Jak procesy produkcyjne przyczyniają się do obniżenia wagi samochodów?

Osiągnięcie niskiej masy pojazdu ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia oszczędności paliwa w pojazdach z silnikami spalinowymi i zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych (EV). Zmniejszenie masy pojazdu o 10% może poprawić zużycie paliwa o 6-8%, a także zmniejszyć emisję dwutlenku węgla ^[1]. Zmniejszenie zużycia paliwa oznacza również redukcję emisji, co jest korzystne dla zrównoważonego rozwoju środowiska.

Poza oszczędnością paliwa i poprawą zasięgu, lekkość samochodów może znacznie poprawić osiągi, w tym hamowanie, prowadzenie i przyspieszenie. Ponadto lekka produkcja zmniejsza obciążenie zawieszenia, hamulców i opon, co zmniejsza ich zużycie. W dłuższej perspektywie części te będą działać dłużej i wymagać mniej konserwacji.

Jak więc producenci mogą sprawić, by części samochodowe były lżejsze? Czy można to osiągnąć po prostu zamieniając tradycyjne materiały na lekkie alternatywy, czy też cel ten wymaga ponownego przemyślenia sposobu projektowania części samochodowych?

Obalanie “mitu nowicjusza” na temat lekkiej produkcji

Istnieje wiele błędnych przekonań związanych z produkcją lekkich części samochodowych. Jedna ze szkół myślenia mówi, że lekkość można osiągnąć poprzez dobór materiałów. Innymi słowy, samochód można uczynić lżejszym po prostu poprzez zmianę materiałów na lżejsze.

Opierając się na tym błędnym przekonaniu, postrzegają oni procesy produkcyjne jako formowanie wtryskowe w przemyśle motoryzacyjnym, oprzyrządowanieoraz Obróbka CNC jako jedynie odgrywających rolę “robotników”, którzy postępują zgodnie z ustalonym planem. Druga szkoła myślenia zakłada, że stosowanie lżejszych materiałów zmniejsza bezpieczeństwo. Żadna z tych szkół myślenia o lekkiej produkcji pojazdów nie jest prawdziwa.

W rzeczywistości wykazano, że nowoczesne kompozyty oferują lepszą odporność na zderzenia ^[2]. Są one bardziej skuteczne w pochłanianiu energii uderzenia w porównaniu z metalami stosowanymi w tradycyjnych samochodach.

Lekka produkcja samochodów z wykorzystaniem formowania wtryskowego

Bez wątpienia wybór materiału odgrywa ważną rolę w procesie odchudzania. Jednak optymalna wytrzymałość i forma są prawie w całości osiągane bez zwiększania wagi poprzez optymalizację projektu i innowacyjne praktyki produkcyjne, jak poniżej:

1. Drążenie sekcji w celu zmniejszenia zużycia materiału

Części wielkogabarytowe mogą mieć puste sekcje wewnętrzne. Pustka ta jest zwykle osiągana poprzez formowanie wtryskowe wspomagane gazem lub spienianie. Na przykład w przypadku spieniania fizycznego do stopionego tworzywa sztucznego wtryskiwany jest azot lub dwutlenek węgla. Gaz powoduje rozszerzanie się stopionego tworzywa sztucznego w formie. Stopione tworzywo sztuczne uwięzi pęcherzyki gazu, tworząc wewnętrzną strukturę, która jest porowata i przypomina piankę.

Spienianie chemiczne jest również często stosowane i polega na dodaniu do żywicy chemicznego środka porotwórczego (CBA), takiego jak azodikarbonamid (ADC) i wodorowęglan sodu lub kwas cytrynowy. Po podgrzaniu CBA rozkłada się i uwalnia gaz, tworząc taki sam efekt, jak w przypadku spieniania fizycznego. Spienianie tworzy solidną powłokę zewnętrzną i rdzeń przypominający piankę. Zmniejsza to zużycie materiału i pomaga utrzymać lekkość produktu, bez osłabiania stabilności wymiarowej.

2. Wykorzystanie żeber do uzupełnienia konstrukcji cienkościennych

Inną ważną praktyką w produkcji lekkich części samochodowych jest wykorzystanie zaawansowanych technik produkcyjnych (takich jak formowanie wtryskowe cienkościenne i formowanie próżniowe) do tworzenia części o cieńszych ściankach (<1 mm grubości), przy jednoczesnym zachowaniu integralności strukturalnej części.

Ta technika formowania wtryskowego wykorzystuje wysokie ciśnienie, prędkości (>1000 mm/s) i zaawansowane maszyny, aby zapewnić prawidłowe wypełnienie cienkich wnęk. Cienkie ścianki są zwykle wspierane za pomocą żebra i kliny aby zapewnić sztywność i wytrzymałość tam, gdzie te właściwości są wymagane. Żebra mogą również zapobiegać wadom, takim jak znaki zlewu.

