Сказка о том, как изготавливают углеродное волокно для автомобиля и как пытаются сделать его дешевле?

Автопроизводители получают высокий доход от использования композитных материалов. Одним из них является углеродное волокно. О нем и пойдет речь.

производство углеродного волокнаУглеродное волокно (УВ) стало жизненно важным в современном мире. Не мене важным, чем альтернативные источники топлива с их использованием в качестве топлива для автомобилей - природного газа, либо переделкой автомобилей с дизельным двигателем для работы на растительном масле. Boeing 787 Dreamliner содержит 35 тонн этого материала. Интересен тот факт, что углеродное волокно также является ключевым материалом в наших кроссовках, в рамах наших велосипедов, теннисных ракетках, клюшках для гольфа и удочках. Расточительные поклонники черного композитного материала используют его даже в меблировке туалетных и ванных комнат: заказывают унитазы из углеродного волокна стоимостью в 300 долларов США, а также ванные, стоимость которых может достичь 72 тыс. все тех же долларов США.

В автомобильном мире проникновение этого материала из автоспорта (где углеволоконные композиты заняли свое почетное место еще 40 лет назад) в новые модели McLaren, Corvette, Viper, и более доступные спортивные машины происходило мучительно медленно. Несмотря на то, что сила и жесткость этого легкого материала являются его широко известными достоинствами, с его стоимостью в более чем 20 долларов США за 1 кг (в сочетании с эпоксидной смолой) это все еще слишком дорогой материал для использования в производстве массовых автомобилей.

Чтобы снизить это препятствие, автопроизводители вступают в тесное сотрудничество с компаниями – композитными экспертами, в результате образовывая 2013-lamborghini-aventador- с углеволокномвесьма милозвучные союзы: Audi и Voith с их ультра легким принципом построения автомобилей, Daimler и Toray Industries, Ford и Dow Chemical, GM и Teijin. Стоит назвать еще одно трехстороннее сотрудничество между Lamborghini, Gallaway Golf и Quantum Composites. Но самая интересная связь прослеживается между компаниями BMW, Toyota, Volkswagen и немецкой компанией SGL Group. Два года назад BMW и SGL построили объект стоимостью в 100 млн. долларов США в Мозес Лейк, штат Вашингтон, для производства углеродного волокна с более низкой стоимостью. В прошлом году VW потеснила союз, выкупив 8 процентов акций компании SGL. Несколько месяцев назад Toyota и  BMW заключили сделку о том, что их автомобили будут делить одну технологию сверхлегкого кузова авто.

Стратегией Мозес Лейк является вертикальная интеграция, которую в свое время применил Эндрю Карнеги, для изготовления дешевой стали, и Генри Форд, для строительства доступной Модели А с минимальной прибылью. Завод Ford Мичиган Руж собирал автомобили из стали, железа, стекла, шин и пластика, при этом все было произведено в одном здании.

Устранение посредников и самостоятельное управление процессами изготовления углеродного волокна, также являются ключевыми моментами в автомобильном бизнесе, так как процесс изготовления композита является огромной частью стоимости углеродного волокна: его средняя цена в 30 долларов США за 1 кг большей частью связанна с электроэнергией, необходимой для превращения нитей полиакрилонитриловой основы (C3H3N) в цепочку атомов углерода, связанных в кристаллической структуре.

содержимое и состав углеволокна


Ветровые турбины и солнечные батареи являются модным зеленым источником электроэнергии, но слишком зависят от погодных условий, чтобы на постоянной основе поддерживать напряжение на заводе-производителе. В отличие от вышеупомянутых альтернативных источников энергии, гидроэнергетика является зеленым, надежным и доступным источником энергии. И именно по этим трем причинам BMW и SGL построили свою фабрику по изготовлению углеродного волокна для своих автомобилей в Вашингтоне. ГЭС на плотине Ванапум, расположенная на реке Колумбия в 65 км от Мозес Лейк, обеспечивает фабрику BMW-SGL электроэнергией стоимостью 2,8 цента за кВт, что на 60 процентов дешевле, чем средняя по стране цена на электричество для промышленных предприятий.

