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Composés : Sur la bonne forme

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Un choix de matières composites sont maintenant disponible aux véhicule-fabricants

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Bien que les avantages des composés de polymère soient bien connus dans l'industrie automotrice, leur utilisation a été empêchée par des coûts matériels élevés, des cadences de fabrication lentes, des soucis au-dessus de recyclage, et le manque général de l'industrie d'expérience et confort avec le matériel en comparaison des métaux. Les producteurs et les constructeurs automobiles de composés travaillent maintenant fiévreusement pour résoudre ces problèmes, bien que beaucoup de travail reste à effectuer.

Un composé est une combinaison de deux matériaux ou plus qui possède de meilleures propriétés mécaniques que ses différents composants. Contrairement aux alliages métalliques, chaque matériel maintient ses propriétés séparées de produit chimique, physiques et mécaniques. Les deux constituants d'un composé de polymère sont un renfort fibreux - basé sur les matériaux de carbone, en verre ou normaux tels que le lin textile - et une matrice de polymère. Le renfort fournit au composé sa force et rigidité, alors que la matrice tient le matériel ensemble.

Les fibres de carbone montrent généralement l'excellente résistance à la pression de tension et, démontrent le haut module (rigidité), ont d'excellentes caractéristiques de fatigue et ne corrodent pas. Elles ont été employées dans le Formule 1 depuis 1981 mais jusque récemment ont été considérées trop chères pour n'importe quoi excepté les voitures à rendement élevé de route.

Le point de départ pour la production de la fibre de carbone est le précurseur - polyacrylonitrile en général thermoplastique (CASSEROLE), dû à son niveau important d'orientation moléculaire, de point de fusion élevée et de rendement élevé. Dans un processus compliqué et grand consommateur d'énergie, les éléments constitutifs de ce précurseur sont enlevés un par un, rapportant par la suite une fibre qui se compose du carbone pratiquement pur avec une structure stable de graphite.

Le prix de la CASSEROLE est attaché au prix d'huile, qui est haute et a été instable ces dernières années. En outre, la production de la fibre de carbone explique un un peu si de l'acrylonitrile produit et vendu tous les ans que l'industrie fait accroître peu en termes d'être en pourparlers des prix plus favorables avec les producteurs du thermoplastique.

En bref, la production de la fibre de carbone est un processus cher et - en termes environnementaux - sale en comparaison de la production des métaux. Actuellement, la seule voiture produite en série pour comporter l'utilisation intensive de la fibre de carbone est l'i3 de BMW citycar.

Fibre rentable de carbone

À son usine dans le lac moses, Washington, les fibres des véhicules à moteur de carbone de SGL (ACF) produit des fibres de carbone pour les modèles de BMWi. L'entreprise en participation l'électricité d'utilisations entre de BMW et de SGL groupe produite localement utilisant l'hydro-électricité pour réduire de manière significative les coûts énergetiques et l'impact du processus de fabrication sur l'environnement.

Exploitant des économies d'échelle, le coût de produire la fibre de carbone sera encore réduit en augmentant le rendement de l'installation. SGL-ACF prévoit de tripler la capacité de son usine de lac moses de 3kt par année à 9kt une année d'ici 2015, à un coût de autour de €200m ($250m). L'expansion permettra également à BMW d'augmenter le contenu en plastique de tissu-renforcé de carbone (CFRP) dans des ses autres véhicules ; en 2015, la compagnie commencera à employer le matériel dans ses modèles 7-Series.

Des fibres meilleur marché de carbone pourraient également être produites en employant les précurseurs alternatifs POUR FILTRER, comme la lignine, qui actuellement est étudiée par les composés de Matrix de polymère team au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL). Les chercheurs développent également une méthode de produire des fibres de carbone à partir du polyéthylène (PE), qui rapporte une plus grande quantité de carbone que la CASSEROLE (86% comparé à 65%), et pourraient être originaires de la perte réutilisée parconsommateur.

À fort débit, coût bas

En raison de leur coût bas, force à haute résistance, résistance à haute impression et bonne résistance chimique, fibres de verre sont employés intensivement dans des applications des véhicules à moteur à fort débit. Cependant, elles démontrent le module relativement bas et possèdent les propriétés de fatigue inférieures en comparaison de leurs cousins de carbone.

Les deux types les plus communs de fibres de verre utilisés dans les composés des véhicules à moteur sont : E-Verre, qui est bon marché et fournit une bonne combinaison de résistance et de module à la traction ; et S-Verre, qui est plus cher mais 40% plus fort que l'E-Verre.

Le fournisseur basé aux EU AGY de matériaux essaye d'établir le lien entre ces deux formulations avec sa S1 S.M. verre. Utilisant une formulation en verre de propriété industrielle a conçu pour maximiser l'exécution tout en tenant compte d'à fort débit et la fabrication économique, les fibres de S.M.S1 fournissent un module sensiblement plus haut et une exécution augmentée de fatigue en comparaison du l'E-Verre traditionnel. Par exemple, les fibres démontrent un module de tension de 90GPa - 20% plus haut que celui du l'E-Verre.

