Полимеры для экономичных машин

Нью-Йорк, Афины, Пекин: осень – время больших марафонов. По всему земному шару. 40 000 участников только в столице Германии Берлине – и ни для кого не секрет, что лучшие шансы у легких и стройных. Каждому марафонцу известно правило: «На один килограмм легче – почти на две минуты быстрее».

Правило стайеров верно и для тех бегунов, скоростные рекорды которых достигаются с помощью совсем других «тренеров». Речь идет об автомобилях. «Всем известно, что лишний вес – это излишние затраты горючего, – говорит Ральф Цимноль, руководитель группы прикладных разработок из подразделения ЛАНКСЕСС «Поликристаллические продукты» (SCP), сотрудники которой знают толк в особо прочных полимерах. – Поэтому не стоит возить в багажнике лишний груз». У инженеров, как и у бегунов, тоже есть свое простое правило: 100 кг лишнего веса в автомобиле среднего класса означают дополнительные пол-литра горючего на 100 км пробега. Вот почему и у марафонцев, и у производителей автомобилей девиз один: чем легче, тем лучше.

Идеальный диетпродукт для автомобилей – полимеры. Приведем простое сравнение: полимерные материалы весят в шесть или семь раз меньше, чем сталь. Даже алюминий значительно тяжелее, а по сравнению с очень легкими и дорогими материалами, такими как магний, полимерные детали обладают техническими преимуществами: крючки, кольца, винтовую резьбу, защелки, зажимы и т. п. можно сразу же включить в полимерную деталь. Специалисты называют это «функциональной интеграцией». «Полимерные продукты можно зачастую сконструировать так, что они заменят собой сразу несколько металлических деталей», – объясняет Цимноль. Благодаря этому снижается не только время монтажа, но и вес: два шурупа весят меньше, чем пятнадцать!

Именно поэтому в последние десятилетия инженеры устроили настоящую охоту за металлическими деталями, стремясь заменить их полимерными – не только в салоне, но и в горячем моторном отсеке: распределители надувочного воздуха, всасывающие трубы, системы дроссельных клапанов, подшипники двигателя – все это можно изготовить из полимеров. Самые прочные стеклопластиковые материалы наивысшего качества по своим показателям сравнимы со сталью, но весят при сопоставимой эффективности в два раза меньше.

Но заметно легче автомобили все же не стали. Ведь подушки безопасности, системы кондиционирования, электрические стеклоподъемники и другие технические новшества тоже кое-что весят. Итак: ринг свободен для второго раунда! Вопрос: можно ли сделать полимерные детали еще легче? Может быть с помощью сверхлегких и высокопрочных углеродных волокон? Да, это действительно возможно – но для массового рынка слишком дорого. 20 лет назад в ЛАНКСЕСС возникла лучшая идея. «Наше решение, как бы парадоксально это не звучало, означало возвращение к металлам», – рассказывает Ральф Цимноль. Полимеры хотя и легче, но детали из них часто приходится делать толще, чем из стали, чтобы они были сравнимы по прочности. Это снижает успех диеты. «Мы подумали: а что, если полимерные детали в определенных местах усилить тонким листовым металлом?» – вспоминает ученый из ЛАНКСЕСС.

Идея оказалась просто золотой; она зарекомендовала себя на практике и получила название «Гибридная технология». Сейчас так называемые «фронтэнды» – лучшее из двух миров, т. е. комплексные составляющие из листовой стали и полиамида, – также привычны, как и системы кондиционирования. «За последнее десятилетие число этих высокопрочных кузовных конструктивных элементов, изготовленных при помощи гибридной технологии ЛАНКСЕСС, превысило 40 миллионов, – рассказывает Цимноль. – Только в 2008 году «фронтэндами» в этой комбинации материалов было оборудовано 70 различных автомобилей серийного производства».

Передовые технологии ЛАНКСЕСС не ограничиваются «фронтэндами»: историю успеха гибридной технологии продолжают писать каркасы крыши, блоки подшипников педалей, ножные тормоза легковых автомобилей. Они весят на 40 процентов меньше, чем стальные детали, кроме того, они на 20 процентов дешевле в изготовлении и при этом прочнее. На мониторах разработчиков САПР в автомобильной промышленности появились и двери, и крышки багажников, и капоты и даже особо прочные масляные поддоны, изготавливаемые по гибридной технологии. «С такими новыми разработками мы связаны самым тесным образом, ведь мы обладаем уникальным ноу-хау в этой композиционной технологии», – говорит Цимноль.

Это позволяет техникам из ЛАНКСЕСС развивать свои идеи – чтобы гибридные детали стали еще прочнее. Одна из возможностей: покрыть тонкую листовую сталь специальными адгезивами и только потом комбинировать с полимерами. «В гибридной технологии полимер и усиливающий элемент соединяются друг с другом через небольшие рассечки и углубления в металле. Полимер затекает туда, протекает дальше, затвердевает – и удерживает все вместе. При так называемом «гибридном склеивании» мы получим полногранное сцепление, которое может быть еще прочнее», – объясняет Цимноль. Для сравнения: сколоченные гвоздями доски можно, приложив некоторое усилие, отодрать друг от друга. Если же они хорошо склеены, сделать это значительно тяжелее, если вообще возможно.