3. Konsolidacja wielu części

Gdy część samochodowa składa się z wielu komponentów, każdy z nich musi zostać zespawany lub połączony. Czynnik spawalniczy lub mocujący ostatecznie zwiększa wagę gotowej części. W produkcji lekkich części, które są zbyt złożone, są przeprojektowywane, aby ułatwić ich produkcję przy użyciu jednego procesu formowania wtryskowego.

Konsolidacja wielu części w jedną, formowaną jednostkę eliminuje potrzebę stosowania dodatkowych elementów złącznych, takich jak nity i śruby, co zmniejsza wagę części. Jednakże, formy do tworzenia Konstrukcje zatrzaskowe które nie wymagają dodatkowych elementów mocujących podczas montażu, mogą wymagać dodania podnośniki lub suwaki, co potencjalnie zwiększy ich koszt. Inne korzyści płynące z konsolidacji części dla lekkich samochodów obejmują:

• Tworzenie konstrukcji z pojedynczej ciągłej części ma zwykle wyższą integralność strukturalną w porównaniu do wielu połączonych ze sobą części, które mogą wprowadzać słabe punkty w połączeniach.
• Konsolidacja pozwala producentom tworzyć więcej części przy mniejszym nakładzie pracy i niższych kosztach.

Możesz być także zainteresowany “Różnica między produkcją części do pojazdów spalinowych i elektrycznych“.

Lekka produkcja dla przemysłu motoryzacyjnego z wykorzystaniem obróbki CNC

Obróbka CNC (Computer Numerical Control Machining) jest jedną z popularnych metod produkcji subtraktywnej. W tym procesie produkcyjnym wstępnie zaprogramowane oprogramowanie steruje obrabiarką, aby precyzyjnie wyciąć blok materiału (drewna, plastiku lub metalu) w pożądaną część lub produkt.

Wysoki poziom precyzji narzędzia obróbczego sprawia, że technika ta jest przydatna do tworzenia złożonych projektów. Ponadto wysoki poziom automatyzacji eliminuje ludzkie błędy i interwencje, co może pomóc producentom zaoszczędzić na kosztach pracy. Typowe lekkie komponenty motoryzacyjne tworzone przy użyciu tej techniki obejmują:

• Komponenty silników pojazdów elektrycznych i systemy chłodzenia
• Podwozie i zawieszenie, w tym wahacze i wsporniki
• Części silnika, w tym blok silnika, tłok, głowice cylindrów i wały korbowe.

Jednym z powodów, dla których obróbka CNC ma kluczowe znaczenie dla lekkiej produkcji, jest jej wszechstronność materiałowa. Może być wykorzystywana do tworzenia części z różnych materiałów, w tym aluminium, włókna węglowego, stopów tytanu, magnezu i innych specjalistycznych tworzyw sztucznych. Materiały te są często wybierane ze względu na ich stosunek wytrzymałości do masy.

Zachowanie wysokiej dokładności wymiarowej ma kluczowe znaczenie podczas tworzenia zoptymalizowanych lekkich komponentów. Niedokładności wymiarowe mogą zagrozić wydajności, funkcjonalności lub integralności strukturalnej produktu lub części. Nowoczesna wieloosiowa obróbka CNC, taka jak maszyny 5-osiowe, może tworzyć złożone, wielowymiarowe części. Zaawansowane modyfikacje projektu lekkiej produkcji, które można osiągnąć za pomocą obróbki CNC, obejmują:

• Złożone kanały puste lub wewnętrzne: W projektowaniu wydrążonych sekcji części samochodowych, takich jak komponenty silnika i płyty chłodzące, obróbka CNC jest wykorzystywana do precyzyjnego usuwania materiałów z wewnętrznych komponentów w sposób, który jest praktycznie niemożliwy do osiągnięcia ręcznie. W celu stworzenia lekkich części samochodowych, technika ta może być wykorzystywana do wydrążania sekcji, w których wytrzymałość nie jest konieczna, zmniejszając w ten sposób wagę części.
• Tworzenie części o wąskiej tolerancji: Obróbka CNC może być wykorzystywana do osiągnięcia ekstremalnego poziomu precyzji (około ±0,01 mm), dokładności i spójności. Ten zwiększony poziom precyzji zapewnia idealne dopasowanie każdej części, co może zwiększyć bezpieczeństwo dzięki zastosowaniu najmniejszej możliwej grubości materiału.

Wysoka precyzja obróbki CNC optymalizuje produkcję w sposób, który zmniejsza ilość odpadów materiałowych w porównaniu z innymi tradycyjnymi metodami. Jest to szczególnie przydatne w przypadku lekkiej produkcji motoryzacyjnej wykorzystującej wysokowydajne, drogie materiały.

