5 kluczowych czynników wpływających na produkcję zderzaków metodą formowania wtryskowego

Pierwszy pojazd opatentowany przez Carla Benza w 1885 roku nie miał zderzaków ^[1]. Był to w zasadzie trójkołowiec z silnikiem spalinowym i dużymi kołami. Zderzak wykonany z metalowego pręta został dodany do samochodów w 1897 roku przez George'a Alberta Lyona. W tym czasie produkcja zderzaków miała głównie charakter dekoracyjny.

W 1905 roku Frederick Richard Simms opatentował pierwszy zderzak wykonany z myślą o absorpcji uderzeń. Tym razem zderzaki zostały wykonane z gumy absorbującej uderzenia. Żeliwo ostatecznie zastąpiło gumę. Do 1920 roku stal stała się standardowym materiałem do produkcji zderzaków ze względu na niższy koszt i lepszą wytrzymałość.

W latach 1930-1960 producenci samochodów zaczęli wprowadzać innowacje w produkcji zderzaków. Obejmuje to chromowanie stali używanej do produkcji zderzaków. Producenci samochodów zaczęli również dodawać do zderzaków złożone kształty i światła.

Wzrost popularności formowania wtryskowego zderzaków

Od lat 70-tych XX wieku zaczęły narastać obawy dotyczące bezpieczeństwa samochodów. The Narodowa Administracja Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego Stanów Zjednoczonych (NHTSA) ogłosiła w 1971 r. nowe standardy bezpieczeństwa (Federal Motor Vehicle Safety Standard 215), które wymagały, aby zderzaki były odporne na uderzenia przy niskich prędkościach (2,5 mph).

Wytyczne NHTSA zapoczątkowały nową erę gumowych zderzaków o właściwościach amortyzujących. Jednym z pierwszych producentów samochodów, który spełnił te nowe wytyczne, był General Motors, a konkretnie jego zderzak Endura zamontowany w Pontiac GTO z 1968 roku. Nowoczesne zderzaki samochodowe produkowane są głównie przy użyciu formowanie wtryskowe w następujący sposób:

1. Wybór i przygotowanie materiału

Najpopularniejszą formą plastikowej palety używanej w formach zderzaków samochodowych jest polipropylen. Jednakże, poliwęglan, Poliuretan i styren butadienowy są często stosowane ze względu na ich elastyczność konstrukcyjną i doskonałą równowagę między wysoką odpornością na uderzenia i niską wagą. Pelet jest podawany do leja zasypowego.

2. Topienie i wtryskiwanie peletek

Lej zasypowy podaje granulat do beczki, gdzie jest on topiony i mieszany (jeśli dodano inne materiały) do postaci stopionej. Stopione tworzywo sztuczne jest wtryskiwane do stalowej formy zderzakowej. Podczas wtrysku stosowane jest odpowiednie ciśnienie, aby stopiony plastik mógł prawidłowo wypełnić wnękę formy.

3. Chłodzenie uformowanej części

Stopione tworzywo sztuczne jest schładzane i zestalane w formie. W ten sposób przyjmuje precyzyjnie obrobiony kształt formy. Krytyczne kontrolowanie czasu chłodzenia zapewnia, że materiał osiąga pożądane właściwości mechaniczne i dokładność wymiarową. Znaki zlewu, wypaczenie, i innym typowym usterkom można zapobiec dzięki odpowiedniemu mechanizmowi chłodzenia.

4. Demontaż formowanego zderzaka

Po schłodzeniu i wystarczającym zestaleniu uformowana część jest wyrzucana. Pomyślne wyrzucenie odbywa się za pomocą systemu płyt i sworzni.

5. Wykończenie tłumika

Uformowana część przechodzi zwykle kilka innych etapów, zanim zostanie zamontowana w samochodzie. Wykończenie może obejmować przycinanie i malowanie w celu uzyskania pożądanego wyglądu.

Pięć aspektów formowania wtryskowego zderzaków

Producenci samochodów przez lata wprowadzali innowacje w zakresie formowania zderzaków samochodowych. Na przykład, niektóre marki samochodów mają zderzaki wykonane z aluminium lub stali z plastikową osłoną. Inne mają specjalne konstrukcje, które zawierają czujniki ostrzegające o kolizji, parkowaniu i inne zaawansowane funkcje bezpieczeństwa.

Nowoczesne zderzaki są wykonane z tworzywa sztucznego nie tylko ze względów bezpieczeństwa. Obejmuje to lekkość, bezpieczeństwo, trwałość i elastyczność projektu. Zamierzenia projektowe zwykle kierują rozważaniami podczas produkcji zderzaków. Poniżej znajdują się ważne kwestie do rozważenia.

1. Projektowanie zderzaków pod kątem bezpieczeństwa

Mimo że produkcja zderzaków wymaga wiele uwagi, bezpieczeństwo pozostaje najwyższym priorytetem. Każdy projekt zderzaka musi być zgodny z przepisami krajowymi i międzynarodowymi, jeśli producent planuje wysyłać swoje pojazdy za granicę.

