کامپوزیت ها در کجای صنعت خودروسازی امروز جای قرار می گیرند؟

سبک سازی بدنه خودرو با استفاده از شاسی کامپوزیتی

این روزها مسئله‌ی امنیت و مصرف بهینه‌ی انرژی تبدیل به میدانی برای جولان و رجزخوانی خودروسازها شده است و کاهش وزن جامع‌ترین ابزاری است که خودروسازها برای حل این مشکل به آن پناه برده‌اند. اما کامپوزیت‌ها کجای این داستان قرار دارند؟؟؟

برای پاسخ دادن به این سوال باید به ویژگی‌های جذابی بپردازیم که در مواد مرکب وجود دارد و به رغم هزینه های بالاتر، خودروسازان نمی‌توانند از آن به راحتی بگذرند. اما پیش از آن اجازه دهید اشاره ای به نقش شاسی در خودرو داشته باشیم که در واقع به عنوان استخوان‌بندی خودرو شناخته می شود.

شاسی چیست و چه نقشی در خودرو دارد؟

هرخودرو به‌طور کلی از سه بخش بدنه، پیشرانه و شاسی تشکیل شده است. شاسی عموما ساختاری مهندسی شده است که وظیفه دارد سایر بخش‌های خودرو مانند پیشرانه، بدنه، سیستم انتقال قدرت و سیستم تعلیق را بر روی پیکربندی خود سوار کند.

با این حساب انتظار می رود که شاسی به عنوان اسکلت خودرو وظایف مهمی را بر دوش بکشد. یک شاسی خوب باید بتواند:

• کمترین میزان لرزش و صدا را به قسمت‌های درونی اتاق منتقل کند. بنابراین باید بالاترین میزان جذب انرژی را در برابر ضربات وارده داشته باشد.
• تا حد امکان سبک باشد تا خودرو بالاترین شتاب ممکن و کمترین مصرف سوخت را داشته باشد.
• مستحکم باشد تا در قسمت های حیاتی دچار تغییر شکل و شکست نشود.
• در نهایت تولید آن صرفه اقتصادی داشته باشد.

به چه موادی کامپوزیت می‌گوییم؟

مطابق با تعریف انجمن متالورژی آمریکا، کامپوزیت‌ها موادی مرکب از دو یا چند ماده‌ی مجزا هستند که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود دارد. کامپوزیت‌ها عموما از دو فاز زمینه و تقویت کننده، تشکیل می‌شوند. برای نمونه، فایبرگلاس کامپوزیتی با زمینه‌ی پلیمری است و تقویت شده با الیاف شیشه است که توسط الیاف شیشه تقویت شده است.

روش‌های تولید مواد کامپوزیتی

روش‌های دستی: روشی ساده برای قطعاتی ساده با تیراژهای پایین مانند شناورها و قایق‌ها.

روش Resin Transfer Molding: روشی با دقت و صافی سطح متوسط که با قالب گیری در یک قالب رزینی پوشش داده شده با پارچه‌ی فایبرگلاسی انجام می‌شود.

روش Sheet Molding Compound: روشی است که در آن مواد گرماسخت را با الیاف شیشه تقویت می‌کنند سپس تحت فشار و گرما قطعات را شکل می‌دهند.

روش Glass Matt Reinforced: روشی که در آن مواد گرمانرم را با پاچه‌ی فایبرگلاسی مسطح می‌کنند تا سپس تحت فشار شکل بگیرند.

روش Filament Winding: روشی که عمدتا برای قطعات خمیده و انحنادار مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش Bulk Molding Compound: روشی که درآن خمیر متشکل از پلیمر و فایبرگلاس تحت فشار قالب گیری می‌شود.

روش Long Fiber Thermoplastic: روشی که در آن مواد گرمانرم به همراه الیاف شیشه مخلوط می‌شوند و سپس تحت فشار شکل می‌گیرند.

