|
Table of Contents
|
Πατήστε εδώ
Κατασκευή ποδηλάτου από Carbon Fibre
Evolution, not revolution = Εξέλιξη, όχι επανάσταση (4T 319, 4-1997)
Πρωτότυπο άρθρο
Συντάκτης: Αλεξανδρινή Πέτρου
Ένα αυτοκίνητο αποτελείται κατά μέσον όρο από 120 κιλά πλαστικό, 120 κιλά αλουμίνιο και 807 κιλά χάλυβα, αναλογίες που μάλλον ελάχιστα αναμένεται να μεταβληθούν. Οι αλλαγές που θα πραγματοποιηθούν θα είναι μικρές, συνολικά όμως θα διαφοροποιήσουν την ποιότητα των αυτοκινήτων, ακόμα και αν αυτό δεν θα μπορεί ο μέσος οδηγός να το αντιληφθεί εύκολα.
O μελλοντικός κυρίαρχος
Τα πρώτα πλαστικά χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή εσωτερικών τμημάτων του αυτοκινήτου (διακοσμητικών, χειρολαβών κ.λπ.) αντικαθιστώντας βέβαια αντίστοιχα μεταλλικά.
H λογική συνέχεια, ήταν -σε συνδυασμό και με την εξέλιξη των υλικών- τα πρώτα πλαστικά εξωτερικά εξαρτήματα, όπως πόρτες, προφυλακτήρες, φτερά κ.λπ., ενώ ο κατάλογος των εξαρτημάτων από «πλαστικό» αυξάνεται συνεχώς,
ακόμα και σε τμήματα του αυτοκινήτου που παραδοσιακά κυριαρχούσε το μέταλλο.
Σήμερα, μιλώντας για «πλαστικά» περιλαμβάνουμε ένα πλήθος υλικών, από το νάιλον και τα απλά πολυμερή μέχρι τα λεγόμενα σύνθετα υλικά. Βέβαια στα μάτια του καταναλωτή όλα αυτά ελάχιστα διαφέρουν, (και ενδεχομένως ενδιαφέρουν) αλλά η αλήθεια είναι ότι οι διαφορές τους είναι αρκετά μεγάλες, ενώ οι προσπάθειες των εταιρειών παραγωγής έχουν επικεντρωθεί στην μείωση του κόστους σε συνδυασμό με τη βελτίωση των τεχνικών τους χαρακτηριστικών. Παράλληλα ακολουθώντας τις ανάγκες των καιρών οι εταιρείες έχουν εντάξει στο σχεδιασμό του προϊόντος τις προδιαγραφές ανακύκλυσής τους.
Εμφανίστηκε για πρώτη φορά το 1966 στην πίσω αεροτομή των στέσιον βάγκον της Κράισλερ, ενώ από τότε μέχρι τώρα η χρήση του επεκτάθηκε δραματικά. Στα μοντέλα του 1997 έχουν χρησιμοποιηθεί τμήματα από SMC σε περισσότερα από 11 εκατομμύρια αυτοκίνητα, ενώ το συνολικό τους βάρος φτάνει τα 21,2 εκατομμύρια τόνους.
Το 85% των εφαρμογών του υλικού αυτού αφορά τις εξωτερικές επιφάνειες, όπως τα καπό, σκοπός για τον οποίο απορροφήθηκαν συνολικά 11,3 τόνοι.
Εδώ θα πρέπει να πούμε ότι η χρήση του SMC είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη στα μεγάλα φορτηγά, όπως το Volvo 2200 και το Kenworth T-2000, όπου η μείωση του συνολικού βάρους είναι πρωταρχικής σημασίας.
Στο τελευταίο μάλιστα έχουν χρησιμοποιηθεί συνολικά 362 κιλά, στην κατασκευή των θυρών, του καπό, της αεροτομής της οροφής, στους προφυλακτήρες, στα ρεζερβουάρ, στα αλεξήλια και τις κολώνες.
