Tworzywa sztuczne w konstrukcji samochodów i samolotów

Od wielu lat coraz bardziej rośnie znaczenie tworzyw sztucznych jako materiału konstrukcyjnego wykorzystywanego do budowy środków transportu: samochodów, samolotów, pojazdów kolejowych. W zasadzie otartym pozostaje pytanie, kiedy ogromna większość tych maszyn składać będzie się z tworzyw. Oczywiście tworzywowa rewolucja to nic nowego, więc sięganie po tworzywa przy budowie np. samochodów nie jest niczym niezwykłym. Niemniej jednak postęp ilościowy jaki dokonuje się w tej dziedzinie jest imponujący. Już dzisiaj części z tworzyw sztucznych stanowią od 12 do 19 proc. ciężaru samochodu, w zależności od modelu. Jeszcze pół wieku temu było to ledwie 5 proc. Główne powody takiego stanu rzeczy, to m.in. niewielki ciężar osiągany za sprawą tworzyw, względy bezpieczeństwa oraz duże możliwości wzornictwa.

Najnowsze trendy wzornicze w motoryzacji oznaczają m.in. powrót do chromowania listew wykończeniowych, klamek drzwi i innych elementów dekoracyjnych. Projektanci tworzą w ten sposób samochody wyglądające na luksusowe. I właśnie tutaj niezbędne są tworzywa, które charakteryzują się niezwykle niskimi naprężeniami wewnętrznymi i bardzo dobrą adhezją do metalu.Jak zatem widać używanie przy budowie samochodów tworzyw sztucznych jako materiału konstrukcyjnego pociąga za sobą wiele korzyści. I są to korzyści mierzone w wielu aspektach, nawet takich, które pozornie nie mają wiele wspólnego z materiałem konstrukcyjnym. Dokładniejsza analiza pokazuje jednak, że jest zupełnie inaczej. W ostatnich latach ceny paliwa w Europie znacznie wzrosły i nic nie wskazuje na to, aby wzrost ten został zahamowany. W obliczu malejących rezerw ropy naftowej odpowiedzialne korzystanie z samochodu jest podejściem niezwykle pożądanym. Obok innowacyjnej techniki silnikowej, to właśnie dzięki tworzywom sztucznym można stale obniżyć zużycie paliwa, czyniąc jednocześnie samochód bardziej bezpiecznym i komfortowym oraz lżejszym.

Aktualnie samochód klasy średniej, ważący ok. 1000 kg, zawiera do 15 proc., czyli 150 kg tworzyw sztucznych. Osiągnięcie takiego rezultatu jest możliwe choćby dzięki temu, że z tworzyw sztucznych wykonane są takie części karoserii jak spojlery, błotniki i zderzaki, wskaźniki czy reflektory. Podobnie ma się rzecz z elementami tapicerki, siedzeń i poduszek powietrznych, wykładzin wewnętrznych, opon, uszczelek, pasków klinowych i wielu innych drobnych części. Tworzywa sztuczne dlatego stały się materiałem, po który sięga się przy tworzeniu pojazdów, gdyż łatwo można im nadać niemal każdy kształt, podwyższają poziom bezpieczeństwa i komfortu, a ich przetwórstwo jest stosunkowo proste i tanie. Dlatego w tej chwili w motoryzacji możliwości zastosowania tworzyw sztucznych są praktycznie nieograniczone. Wykonane z materiałów polimerowych części silnika jak pokrywy zaworów, filtry powietrza czy rury wlotowe można łatwo połączyć w jeden element konstrukcyjny. Przewody paliwowe i zbiorniki paliwa - dotychczas metalowe - dzisiaj przeważnie wykonane są z tworzyw sztucznych; nie korodują, są łatwe w montażu i jednocześnie 40-50 proc. lżejsze. W nowoczesnych samochodach także szkło zostało zastąpione przez tworzywa. Obecnie wytwarza się z nich reflektory, światła tylne a nawet szyby przednie. Także w tych obszarach produkcji elementy tworzywowe są o wiele lżejsze, bardziej bezpieczne i dają większe możliwości projektowania kształtu. Przykładem na konkretne tworzywo zmieniające oblicze motoryzacji jest Noryl GTX wykorzystywany do produkcji paneli nadwozi. Szacuje się, że w blisko 12 mln samochodów przy produkcji błotników lub paneli nadwozia wykorzystano ten materiał. Części z tego właśnie tworzywa mogą być natryskiwane farbą lub lakierowane proszkowo razem z innymi elementami nadwozia i to bez konieczności wcześniejszego nałożenia podkładu. Tworzywa Noryl GTX powstają poprzez wzajemne wkomponowanie technologii poliamidu i zmodyfikowanego polimeru politlenku fenylenu (PPE). Pozwala to połączyć stabilność wymiarową i odporność na wysoką temperaturę polimeru PPE z odpornością chemiczną oraz parametrami płynięcia poliamidu. Tym samym powstaje materiał odporny chemicznie i o wysokiej sztywności, a także odporności na udary i wysoką temperaturę wymaganą w procesie malowania w linii produkcyjnej.

