Diéta bez výčitiek

Viac užívateľských výhod a nižšie náklady - to sú ciele každého vývoja produktu. Jedným zo spôsobov, ako to dosiahnuť, je zníženie hmotnosti komponentov. Najjednoduchším spôsobom, ako znížiť množstvo použitých primárnych materiálov, je hlavná výhoda zrejmá: náklady na materiál sa znižovaním hmotnosti znižujú lineárne. Okrem toho existujú efekty, ako sú nižšie náklady na prepravu, ľahšia manipulácia alebo zvýšená akceptácia zákazníkom. Na oplátku možno očakávať zvýšené výdavky v stavebníctve, výrobe a pravdepodobne aj na zabezpečenie kvality.

Ak existujúcu konštrukciu nemožno jednoducho „zoštíhliť“ zmenou geometrie, sú povolaní odborníci na materiály. Nakoniec je v mnohých aplikáciách do značnej miery irelevantné, aký materiál sa použije - rozhodujúci je výsledok vo forme splnenia požiadaviek a nákladov. Jednotlivé frakcie od Spracovatelia hliníka, zástupcovia plastikárskeho priemyslu a spracovatelia klasickej ocele nekonkurujú o lepšie riešenie. Napokon sú zapojené aj skupiny materiálov horčík, keramika a špeciálne inžinierske materiály, čo je zrejmé najmä v oblasti subdodávateľskej činnosti na veľtrhu v Hannoveri. (7. - 12. apríla 2003) ukazuje.

Hliník ešte ľahší

Technici aj používatelia zvyčajne kombinujú pojmy ľahkosť a hliník úplne prirodzene. S bežnými hliníkovými materiálmi môže byť oceľ alebo iné „ťažké“ materiály nahradené mnohými komponentmi, napríklad krytmi a spojovacími prvkami, s relatívne malým konštrukčným a výrobným úsilím. Lisovacie a odlievacie procesy sa tradične používajú.

Spoločnosti k článku

Je to však tiež jednoduchšie bez zmeny skupiny materiálov: pórovitosť je pri odlievaní veľmi nežiaducou vlastnosťou komponentov. Môžu sa však použiť aj špecificky. Po prvých aplikáciách väčšinou hliníkových pien s uzavretými pórmi v automobilovom priemysle sa kovové peny s otvorenými pórmi čoraz viac využívajú aj v iných priemyselných odvetviach.

Pokiaľ ide o výber zliatin, geometrie, hustotu a štruktúru buniek, môžu sa tieto materiály, spracované modifikovaným procesom odlievania, meniť v širokom rozmedzí. Navyše môžu byť spojené masívne komponenty v jednom obsadení. To znamená, že na dosiahnutie optimálne prispôsobených parametrov komponentov je k dispozícii niekoľko „nastavovacích skrutiek“. Hustota je znížená na desať percent pôvodného materiálu. Trojrozmerne zosieťované štruktúry však dosahujú vysoké pevnosti.

Pýtali sa kompetentní dodávatelia

Pretože v tejto oblasti neexistujú takmer žiadne normy týkajúce sa zastúpenia materiálových parametrov, ako sú pevnosť a predĺženie, musia sa potenciálni používatelia spoľahnúť na odbornosť príslušných dodávateľov. To platí nielen pre dizajn, ale aj pre koncepciu komponentov. Kvôli novosti procesu bude dizajn a ďalšie spracovanie spočívať prevažne na výrobcovi.

Rezervy sa však dajú z materiálu hliníka vyťažiť aj „tradičnými“ spôsobmi. Kombináciou rôznych výrobných procesov práškovej metalurgie a cieleným riadením zliatin môžu byť polotovarom dané špeciálne vlastnosti, ktoré dávajú komponentom inak neobvyklé kombinácie technických údajov.

Pokiaľ ide o pohyblivé komponenty a zostavy, často ide o zníženie hmotnosti - je žiaduce zvýšiť dynamiku systému. Oddelenie komponentov, ktoré boli predtým vyrobené z ocele, má však svoje úskalia: V závislosti od použitia sú potrebné špeciálne parametre materiálu, od ktorých sa zvyčajne neočakáva, že by to boli hliníkové zliatiny, ale sú nevyhnutné pre funkčnosť celého systému. Napríklad regulačné piesty pre hydraulické systémy sa vyrábajú ako sústružené diely, ktoré sa vyznačujú extrémnou tvrdosťou a odolnosťou proti opotrebovaniu. Aj pri nepretržitom používaní si vystačia s ochranným náterom proti opotrebovaniu. Pri výrobe tiež nie sú potrebné žiadne procesy brúsenia alebo odhrotovania. A samozrejme sú tieto piesty výrazne ľahšie ako ich „konkurenti“ vyrobené z ocele. To isté platí pre polohovací posúvač: Drastické zníženie hmotnosti zaisťuje výrazne vyššiu dynamiku a menšie namáhanie celého systému. Mechanici sa správajú na základe zodpovedajúcej voľby výrobného procesu základného materiálu a zliatina pre tepelné správanie podobné oceľovému variantu.