Le directeur de développement des affaires d'AGY, Tim Collins, dit : « Tandis que les composés de tissu-renforcé de carbone montrent la rigidité et la force, il est également vrai que ces « références de haut module » aux composés de carbone soient souvent juste code pour « fragile ». Il est dans l'impact, la fatigue, la résistance de dommages et la tolérance de dommages que les composés de S.M.S1 surpassent uniformément les systèmes concurrentiels. »

Ces renforts peuvent être incorporés aux polymères en tant que fibres coupées pour augmenter la force des pièces faites utilisant la compression et les processus de injection-moulage.

Tissus non-tissés

Cependant, pour armer entièrement le potentiel de ces renforts d'améliorer les propriétés mécaniques des pièces en plastique, elles doivent être incorporées en tant que tissus tissés ou non-tissés. Ces tissus sont produits par des convertisseurs tels que Formax dont le siège est en Grande-Bretagne.

Selon le directeur de compagnie de l'innovation, Tom James, il peut y avoir grande des constructions de variation dans l'exécution mécanique des tissus avec le même poids régional, mais de différer en termes de longueur de point, un modèle de point et orientation de fibre. Un tissu doit être intensivement examiné et optimisé en ce qui concerne la force, la rigidité et la facilité de l'infusion afin de déterminer les meilleurs paramètres pour un composant donné avant la cadence de production.

Drapez et l'orientation de fibre sont particulièrement des paramètres importants pour produire les préformes de fibre de carbone utilisées dans résine-transfèrent les processus (RTM) de moulage utilisés par les goûts de BMW pour la production en série des composants structuraux de CFRP.

Toutes ces variables présentent un mal de tête significatif pour des concepteurs de voiture davantage utilisés au travail avec les métaux comparativement francs. Formax développe actuellement le logiciel qui lui permettra de simuler le comportement des tissus secs pendant le moulage, qui rendrait le processus de sélection de tissu plus franc.

Le comportement orthotrope des plastiques renforcés (signification qu'ils ont des propriétés qui sont différentes dans trois directions mutuellement perpendiculaires) peut également poser des problèmes pour des concepteurs. James indique : « Des composés conventionnels peuvent être fabriqués pour être quasi-orthotropes [avec des fibres dans des orientations multiples dans les directions de X et de Y] et par conséquent peuvent traiter des charges de dans-avion d'une manière semblable comme métaux.

« Cependant, les propriétés d'à travers-épaisseur des composés conventionnels sont généralement régies par les propriétés inférieures de la matrice, dues au manque de fibres dans la direction de Z, et par conséquent ceci est considéré le talon d'Achilles des composés. Formax travaille actuellement sur plusieurs projets de collaboration pour essayer de surmonter ce problème. »

Que fait la matrice ?

La matrice qui donne aux composants composés leur forme peut être thermodurcissable ou thermoplastique en nature. Thermosets deviennent essentiellement infusible et insoluble une fois traité par des moyens de courant ascendant et/ou de produit chimique. Après traitement, un thermoset ne peut pas être retourné à son état frais.

Thermosets sont relativement cher, mais démontrent de haute résistance. En soi, ils sont employés couramment dans la production des composés de tissu-renforcé en verre discontinus de bâti de feuille et en vrac (SMCs et BMCs). Ces composés peuvent être employés pour le bâti à fort débit d'injection et de compression d'une série de pièces des véhicules à moteur non-structural.

En outre, la basse viscosité de certains thermosets tels que l'époxyde les rend fortement appropriés pour l'usage dans à haute pression résine-transfèrent les processus (HP-RTM) de moulage, dans lesquels une tête de mélange injecte la résine dans une cavité de moule fermée et sature la préforme sèche de fibre à l'intérieur sous la pression. En effet, des époxydes sont actuellement préférés pour la production des composants structuraux.

Pour produire l'i3 monocoque, BMW emploie le système époxyde d'Araldite LY 3585/Hardener XB 3458 des matériaux avancés de chasseur pour la production du CFRP monocoque dans l'i3. Le chasseur réclame que la basse viscosité du système joue un rôle important dans le processus complet, du dosage et du mélange bien à travers à l'imprégnation, et assure la bonne fibre humide-dehors dans le moule. Le système peut traiter en juste cinq minutes à 100°C.

Contrairement aux thermosets, pour lesquels la réaction de traitement ne peut pas être renversée, le thermoplastique durcissent une fois refroidi pourtant maintenez leur plasticité ; ils refondront et peuvent être remodelés en les réchauffant au-dessus de leur température de traitement. Le thermoplastique tendent à être meilleur marché et offrent la résistance de l'impact accrue, aussi bien que durcir rapidement aux températures relativement basses, signifiant que des pièces thermoplastiques renforcées peuvent être produites rapidement avec des durées de cycle courtes.