استفاده از مواد کامپوزیتی در بدنه خودروها چه مزایایی برای آن ها ایجاد می کند؟

• مقاومت مکانیکی بالا
• مقاومت در برابر خوردگی
• مقاومت در برابر آسیب‌های حاصل از خستگی
• مقاومت در برابر رسانش حرارتی
• استحکام بالا
• دانسیته‌ی بالا

با توجه به مزیت هایی که برای مواد کامپوزیتی بیان شد، انتظار می‌رود استفاده از شاسی کامپوزیتی به جای استفاده از مواد فولادی کاری بهینه و عاقلانه به نظر برسد. این کار نه تنها بازدهی خودرو را به طور چشمگیری افزایش می‌دهد، بلکه ایمنی آن ها را نیز افزایش می‌دهد.

شکستن شاسی خودرو به علت استحکام پایین

اما چرا استفاده از مواد مرکب در بدنه خودروها تا این حد به موضوعی مهم تبدیل شده است؟

بگذارید این مساله را با یک مثال ساده توضیح دهیم: با کاهش هر ۱۰ درصد از وزن خودرو، حدود ۵/۵ درصد مصرف سوخت کاهش پیدا می‌کند.

اما بدیهتا جایگزینی تکنولوژی جدید به جای روشی که تا پبش از این ده‌ها سال مورد استفاده قرار می‌گرفته، خالی از اشکال هم نیست. شاید مهم ترین مشکلی که خودروسازان با آن مواجه هستند این است که هزینه ای که باید برای توسعه استفاده از مواد کامپوزیتی پرداخت کنند، بسیار هنگفت است. همین موضوع باعث می‌شود تا تغییر سیاست خودروسازان بزرگ در استفاده از مواد کامپوزیتی کمی با مشکل مواجه شود.

کامپوزیت‌هایی که در خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند، برای دو نوع کاربری مختلف طراحی می‌شوند:

مصارف تزئینی: قطعاتی که بیشتر به منظور زیباسازی شکل ظاهری خودرو طراحی می‌شوند و استحکام و خواص مکانیکی چندان عالی ندارند. بیشتر این قطعات در داخل اتاق خودرو مشاهده می‌شوند.

مصارف باربری: هدف از طراحی این قطعات تحمل بار مکانیکی وارد بر خودرو است. بنابراین انتظار می رود که این کامپوزیت ها استحکام و خواص مکانیکی مناسبی داشته باشند. طراحی این کامپوزیت ها به گونه‌ای است که معمولا به‌صورت غیر ناگهانی می‌شکنند، اما پس از شکست لبه‌های تیزی ایجاد نمی‌کنند تا به سرنشینان آسیبی نرسد.

کامپوزیت‌های قابل بازیافت در فراخودروها (Hyper Cars)

مواد کامپوزیتی پیشرفته ای که برای استفاده در این وسایل نقلیه پیشنهاد شده اند، بسیار متفاوت از کامپوزیت‌های متداولی است که در مورد آن‌ها بحث کردیم. مساله اصلی که در تولید قطعات بدنه و شاسی کامپوزیتی مطرح است، بازیافت آن‌هاست و بازیافت آن‌ها نیز تأسیسات و امکانات جدیدی را می طلبد.

وسایل نقلیه هایپرکار دو مزیت عمده نسبت به خودروهای رایج دارند:

• دوام بالا، مقاومت بالا در برابر خوردگی، زنگ‌زدگی و خراش
• قابلیت توسعه روش‌هایی مثل پیرولیز و سولولایزرکاتالیزوری برای بازیافت این کامپوزیت‌ها

بدنه و شاسی کامپوزیتی در طراحی فراخودروها

طرح یک سوال

سوالی که اکنون پیش می‌آید این است که چرا با وجود مزیت‌های بیشماری که در استفاده از کامپوزیت‌ها در بدنه خودروها وجود دارد، خودروسازان داخلی هم‌چنان این فناوری را پس می‌زنند؟