Hliník vystužený disperziou ponúka množstvo možností na dosiahnutie určitých kombinácií vlastností. Tvrdosť, odolnosť proti opotrebovaniu, nízka tepelná rozťažnosť a mimoriadna tuhosť sú len niektoré z parametrov, ktoré je možné ovplyvniť. V správnej kombinácii sú možné ešte vyššie výkony, ako je to možné pri oceľových komponentoch - s primeranou námahou: Ak zaistíte, aby ozubené kolesá a puzdrá mali vysokú odolnosť proti teplu a opotrebeniu, je možné olejové čerpadlo realizovať s veľmi malými medzerami. To umožňuje vyššie tlaky a vo výsledku menší objem čerpadla. Na dosiahnutie tohto úspechu je potrebné určité množstvo know-how v oblasti výberu a spracovania materiálu, aby bolo možné ich správne začleniť do dizajnu.

Iný druh ľahkého kovu

Zliatiny horčíka sú ešte ľahšie ako hliník, prinajmenšom ako pevné hliníkové materiály. Sériové diely vyrobené z liateho horčíka sú už sériovo používané. Doteraz sa polotovary horčíka takmer nepoužívali. Vďaka svojmu zaujímavému technologickému profilu vlastností je však magnéziový plech nový konštrukčný materiál s vysokým potenciálom ľahkej konštrukcie. Predtým obmedzené použitie horčíkového plechu má rôzne príčiny, vrátane problémov s kvalitou a dostupnosťou polotovarov. Z minulosti je však z konštrukcie vozidiel a lietadiel známe veľké množstvo náročných štrukturálnych aplikácií pre magnéziové plechy.

Aj dnes ponúka magnéziový plech najlepšie podmienky pre ultraľahké komponenty vystavené zložitému zaťaženiu s vysokými mechanickými a povrchovo-technickými požiadavkami. To otvára nové oblasti použitia pre túto skupinu materiálov, ktoré je ťažké alebo nemožné dosiahnuť pomocou konkurenčných výrobkov vyrobených z liateho horčíka. Body výkonového profilu magnéziového plechu, ktoré sú pre používateľa zaujímavé, sa týkajú predovšetkým vysokej špecifickej hmotnosti a tuhosti, najmä pri zaťažení v ohybe a vzpore. To má za následok hmotnostné výhody na komponente až o 60 percent, respektíve 25 percent v porovnaní s oceľou a hliníkom.

Aj v tejto oblasti ľahkých konštrukcií je najsilnejším „hnacím motorom“ a používateľom inovácií automobilový priemysel. Oblasti použitia preto vznikajú spočiatku v interiéroch osobných automobilov s rozsiahlymi doplnkovými dielmi, ale aj konštrukčnými prvkami karosérie, v hnacom ústrojenstve (kryt hlavy valcov, olejová vaňa) a tiež Skúsenosti z veľkovýroby horčíkových plechov nie sú zatiaľ dostatočne rozsiahle. V úzkej spolupráci s výrobcom spoločnosti Salzgitter Magnesium Technologie, potenciálnymi používateľmi ako Volkswagen AG a univerzitami sa procesy v súčasnosti testujú a vylepšujú v pilotných projektoch.

V oblasti karosérie v bielom prevedení a ďalších nárazových komponentov sa v spojení s extrudovanými profilmi alebo tlakovým liatím použijú aj z horka zvárané konštrukcie z plechu s optimalizovanou funkciou a hmotnosťou. To isté platí pre tenkostenné, napríklad laserom zvariteľné profily z plechu, ktoré sú tvarované vnútornými vysokotlakovými formovacími a ohýbacími operáciami.

Horčíkové ťažké platne môžu tiež predstavovať zaujímavý základ pre ultraľahké štrukturálne aplikácie pre iné ako automobilové aplikácie. Prototyp panelu rádiového ďalekohľadu bol už vyrobený z ťažkej dosky Mg. Tu je optimálne kombinovaná ľahká konštrukcia, tuhosť a nízke tolerancie tvaru.

Klasika v ľahkej verzii

Zatiaľ čo hliník a čoraz viac horčík prirodzene znižujú váhu komponentov a zostáv, procesory ocele majú takpovediac dve možnosti, pokiaľ ide o konkurenciu pre ľahšie konštrukcie. Použitie tried ocele s vyššou pevnosťou a optimalizácia geometrie, aby sa pri splnení požiadaviek na pevnosť spotrebovalo menej materiálu. musím.