Το SMC όμως χρησιμοποιήθηκε ευρύτατα και στο πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο παραγωγής, το EV1 της General Motors, (που παράγεται με τα εμβλήματα της Σατούρν) τα περισσότερα μέρη του αμαξώματος του οποίου -πόρτες, καπό, οροφή- έχουν κατασκευαστεί από το υλικό αυτό. Αν θέλουμε να γίνουμε πιο συγκεκριμένοι για τα τμήματα του αμαξώματος του EV1 χρησιμοποιήθηκε SMC χαμηλής πυκνότητας με μικροσφαιρίδια γυαλιού, το οποίο είχε ειδικό βάρος μόλις 1,3 g/cm3, τη στιγμή που η αντίστοιχη τιμή του συμβατικού SMC είναι 1,9 g/cm3 και του χάλυβας 7,8 g/cm3. (Διαφάνεια του GM EV1)
Σχήμα 1: Το Minlon (mineral reinforced nylon) αντικατέστησε το μαγνήσιο σαν υλικό κατασκευής στο καπάκι των βαλβίδων των τελευταίων εξακύλινδρων κινητήρων (2,5 και 2,8) λίτρων της BMW.Το ενδιαφέρον των εταιρειών παραγωγής πλαστικών ή καλύτερα συνθετικών υλικών έχει στραφεί τα τελευταία χρόνια και σε εφαρμογές στο χώρο των κινητήρων και των συστημάτων μετάδοσης.
Για παράδειγμα το Minlon (mineral reinforced nylon) αντικατέστησε το μαγνήσιο σαν υλικό κατασκευής στο καπάκι των βαλβίδων των τελευταίων εξακύλινδρων κινητήρων (2,5 και 2,8 λίτρων) της BMW. Τα βασικά πλεονέκτηματά του σε σχέση με το μαγνήσιο είναι ότι το κόστος παραγωγής και συναρμολόγησης είναι μόλις το ένα τρίτο, ενώ παράλληλα δεν απαιτείται και επιφανειακή κατεργασία του για αντιδιαβρωτική προστασία.
Το ίδιο συνέβη και με τα καπάκια των βαλβίδων της τελευταίας έκδοσης της Πόρσε 911, τα οποία είναι κατασκευασμένα από το Zytel (νάιλον 6,6 ενισχυμένο με ίνες γυαλιού) της DuPont. Από το ίδιο υλικό είναι κατασκευασμένη και η πολλαπλή εισαγωγής στον V8 του Φορντ Μάστανγκ του 1996, ο οποίος έχει συνολικό βάρος μόλις 4,08 κιλά και θεωρείται το μεγαλύτερο και πολυπλοκότερο εξάρτημα από σύνθετο υλικό που έχει κατασκευαστεί μέχρι στιγμής.
Το Zytel αποτελεί πάντως μια πολύ καλή επιλογή για συνδέσμους, ηλεκτρικά «φις» και μικρούς ηλεκτροκινητήρες, καθώς προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα σε θέματα μείωσης βάρους και θερμικής αντοχής.
Σχήμα 2: Η δυνατότητα ανακύλωσης των πλαστικών αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά πλεονεκτήματά τους. Στο τέλος της διαδικασίας το υλικό βρίσκεται με τη μορφή τρίμματος, του οποίου η καθαρότητα μέχρι πριν από το 1995 έφτανε μόλις το 50%, ενώ σήμερα (1997) το ποσοστό αυτό προσεγγίζει το 99%.Ένα από τα παραδοσιακά τμήματα από «πλαστικό» ενός αυτοκινήτου είναι και το ταμπλό. Εδώ η επικράτηση των θερμοπλαστικών, όπως είναι η ονομασία των υλικών που χρησιμοποιούνται, είναι απόλυτη, ενώ η προσπάθεια των εταιρειών στρέφεται πλέον στη δημιουργία υλικών που είναι μαλακά στην αφή και δεν επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από τις αλλαγές της θερμοκρασίας, προκειμένου να ελαχιστοποιηθούν οι τριγμοί που παρουσίαζαν τα παλαιότερα υλικά.