Le thermoplastique de tissu-renforcé discontinu, tel que le polypropylène (pp), sont utilisé généralement injection-moulent les porteurs d'entrée, les porteurs de tableau de bord, les appuis de panneau de porte, les consoles et les pédales. Cependant, le de grande viscosité du thermoplastique les a empêchés d'être employée pour la production de série des composants structuraux, car elle les rend incompatibles avec des processus de RTM.

Durées de cycle raccourcies

Cette situation a pu changer rapidement. Teijin et son associé General Motors travaillent aux matériaux et aux processus qui pourraient permettre la presser-formation des composants structuraux thermoplastiques renforcés parfibre en quelques durées de cycle de sous une minute. Sereebo appelé, la technologie a été enveloppé dans le secret depuis son annonce en mars 2011.

En cours de développement au centre d'application de composés de Teijin (TCAC) aux Etats-Unis, la chaîne de Sereebo comporte trois matériaux intermédiaires. Le premier, appelé série d'U, est une intermédiaire continue offrant la haute résistance directionnelle. Le deuxième, série d'I, est une intermédiaire isotrope offrant un équilibre de la forme, facilité du moulage et la force orientable, indique Teijin. Le tiers, série de P, est un long granule (LFT) thermoplastique de tissu-renforcé fait à partir de la fibre de haute résistance de carbone et convient au l'injection-moulage des composants compliqués.

Peu est connu autrement au sujet de Sereebo en dehors de TCAC (au moins par ceux qui n'ont pas signé un accord de non-disclosure), et il reste à voir comment la technologie évoluera.

Réutilisation des défis

Dans la théorie, le fait que le thermoplastique peut être refondu les facilite beaucoup pour réutiliser que des thermosets. Les directives de l'extrémité-de-vie de l'Union européenne (UE) stipulent que 80% des matières employées dans une nouvelle voiture doivent être recyclables. Il y a une manière relativement franche de réutiliser des composés : ils peuvent être rectifiés vers le bas et employés comme remplisseur en béton. Pour les plastiques remplis à basse valeur, cette approche est viable, mais pour CFRPs de haute valeur ce n'est pas une solution élégante. Si les fibres de carbone pourraient être séparées de leurs matrices de polymère, elles pourraient être employées comme alternative meilleur marché aux fibres vierges de carbone dans des applications non-structural.

La réutilisation des fibres et des tissus de rebut de carbone est raisonnablement bien établie, avec des tissus rendus à partir des fibres réutilisées de carbone disponibles dans le commerce. Formax vend un renfort, appelé la réforme, qu'il fabrique entièrement de la perte multiaxiale de production pour une série d'applications, y compris les structurales, à travers une gamme des industries. Formax indique que le tissu démontre la haute drapent et perméabilité, propriétés mécaniques quasi-isotropes et stabilité thermique pour des applications d'outillage.

La séparation des fibres des matrices thermoset traitées et fraîches afin qu'ils puissent à réutiliser est plus provocante, mais plusieurs compagnies font juste cela.

Le service de MIT-RCF dans la ville de lac, la Caroline du Sud, emploie la pyrolyse - en quelle chute de CFRP est chauffée à 400-500°C en l'absence de l'oxygène, rapportant une fibre propre de carbone qui maintient 90-95% de ses propriétés mécaniques originales - pour réutiliser des pièces de CFRP et peut traiter 1.36-2.27kt du matériel par année. Comme produisant les fibres coupées de carbone, le MIT emploie le matériel repris pour fabriquer les préformes compliquées pour des fabricants de partie par l'intermédiaire de son tridimensionnel de propriété industrielle (3D) machinés effectuent le processus (3-DEP).

Le vice-président exécutif de compagnie, marque Housley, dit : « Pour les pièces structurales modestes, l'obstacle en chef [à la réutilisation] est cette fibre de carbone, même fibre réutilisée de carbone, coûts davantage par livre que l'aluminium, acier et fibre de verre. Sous la forme coupée, le carbone repris est déjà disponible dans un éventail assez de composés thermoplastiques, ainsi la conception de partie et les systèmes de fabrication sont déjà en place. Ainsi c'est un programme assez franc. »

Il continue : « Dans les pièces dérivées du tissu de carbone le compose est plus complexe. CAE/FEA [ingénierie assistée par ordinateur/analyse par éléments finis] modèle pour l'utilisation du tissu non-tissé de carbone, formats n'est pas pendant que développé pendant qu'ils sont pour tissé continu et attachent du ruban adhésif à des tissus, ainsi conçoit et des ensembles de données de vérification doivent être développés sur une base de partie-par-partie. »

Tellement puis, les matières composites lancent un ensemble divers de défis pour des constructeurs automobiles et leurs fournisseurs ; cependant, leurs propriétés mécaniques et occasions légères et excellentes pour l'intégration de partie leur font une alternative irrésistible aux métaux dans une gamme des applications structurales et non-structural.

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