So skúsenosťami, ale predovšetkým s koncentrovaným využitím technológií, dali výrobcovia a spracovatelia polotovarov nový dizajn diéte. Aj tu je hnacou silou jeden z najväčších spotrebiteľov ocele, automobilový priemysel. V súčasnosti sa podnikajú pokusy podniknúť väčšie kroky k ľahkej konštrukcii s novými výrobnými, výpočtovými a simulačnými procesmi. Projekt Atlas (Advanced Technologies for Lightweight Autobodies in Steel), spolupráca medzi spoločnosťami Salzgitter AG a Wilhelm Karmann GmbH, prešiel dlhou cestou. Myšlienkou tohto projektu bol vývoj konštrukcie priestorového rámu s inovatívnymi typmi ocele a novými výrobnými a spojovacími procesmi.

Virtuálny prototyp bol skonštruovaný na základe potenciálnej analýzy štruktúr vesmírnych rámcov. Prototypy boli navyše integrované do sériových vozidiel a testované. Využívanie sériových výrobných postupov na výrobu prototypov, intenzívne vyšetrovanie spojovacích technológií až po overovanie vlastností únavovej pevnosti a správanie pri náraze prostredníctvom testov robia z projektu viac než len ďalšiu ľahkú konštrukčnú štúdiu.

Výber materiálov bol úzko koordinovaný s výrobným procesom. Profilovanie valcovaním sa ukázalo ako obzvlášť výhodné pre použitie vysokopevnostných konštrukčných materiálov. Použili sa tu materiály s medzami klzu nad 700 MPa. Na druhej strane, v procese tvárnenia sa zvýšenie medze klzu v dôsledku efektu vytvrdzovania práce v procese tvárnenia využilo cielene a bolo už zohľadnené v simulácii. Týmto spôsobom je možné nastaviť vysoko účinné pevnosti komponentov aj pomocou vynikajúco tvarovateľných druhov ocele.

Ako ukazujú výsledky projektu, zvýšila sa tuhosť karosérie. Hmotnosť uvažovanej konštrukcie sa znížila až o 40 percent. V pomere k celkovému telu to znamená zníženie hmotnosti takmer o 20 percent. Analýza nákladov na použitie nových technológií v sérii ukazuje významné nákladové výhody v dôsledku výrazného zníženia nákladov na diely. V kombinácii s možným znížením počtu montážnych staníc môže byť zložitejšia technológia výroby a spájania viac ako nadmerne kompenzovaná.

Tento príklad tiež ukazuje, že v spolupráci používateľov, dodávateľov materiálov, výrobných špecialistov, dizajnérov a s využitím moderných simulačných metód dokáže aj „klasická“ oceľ v pomerne krátkom čase uvoľniť obrovský potenciál.

Plasty fungujú dobre

Ani technici v oblasti plastov sa nemusia skrývať za kovoobrábanie všetkých pruhov. Zvyšujúce sa použitie vysokovýkonných plastov otvára ďalšie príležitosti na znižovanie hmotnosti komponentov. Toto im konkuruje s oceľou, hliníkom a niekedy dokonca so sklom. Použitím polyarylamidových zlúčenín spoločnosti Solvey Advanced Polymers, Düsseldorf, je možné súčasne realizovať aplikácie s vysokými požiadavkami na vzhľad povrchu a vysoké mechanické namáhanie. Doteraz sa to dalo dosiahnuť iba použitím rôznych materiálových kombinácií. Len čo polyaryamid dosiahne svoje tepelné limity, je výberovým materiálom polyftalamid - za predpokladu, že je potrebné vysoké mechanické zaťaženie v širokom rozmedzí teplôt. Jeho tepelná odolnosť dosahuje až 300 stupňov Celzia. Môžu sa tiež dosiahnuť kombinácie prvkov, ako je vysoká teplota, odolnosť proti hydrolýze a sterilizácii, ktoré predtým neboli možné.

Ľahko nepochopený

Ak telefón skĺzne z pracovného stola, pretože kábel slúchadla vytiahnete iba zľahka, objekt ľahkej konštrukcie bol zjavne nepochopený. Spravidla ide o znižovanie hmotnosti z technických alebo ekonomických dôvodov. Výrobcovia vozidiel sa zameriavajú na zníženie spotreby paliva a zvýšenie jazdných výkonov. Pokiaľ ide o pohyblivé časti, strojní inžinieri sa usilujú o zlepšenie dynamiky, hladkého chodu a ďalšie ciele.

Rovnako ako ďalší dlhodobý vývoj v hlavných zákazníckych odvetviach dodávateľského priemyslu, trend nie je nový, ale vždy prináša prekvapivé riešenia. Výstižne to ukazuje, že optimálne riešenia sa dajú nájsť iba zriedka ad hoc, ale v zdĺhavých procesoch sa neustále vyvíjajú nové príležitosti. V interakcii základných výskumných pracovníkov, materiálových špecialistov, dizajnérov, spracovateľov, odborníkov na povrchové úpravy všetkých druhov, mnohých ďalších odborníkov - a samozrejme používateľov - sa želania a vízie stávajú predajnými produktmi.

Pre tých, ktorí tieto trendy berú na ľahkú váhu, sa to v budúcnosti bude ťažko znášať. Meinolf Droege