Jako materiał konstrukcyjny tworzywa sztuczne zyskały uznanie również w kolejnictwie. W przeciwieństwie do pojazdów tradycyjnych wagony, jednostki napędowe i autobusy, w których wykorzystano elementy z tworzyw sztucznych, są nawet o 30 proc. lżejsze. Pozwala to zaoszczędzić energię, obniżyć koszty zakupu urządzeń i ich eksploatacji, przy jednoczesnym zmniejszeniu stopnia ich zużycia. Mniejszy ciężar zmniejsza naprężenia materiałów i sprawia, że koleje i autobusy stają się szybsze i mniej hałaśliwe. Na tym jednak nie koniec tworzywowego przełomu związanego z konstruowaniem środków transportu. Także takie gałęzie przemysłu jak lotnictwo, kosmonautyka oraz żegluga potrzebują tworzyw, aby możliwe było oszczędzanie energii na wodzie i w przestworzach. Tę potrzebę widać już na pierwszy rzut oka, gdy tylko skieruje się wzrok do wnętrza samolotu. Każdy gram, który można zredukować przy tworzeniu drzwi, okien, siedzeń, obudowy wewnętrznej i wyposażenia odgrywa istotną rolę na drodze uczynienia samolotu lżejszym i możliwie najszybszym. Dla potwierdzenia tej tezy warto pokazać przykład samolotu pasażerskiego Airbus.

W jego najnowszych modelach jedna czwarta struktury samolotu wykorzystuje najnowocześniejsze materiały kompozytowe. Tworzywa wzmacniane włóknami węglowymi są wykorzystywane w 22 proc. ramy samolotu, wliczając w to najważniejszy obszar łączący skrzydła z kadłubem. Tak duży udział tworzyw w konstrukcji samolotu powoduje, że maszyna przy pełnym obciążeniu ma zasięg 14800 km, a na dystansie 100 km zużywa jedynie 3,3 l kerozyny na pasażera. Stosując tak znakomite rozwiązania konstrukcyjne Airbus wytycza nowy standard, zarówno w dziedzinie budowy samolotów jak też pod względem komfortu pasażerów. Jak tłumaczą specjaliści osiągi uzyskiwane przez Airbus są jeszcze dalekie od granic możliwości. W przyszłości wielkogabarytowe samoloty zawierać będą blisko 40 proc. materiałów kompozytowych - wykonane z nich kadłuby i płaty nośne pozwolą uzyskać jeszcze większą wytrzymałość i aerodynamikę. Według europejskiego dokumentu strategicznego „Vision 2020“ opublikowanego przez Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) zakłada się, że te lżejsze samoloty będą emitować o połowę mniej dwutlenku węgla i 80 proc. mniej tlenku azotu. Przedstawiając korelację pomiędzy cechami tworzyw sztucznych, a potrzebami branży lotniczej, warto zaznaczyć, że wiele tworzyw pozwala uzyskać do 20 proc. mniejszy ciężar wyrobów w porównaniu z konkurencyjnymi materiałami przeznaczonymi dla przemysłu lotniczego. Według danych Międzynarodowego Stowarzyszenia Transportu Lotniczego każdy kilogram odjęty z masy samolotu pasażerskiego klasy wąskokadłubowej oznacza roczną oszczędność paliwa na poziomie 372 dolarów, przy czym okres eksploatacji takiego samolotu zwykle szacuje się na 20 lat. Tworzywa termoplastyczne są wielce pożądanym materiałem we wnętrzach samolotów ze względu na mały ciężar i znakomitą formowalność. Najlepsze tworzywa ze względu na łatwość ich wytłaczania, jak i formowania wtryskowego stwarzają nowe możliwości przy wyrobie wnętrza samolotów, okładziny alejek i foteli, paneli przełączników.

Przewidywania związane z przyszłością wskazują na jeszcze większe użycie tworzyw i kolejne ich zastosowania. Oto bowiem w tradycyjnym wzornictwie metal i tworzywo na ogół traktowane były jako materiały przeciwstawne – użycie jednego wykluczało zastosowanie drugiego. Jednak przyszłość należy do tak zwanej technologii hybrydowej, wykorzystującej zalety obu tych materiałów zespolonych w jednym elemencie. Dzięki temu wzrasta powinna stabilność i wytrzymałość części, a integracja dodatkowych funkcji powinna być łatwiejsza i nie wymagać wiele miejsca. W ten sposób ciężar produktu końcowego można obniżyć o blisko 40 proc. w stosunku do konstrukcji metalowej. W tekście wykorzystano m.in. materiały Fundacji PlasticsEurope Polska.