Το πολυπροπυλένιο είναι το πλέον κοινό θερμοπλαστικό υλικό, αφού είναι το πιο πρόσφορο στην δημιουργία επιφανειών με πολύπλοκη γεωμετρία. Από τους 860 εκατομμύρια τόνους θερμοπλαστικών που χρησιμοποιήθηκαν το 1995 οι 270 ήταν πολυπροπυλένιο, ενώ οι υπόλοιποι πολυαιθυλένιο. πολυεστέρες, PVC, νάιλον, κ.α.
Σχήμα 3: Το ρεζερβουάρ της Ζ3 έχει χωρητικότητα 51 λίτρα, ζυγίζει μόλις 7 κιλά και είναι κατασκευασμένο από HDPE (πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας) της BASF με την εμπορική ονομασία Lupolen. Εκτός του ότι έχει την ίδια αντοχή με ένα αντίστοιχο μεταλλικό, είναι λιγότερο διαπερατό από τις αναθυμιάσεις του καυσίμου, καλύπτοντας έτσι τις αυστηρότερες αμερικάνικες προδιαγραφές για τις εκπεμπόμενες αναθυμιάσεις.
Ένας άλλος τομέας στον οποίο τα τελευταία χρόνια τα πλαστικά έχουν αντικαταστήσει τα μέταλλα είναι τα ρεζερβουάρ καυσίμου.
Σήμερα το 65% των ευρωπαϊκών αυτοκινήτων και το 35% των αμερικανικών διαθέτουν ρεζερβουάρ κατασκευασμένα από πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (High Density Polyethylene - HDPE), όπως αυτό της Z3 της BMW.
Ο βασικός λόγος για την αλλαγή αυτή είναι το χαμηλότερο βάρος, η δυνατότητα σχεδιασμού πολύπλοκων επιφανειών σε μαζική παραγωγή, η αντοχή στη διάβρωση και οι μειωμένες αναθυμιάσεις καυσίμου. Τα ρεζερβουάρ από HDPE καλύπτουν τις πρόσφατες αυστηρές αμερικανικές προδιαγραφές για τις εκπομπές αναθυμιάσεων καυσίμου, χωρίς η συμπεριφορά τους αυτή να μεταβάλλεται με την πάροδο του χρόνου, λόγω ενδεχόμενης γήρανσης.
Σύμφωνα με τους ειδικούς η χρήση των πλαστικών θα επεκταθεί ριζικά τα επόμενα χρόνια, ιδιαίτερα μάλιστα σε εφαρμογές μέσα στο χώρο του κινητήρα, καθώς τα νέα υλικά επηρεάζονται σημαντικά λιγότερο από τις υψηλές
θερμοκρασίες. Για παράδειγμα σε ένα μέσο αυτοκίνητο χρησιμοποιούνται σήμερα στο χώρο του κινητήρα 5,03 κιλά νάιλον, ενώ το 2005 εκτιμάται ότι θα φτάσει τα 6,55 κιλά.
Αλουμίνιο - το υλικό της μόδας
H τελευταία πενταετία χαρακτηρίζεται από την εντυπωσιακή αύξηση της χρήσης του αλουμινίου στην αυτοκινητοβιομηχανία, η οποία έφτασε το 80%. Σύμφωνα με την Αμερικανική Ένωση Αλουμινίου το 1996 η χρήση του συγκεκριμένου μετάλλου στην αυτοκινητοβιομηχανία έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια τόνους, ενώ είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι το 58% της ποσότητας αυτής προέρχεται από ανακυκλωμένο αλουμίνιο.
Σχήμα 4: Το αλουμίνιο παραμένει ιδανικό υλικό κατασκευής αμαξωμάτων και τμημάτων του πλαισίου αυτοκινήτωνΤο μεγαλύτερο μέρος του υλικού απορροφάται στην κατασκευή κινητήρων -περίπου 540 εκατομμύρια τόνοι- στην κατασκευή τμημάτων μετάδοσης, όπως κελύφη κιβωτίων, σώματα υδραυλικών βαλβίδων κ.λπ. Από εκεί και πέρα
ιδιαίτερα μεγάλη κατανάλωση υπάρχει στην κατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων, που παραδοσιακά κατασκευάζονται από αλουμίνιο, όπως οι τροχοί αλλά και τα ψυγεία και οι εναλλάκτες θερμότητας.