Lekki przemysł motoryzacyjny wykorzystujący produkcję hybrydową

Produkcja hybrydowa to termin opisujący połączenie różnych technik wytwarzania w celu stworzenia lekkich części. Na przykład, obróbka CNC (subtraktywny proces produkcyjny) jest połączona z produkcją hybrydową. Drukowanie 3D (proces produkcji addytywnej) do tworzenia złożonych, lekkich części o wąskich tolerancjach, które byłyby trudniejsze do osiągnięcia przy użyciu którejkolwiek z metod.

Produkcja hybrydowa z wykorzystaniem druku 3D i obróbki CNC

Produkcja hybrydowa wykorzystuje uzupełniające się mocne strony poszczególnych technik w zakresie wydajności materiałowej, projektowania i wykańczania. Typowa hybrydowa produkcja lekkich elementów łączy w sobie możliwości druku 3D i obróbki CNC.

Druk 3D jest wykorzystywany do tworzenia bardzo złożonych geometrii wewnętrznych, takich jak puste kanały lub siatki. Produkcja hybrydowa odblokowuje poziom swobody projektowania, który jest nieporównywalny z innymi metodami. Największą siłą tego procesu produkcji addytywnej jest tworzenie tego rodzaju złożonych geometrii wewnętrznych bez uszczerbku dla integralności strukturalnej. Słabo wypada jednak pod względem tolerancji i wykończenia.

W związku z tym, po wydrukowaniu w 3D wydrążonej części przy użyciu lekkiego materiału, obróbka CNC jest wykorzystywana w procesie obróbki końcowej w celu uzyskania pożądana tolerancja i wyjątkowa precyzja (±0,002 mm) w strukturze wewnętrznej i gładkie wykończenie powierzchni zewnętrznej (Ra0,4 μm). Inne korzyści płynące z zastosowania hybrydowego procesu produkcji lekkich konstrukcji obejmującego druk 3D i obróbkę CNC obejmują:

• Większa redukcja odpadów materiałowych: Druk 3D jest najpierw wykorzystywany do stworzenia wydrążonego kształtu, a obróbka CNC musi usunąć tylko minimalną ilość materiału, zmniejszając ilość odpadów i koszty.
• Szybsze cykle produkcyjne: Ponieważ drukowanie 3D i obróbka CNC mogą być zautomatyzowane, połączenie obu tych procesów eliminuje konieczność ręcznego przenoszenia części, co może spowalniać proces produkcji.
• Usprawnienie procesu produkcji: Zintegrowane oprogramowanie zarządza oboma procesami, co pomaga wyeliminować nieefektywność i błędy.

Hybrydowa produkcja lekkich elementów z wykorzystaniem druku 3D i formowania wtryskowego

Druk 3D jest często łączony z formowaniem wtryskowym, zwłaszcza w procesie Voxelfill ^[3]. Proces ten został opracowany i opatentowany przez AIM3D. Proces Voxelfill wykorzystuje dwuetapowy proces produkcyjny w celu przezwyciężenia słabości związanej z osią Z części drukowanych 3D warstwa po warstwie w następujący sposób:

• Pierwszym krokiem jest stworzenie struktury kratowej za pomocą druku 3D: Struktura przypominająca plaster miodu została wydrukowana w 3D przy użyciu systemu modelowania wytłaczania kompozytów.
• Drugim krokiem jest wypełnienie siatki lub wypełnienie wokseli: Wytłaczarka służy do wtryskiwania materiału termoplastycznego do wewnętrznych wnęk kratownicy. Materiał wypełniający może być pianką i ma na celu zwiększenie sztywności i wytrzymałości bez zwiększania masy.

Przyszłość lekkiej produkcji opiera się na projektowaniu wielomateriałowym (MMD). Zamiast ogólnego zastępowania materiałów, MMD strategicznie umieszcza najlepszy materiał dla konkretnych wymagań we właściwym miejscu. Na przykład stal o wysokiej wytrzymałości może być stosowana w obszarach wymagających wysokiej odporności na zderzenia, podczas gdy aluminium jest używane w panelach zewnętrznych, gdzie priorytetem jest redukcja masy.

Referencje

[1] Departament Energii Stanów Zjednoczonych. (n.d.). Lekkie materiały dla samochodów osobowych i ciężarowych. Biuro Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Uniwersytet Tennessee Knoxville. (2023, 27 lutego). Doktorant dogłębnie testuje wytrzymałość kompozytów na zderzenia. Wydział Inżynierii Lądowej i Środowiska. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, 24 października). Na czym polega proces Voxelfill? Engineering.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/