast (PP).În plus, folosirea acestui tip de piesă permite câştig de timp la montare în măsura în care conceperea şi modul de asamblare sunt adaptate.Exemplu: în cazul măştii din faţă de la Renault Safrane (SMC+28% fibre de sticlă) piesa compozită permite reducerea la jumătate a investiţiilor: 1 utilaj/36 din oţel, integrarea a 9 piese, suprimarea a 40 de puncte de sudură şi reducerea masei cu 20%; costul piesei fiind în mod sensibil identic. Cadrele pentru plafonul retractabil: mai mulţi constructori europeni au folosit tehnologia SMC pentru această aplicaţie (BMW, PSA, Mercedes, Fiat, spre exemplu). Parabole de far: numeroşi constructori europeni folosesc buna stabilitate termică a BMC pentru această aplicaţie.Pentru piesele de suspensie şi transmisie (foi de arc, arbori de transmisie) se fac experimentări de mai mulţi ani, dar o generalizare pe serie mare nu a avut încă loc: Foilele de arc: de vreo 20 de ani, anumiţi constructori folosesc la puntea spate foi de arc (longitudinale sau tansversale) din material compozit constituit dintr-o matrice

11

epoxi cu fibre de sticlă unidirecţionale (50/50 în volum). Ele sunt realizate prin compresie pornind de la nişte scheme obţinute prin înfăşurare filamentară sau din benzi preimpregnate. Performanţele lor de flexiune (suspenşie) sunt excelente (modulul în flexiune al materialului de aproape 70 000 MPa), dar comportamentul lor la tăiere este mediocru, ceea ce exclude orice aplicaţie în ghidaj (puntea din faţă).De exemplul, la izoperformanţă, în raport cu oţelul câştigurile de masă sunt apreciabile: - 15...20 kg/vehicul, la izocost pentru vehiculele utilitare de tip Renault Trafic şi Master. Arborii de transmisie: este vorba de arborii longitudinali pentru vehicule 4x4 realizate prin înfăşurare filamentară (fibre de sticlă şi/sau de carbon cu răsină epoxi). Câştigul de masă este important în raport cu oţelul. Palierul intermediar poate fi suprimat ceea ce ameliorează performanţele acustice. Dimpotrivă, din cauza caracteristicilor mecanice intrinseci mai slabe a compozitelor în raport cu oţelul, diametrul trebuie să fie mai mare.Pentru piesele care intră în structura reală a vehiculelor, numeroase îmbunătăţiri au fost studiate de constructori dar trecerea în serie nu este chiar efectivă astăzi.Principalele experinţe în curs de desfăşurare, se referă la:- structura scaunelor unde câştigurile de masă de ordinul 50% sunt de aşteptat;- podeaua din spate şi locul roţii de rezervă: 2 vehicule VW Audi (100 şi A8 din

SMC) sunt din materiale compozite dar această experienţă nu pare a avea urmări. De semnalat de asemenea podeaua proiectului Renault Mosaic (1990) cu o suprafaţă de 4 m2, realizată din doi pereţi S.RIM PUR/poliester de 3 mm grosime şi asamblată prin lipire ca şi podeaua Z1 de la BMW.

- Masca din faţă: studiile la Renault şi Ford în cadrul proiectului Mosaic (SMC+50% fibre de sticlă);

- Traversa planşei de bord: nu există aplicaţie acum în Europa, dar Ford foloseşte o traversă din SMC care serveşte la conducerea aerului şi traversă de structură;

- Placa care separă compartimentul motor de habitaclu;- Jante de roţi;- Organe de suspensie realizate înainte prin tehnologii RTM;- Portiere (cadru şi înveliş);- Carenajul motorului;- Partea din spate, care grupează tampoane laterale, podeaua şi portbagajul.

Evoluţiile viitoareCum s-a arătat în paragraful 2, folosirea materialelor compozite în automobil a dobândit poziţii de necontestat în mai multe domenii în care întoarcerea la materiale metalice pare puţin probabilă (învelişul interior, accesorii exterioare, anumite funcţii mecanice sub cadru şi sub motor).Dimpotrivă pentru piesele de caroserie şi de structură există încă un puternic potenţial de creştere şi aceasta cu atât mai mult cu cât obligaţiile viitoare în termeni de masa uşoară, flexibilitate şi micşorare a invstiţiilor de producţie în relaţie cu diminuarea previzibilă a mărimii seriilor vor deveni din ce în ce mai constrângătoare.Noi aplicaţii structurale ca cele menţionate la sfârşitul paragrafului 2.5. ar trebui să apară în curând la viitoarele vehicule. Ele sunt în curs de studiu la majoritatea constructorilor europeni şi americani.