катушки углеродного волокназавод по производству углеродного волокна

Другое совместное предприятие – союз между SGL и Mitsubishi Rayon Company – производит чисто-белый материал полиакрилонитрил в Отаке, Япония. Процесс изготовления происходит следующим образом: после того, как материал доставляют в Мозес Лейк, его успешно нагревают при температуре в диапазоне 200 – 300 градусов по Цельсию. В ходе нагревания цвет материала постепенно изменяется от белого до желтого золота, затем медного и, наконец, коричневого цвета, когда из полиакрилонитрила вытесняются атомы водорода и азота. Затем волокна проходят через печь карбонизации лишенной кислорода, температура в которой достигает 1500 – 3100 градусов Цельсия. Здесь цвет меняется на чисто-черный, и образуются аккуратно выровненные кристаллы углерода.

Последующий процесс окисления разъедает поверхность волокон для улучшения связи между углеволокном и смольными материалами, которые будут удерживать тканые волокна на месте, будь то панель панорамной крыши или структура кузова. На заключительной стадии производства, автомобильное углеродное волокно покрывается эпоксидной смолой. Затем пятьдесят тысяч прядей вместе наматываются на бобины и создают пряжу, которая называется «бечевка». Намотанным на бобины изготовленное углеродное волокно для автомобилей будет доставлено в Германию. Там, на заводе BMW в Вакерсдорфе бечевка из Мозес Лейк превратится в полотно из углеродного волокна, которое поставляется в Ландсхуд, где формируются отдельные панели для электрических автомобилей i3 и i8. Обрамление кузова и монтаж автомобилей с использованием углеродного волокна проходит в Лейпциге, Германия.

Углеродное волокно производства BMW и SGL является одной третьей стоимости материалов, приобретенных у конкурирующих поставщиков. Другие производители тоже добились успехов в сложных процессах литья композитного материала. Lamborghini и McLaren сейчас используют перенесенное на смолу прессование – вместо трудоемкого процесса ручного наслаивания и занимающей много времени процедуры автоклавного затвердевания – для изготовления своих монококов. Готовая ткань из углеродного волокна, эпоксидная пена и алюминиевые вставки загружаются в открытый, состоящий из нескольких частей формокомплект. Затем формокомплект закрывается, в него вводится точное количество эпоксидной смолы, и необходимая панель затвердевает в течение нескольких минут.

В сотрудничестве с Gallaway Golf, Lamborghini разработал еще одну альтернативу автоклавному прессованию, которая называется ковка композитов. В этом случае углеродное волокно и эпоксидная смола сжимаются и вводятся внутрь металлической матрицы, в результате чего мы получаем легкий материал с низкой пористостью.

2013-srt-viperИзготовитель углеродного волокна для моделей автомобилей Viper и Corvette C7 с его новым двигателем Chevrolet V-8, компания Plasan Carbon Composites, взяла на себя выполнение амбициозной задачи оптимизации автоклавного метода. Многоразовый силиконовый навес заменит плавящиеся пластиковые листы. Никель-картонные матрицы быстро нагреваются и остывают при помощи циркуляции масла, что сокращает общее время цикла до 17 минут на одну панель. Новый завод компании Plasan в Волкер, штат Мичиган, может произвести достаточное количество компонентов из углеродного волокна для производства 40 тысяч автомобилей в год. Этого достаточно, чтобы поддерживать производство Corvette с интенсивным использованием углеродного волокна, захватив также и Chevrolet Volt

Национальная лаборатория Oak Ridge, США, установила, что сокращение веса автомобиля на 10 процентов приводит к сокращению расхода топлива на 7 процентов. А это значит, что, когда углеродное волокно станет более доступным, его использование распространится на три различных категории автомобилей – лучшие спортивные автомобили, которые требуют все большего и большего сокращения веса; гибриды и электромобили, обремененные тяжелыми и дорогими аккумуляторами; серийные автомобили, которым необходим этот композитный материал, чтобы соответствовать общепринятым нормам по расходу топлива, который вступит в силу в 2015 году (4,3 литра на 100 км пути).

Долгий путь, который приходится преодолеть автопроизводителям для производства автодетали из углеродного волокна.

где и как производят углеродное волокно?

где производят углеродное волокно на карте?

Автомобили произведенные с компонентами из углеродного волокна

i3 из углеволокнаi3 из углеволокнаi3 из углеволокнасалон i3 из углеволокнаi8 из углеволокнасалон i8 из углеволокна2013-lamborghini-aventador из углеволокна2013-lamborghini-aventadorсалон 2013-lamborghini-aventador из углеродного волокна2013 SRT Viper 8.4-liter V10 двигатель2013-mclaren2013-mclaren - mp4 салон

Рейтинг: 
3

© Все права защищены

Комментарии

Добавить комментарий (появится после одобрения администратора)