Większość międzynarodowych organów regulujących bezpieczeństwo samochodów, w tym NHTSA i większość przepisów europejskich, oczekuje, że zderzaki wytrzymają uderzenia z prędkością do 2,5 mil na godzinę z przodu lub z tyłu przy minimalnych uszkodzeniach. Oznacza to, że materiał użyty do produkcji zderzaka musi spełniać określone wymagania dotyczące wytrzymałości i odporności.

Insurance Institute for Highway Safety często ma bardziej rygorystyczne wymagania. Niezależna organizacja zazwyczaj przeprowadza testy przy prędkości 5 mil na godzinę w celu oszacowania kosztów naprawy.

2. Wybór materiałów do lekkich konstrukcji

Chociaż zastosowanie metalowych prętów w zderzakach było funkcjonalne, zwiększało wagę pojazdu, co zwiększało zużycie paliwa. Przejście na plastikowe zderzaki pomogło zmniejszyć wagę samochodów, co bezpośrednio przekłada się na zmniejszenie zużycia paliwa.

Samochody ewoluują w kierunku wykorzystania zrównoważonych źródeł energii, takich jak pojazdy elektryczne na baterie i pojazdy napędzane wodorem ^[2]. W związku z tym rośnie presja na producentów, aby używali bardziej zrównoważonych, lżejszych materiałów do produkcji, próbując zwiększyć zasięg. Ponadto działacze na rzecz ochrony środowiska wzywają do ograniczenia zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi, zmuszając producentów do zbadania możliwości wykorzystania materiałów pochodzących z recyklingu.

Doprowadziło to do wzrostu wykorzystania formowanych wtryskowo kompozytów i żywic pochodzących z recyklingu poużytkowego (PCR) do formowania wtryskowego zderzaków ^[3]. Materiały te są preferowane ze względu na ich wysoki stosunek wytrzymałości do masy.

Wyzwania związane z przetwarzaniem kompozytów i żywic PCR

W przypadku zastosowania któregokolwiek z tych materiałów, system formowania zderzaków samochodowych musi zostać zmodyfikowany. Na przykład, kompozyty topią się w wyższej temperaturze i wymagają wyższego ciśnienia wtrysku w porównaniu z pierwotnym tworzywem sztucznym, aby zapewnić równomierny przepływ bez uszkodzenia materiału. Parametry przetwarzania żywic pochodzących z recyklingu poużytkowego są również ściśle kontrolowane, aby uniknąć degradacji materiału.

Dlatego podczas pracy z kompozytami lub żywicami z recyklingu poużytkowego należy upewnić się, że współpracuje się z producentem form do zderzaków, który rozumie ich specyfikę. Niektóre z modyfikacji, które producenci mogą wprowadzić do systemu formowania wtryskowego zderzaków przy użyciu PCR, obejmują:

• Maszyna będzie korzystać z zaawansowanych systemów filtracji i sortowania w celu usuwania zanieczyszczeń.
• Zawartość wilgoci w PCR może być wyższa niż w pierwotnym tworzywie sztucznym i wymagałaby zoptymalizowanego systemu suszenia, aby zapobiec wadom.
• Modyfikacja konstrukcji ślimaka w celu przetwarzania materiałów o zmiennym przepływie stopu.
• Konieczne może być wprowadzenie wytłaczarek odpowietrzających do cylindra w celu usunięcia wilgoci i pozostałości substancji lotnych z materiału podczas topienia.
• Konieczne może być dostosowanie temperatury, ciśnienia i prędkości.
• System chłodzenia musi zostać zmodyfikowany, aby skompensować różne współczynniki skurczu.

3. Konstrukcja zderzaka zapewniająca lekkość

Istnieje błędne przekonanie, że obniżenie wagi zderzaków samochodowych można osiągnąć po prostu poprzez zamianę materiałów. To nieprawda! Optymalizacja projektu ma kluczowe znaczenie dla lekkość. Chociaż przejście ze zderzaków stalowych na plastikowe pomogło obniżyć ogólną wagę samochodów, poniżej przedstawiono techniki optymalizacji projektu, które pomagają producentom tworzyć lekkie zderzaki.

• Struktury cienkościenne: Produkcja zderzaków o cienkich ściankach pomaga producentom jeszcze bardziej ograniczyć zużycie materiałów, co może jeszcze bardziej obniżyć wagę części i koszty. Tworzenie części o cienkich ściankach bez uszczerbku dla funkcjonalności, żebra są często dodawane do cienkościennych zderzaków w celu zwiększenia stabilności i redystrybucji siły uderzenia.
• Projektowanie generatywne i optymalizacja topologii: Zaawansowane modelowanie obliczeniowe jest często wykorzystywane do usuwania materiałów z obszarów niekrytycznych lub do optymalizacji formy strukturalnej, na przykład przy użyciu struktur kratowych lub o strukturze plastra miodu ^[4]. Struktury te są bardziej wydajne w przenoszeniu obciążeń i uderzeń. Modelowanie obliczeniowe może być również wykorzystane do znalezienia najlepszej konfiguracji żeber i gęstości dla uzyskania najlepszych wyników.
• Hybrydowa technika produkcji: W przeciwieństwie do tradycyjnej produkcji zderzaków, która wykorzystuje jedną technikę produkcji, nowoczesne zderzaki mogą łączyć różne techniki. Na przykład, Drukowanie 3D służy do tworzenia zewnętrznej warstwy zawierającej komory wokseli. Puste przestrzenie są następnie wypełniane przy użyciu techniki podobnej do formowania wtryskowego.
• Częściowa integracja: Łączenie wielu części w jednej formie zderzaka eliminuje potrzebę stosowania elementów złącznych i innych technik łączenia, które zwiększają wagę samochodu.