12

Noi experienţe sunt în curs în privinţa realizării ansamblului structurii vehiculului prin asamblarea câtorva piese compozite (4, 6 panouri) vopsite în masă sau nu, ca de exemplu vehicului Tulip din PSA (tehnologie RTM/poliester+sticlă cu nucleu în spumă PUR rigidă). Compoşite Concept Vehicle de la Chrysler (compozit termoplastic injectat de tip PET vopsit în masă) sau Prototype Compoşite Minivan de la Ford (partea din faţă din aluminiu, 5 piese de structură din RTM+ sticlă cu nucleu în spumă PUR rigidă, panouri de caroserie din SMC; totul fiind asamblat prin lipire).Asemenea abordări, deşi încă futuriste, sunt importante căci lasă să se întrevadă o folosire maximă a potenţialului compozitelor asociată cu o repunere în cauză a conceperii şi asamblării vehiculelor. Asemenea vehicule în întregime sau în parte modulare vor trebui să fie asamblate în uzine noi şi poate specifice în care vopşirea în linie va fi repusă în cauză.Pentru a atinge asemenea obiective nu este necesar să se dezvolte noi molecule ci trebuie jonglat cu posibilităţile extrem de variate de combinaţii de materiale diferite (aliaje de polimeri) de asociaţii de materiale diferite (comulaj, bi-injecţie, concepte mixte metal/compozite) de optimizare a costurilor materialelor de înaltă performanţă cu potenţial înalt precum fibrele de carbon, dezvoltarea materialelor compozite cu matrici termoplaste cu fibre de sticlă lungi şi a multimaterialelor de tip spumă sau fagure inserate între plăcile compozitelor.De altfel, va trebui să se depăşească dificultăţile tehnico-economice, culturale şi industriale enunţate în 1.4. şi să se ia în considerare exigenţele expuse în 2.4. (piesele de caroserie).

4.Concluzii

Descrierea folosirii materialelor compozite în diferite domenii constitutive ale unui automobil arată că acestea ajută la satisfacerea evoluţiilor tehnico-economice dorite de constructori şi noile exigenţe ale clienţilor.Totuşi aceste materiale nu sunt decât una dintre componentele unui vast sistem interactiv care trebuie să ţină seama de procedeele de punere în aplicare fundamentale pentru compozite a tehnologiilor, de existenţa încercărilor de validare sau de cunoaştere a legilor de comportament, a posibilităţilor de modelare sau de simulare, căci ceea ce-l interesează pe inginer nu este materialul, ci piesa sau funcţia care trebuie să răspundă la exigenţele caietului de sarcini. Introducerea acestor materiale se face printr-un proces de optimizare, în mod progresiv şi lent pentru vehiculele de serie mare sau în mod mai lent pentru cele de serie mică.Materialele compozite sunt în competiţie cu cele metalice ale căror proprietăţi şi procedee de punere în aplicare nu încetează să evolueze: tablă de oţel de înaltă

13

rezistenţă şi cu înaltă limită de elasticitate, tablă din aluminiu, aluminiu şi magneziu sub presiune.Pentru a creşte competitivitatea materialelor compozite şi a profita la maxim de avantajele lor, vor trebui să se facă progrese în cele 4 direcţii următoare:- dezvoltarea tehnologiilor produse/procedee adaptate la producţia în serie mare;- cautarea unei adecvări mai bune între prodeceul industrial al constructorului şi

specificităţile materialelor compozite;- evoluţia proceselor de studiu pentru a nu folosi doar oţelul ci multimaterialele;- stăpânirea simulării procedeelor de punere în aplicare, a dimensionării şi a

comportamentului dinamic.

5. Bibliografie

1. GIOCOSA, A. – Les composites dans l’industrie automobile.2. COLE, G., GOLOVOY, A., JERYAN, R., DAVIES, G. – Light weight materials for automotive aplication. Steel World, 1997.3. ILIE, S. – Stadiul actual privind materialele şi tehnologiile neconvenţionale pentru automobile – Referat I din stagiul de pregătire la doctorat, Piteşti, 2003.4. ILIE, S. – Metode şi mijloace pentru studiul confortabilităţii şi siguranţei pasive la autoturisme– Referat II din stagiul de pregătire la doctorat, Piteşti, 2003.5. Hubca Gh., Horia I, Tomescu M., Iosif Daniel Roşca , Novac O.A.,Ivănuş Gh., - Materiale compozite, Editura Tehnică, 1999, Bucureşti6. Ispas Ş, - Materiale compozite, Editura Tehnică, 1987, Bucureşti.

14