4. Konstrukcja formy zderzaka zapewniająca funkcjonalność

Nowoczesne zderzaki w większości typów samochodów (zwłaszcza sportowych) są zaprojektowane tak, aby przyczyniać się do ich właściwości aerodynamicznych i oszczędności paliwa. Został on zaprojektowany do zarządzania przepływem powietrza, szczególnie w przypadku pojazdów elektrycznych, które wykorzystują wentylatory do chłodzenia akumulatorów.

Przedni zderzak jest pierwszą częścią pojazdu, która wchodzi w kontakt z nadjeżdżającym powietrzem. Dlatego też zazwyczaj ma on wyprofilowany kształt, który ułatwia przepływ powietrza wokół samochodu. Zapobiega to powstawaniu oporów powietrza, które mogą zwiększać zużycie paliwa lub akumulatora.

Niektóre procesy formowania wtryskowego zderzaków zawierają specjalne elementy, takie jak boczne otwory wentylacyjne lub kurtyny powietrzne. Celem tych elementów jest kierowanie powietrza w stronę wnęk kół i hamulców. Nadciągające zimniejsze powietrze chłodzi układ hamulcowy i pomaga w zarządzaniu turbulencjami powietrza generowanymi przez obracające się koła. Efekt ten pomaga również zmniejszyć opór powietrza i poprawić przyspieszenie oraz oszczędność paliwa.

5. Projekt formy zderzaka zgodnie ze specyfikacją firmy motoryzacyjnej

Konstrukcja zderzaka nie jest uniwersalna. Każdy producent samochodów ma unikalne wymagania estetyczne lub wydajnościowe dla swoich zderzaków - i mogą się one znacznie różnić w zależności od modelu samochodu. Proces formowania zderzaka samochodowego musi być zgodny z wewnętrznymi oczekiwaniami producenta samochodów.

Dla jednego producenta samochodów może to być zdolność zderzaka do zapobiegania uszkodzeniom reflektorów lub zintegrowanych czujników i kamer podczas zderzenia przy niskiej prędkości. Dla innego producenta priorytetem może być aerodynamika i chłodzenie. Trzeci producent samochodów może priorytetowo traktować estetykę i wymagać zderzaka, który jest odporny na zarysowania i łatwy do pomalowania. Standardowe testy stosowane przez producentów samochodów do weryfikacji wydajności zderzaków obejmują:

• Test warunków skrajnych: Oprogramowanie symulacyjne, takie jak analiza elementów skończonych, służy do oceny działania zderzaka w różnych warunkach.
• Testy barierowe i wahadłowe: Zderzak zderza się z ruchomymi przeszkodami (i nieruchomymi) na różnych wysokościach i przy różnych prędkościach, aby przewidzieć zachowanie podczas zderzenia.
• Dopasowanie testowe pojazdu: Służy do określenia, jak dobrze zderzak pasuje do pojazdu przed ostateczną instalacją.

Formy modułowe i wielokomorowe są często łączone z innowacyjnymi konformalnymi kanałami chłodzącymi, aby poprawić wydajność formowania wtryskowego zderzaków, skrócić czas cyklu i zapewnić jednolitą i spójną jakość produktów. Producenci samochodów powinni upewnić się, że jasno komunikują swoje zamiary i wymagania z producentem form, aby uzyskać najlepszy wynik.

Odniesienie

[1] Mercedes-Benz Group. (n.d.). Benz Patent Motor Car: Pierwszy samochód (1885-1886). Grupa Mercedes-Benz. https://group.mercedes-benz.com/company/tradition/company-history/1885-1886.html

[2] Departament Energii Stanów Zjednoczonych. (n.d.). Jak działają samochody elektryczne z ogniwami paliwowymi? Centrum Danych Paliw Alternatywnych. https://afdc.energy.gov/vehicles/how-do-fuel-cell-electric-cars-work

[3] Mauser Packaging Solutions. (b.d.). Żywica poużytkowa (PCR): Co to jest i jakie są korzyści? Mauser Packaging Solutions. https://mauserpackaging.com/mauser_news/post-consumer-resin-pcr-what-is-it-and-what-are-the-benefits/

[4] 3Dnatives. (2025, 11 kwietnia). Wszystko o strukturach kratowych w druku 3D. 3Dnatives. https://www.3dnatives.com/en/all-about-lattice-structures-in-3d-printing-04112025/