ΠηγήΣχήμα 5: Το σασί του Audi A8
Η χρήση του στην κατασκευή τμημάτων του αμαξώματος καθώς και του αυτοφερόμενου πλαισίου, όπως στην περίπτωση του Α8 της Audi, εξαρτάται από την εξέλιξη των τεχνολογιών παραγωγής.
Το Panoz AIV Roadster του 1996 αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μια νέας τεχνολογίας.
Με την ονομασία RHT (Retrogression Heat Treatment) είναι εφικτή η παραγωγή και οι συνδέσεις ενός αλουμινένιου πλαισίου χωρίς συγκολλήσεις ή χρήση ειδικής κόλλας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται ταχύτερη και αποδοτικότερη
συναρμολόγηση, έτσι ώστε το διάστημα παραγωγής ενός μικρού σπορ αυτοκινήτου να μην διαφέρει από αυτόν ενός αυτοκινήτου μαζικής παραγωγής. Τα τμήματα από χάλυβα του αυτοφερόμενου πλαισίου έχουν αντικατασταθεί από αλουμινένια ελάσματα τα οποία συνδέονται με πρεσάρισμα, ενώ τα καμπυλωτά τμήματα μορφοποιούνται με την μέθοδο RHT. Το πλαίσιο «κλείνει» με ένα χαλύβδινο πλαίσιο, ενώ συμπληρώνεται με αλουμινένιες πλάκες, με αποτέλεσμα το αλουμίνιο να καλύπτει τελικά το 65% της κατασκευής.
Το βασικότερο πρόβλημα όμως του αλουμινίου είναι το υψηλό του κόστος, μιας και κοστίζει τέσσερις φορές περισσότερο από το χάλυβα. Από την άλλη όμως η χρήση του θα μεγαλώσει όσο η τιμή του στην αγορά σταθεροποιείται, όσο βελτιώνονται οι μέθοδοι συγκόλλησης του και εφαρμόζονται πιο εύκολοι τρόποι μορφοποίησης.
Χάλυβας - η μεγάλη επιστροφή
Παρά το γεγονός ότι τα τελευταία είκοσι χρόνια όλο και περισσότερα τμήματα ενός αυτοκίνήτου κατασκευάζονται από «πλαστικά» ή αλουμίνιο, ο χάλυβας παραμένει το κυρίαρχο υλικό κατασκευής, τουλάχιστον για αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής. Το βασικό του πλεονέκτημα είναι η χαμηλή τιμή του σε σχέση με τα άλλα υλικά και φυσικά η μεγάλη εμπειρία που υπάρχει στην παραγωγή αλλά και στη μορφοποίησή του.
Σχήμα 6: Η διαδικασία χύτευσης λεπτότοιχων εξαρτημάτων είναι μια σχετικά νέα παραγωγική διαδικασία με την οποία μπορούν να παραχθούν εξαρτήματα από χάλυβα, ιδιαίτερα όλκιμα τα οποία μπορούν να μορφοποιηθούν εν ψυχρώ.Παρά ταύτα, οι ανάγκες για τη μείωση του βάρους των αμαξωμάτων αλλά και της ταυτόχρονης αύξησης της αντοχής τους οδήγησαν 30 εταιρείες παραγωγής εξαρτημάτων από χάλυβα στις Η.Π.Α. να θεσπίσουν το 1992 τις προδιαγραφές ενός μοντέλου αμαξώματος με πολύ χαμηλό βάρος.
Το Ultralight Steel Auto Body (Υπέρ-ελαφρύ Αμάξωμα από Χάλυβα) θα πρέπει να αποδεικνύει ότι μπορεί να υπάρξει ένα αυτοφερόμενο από χάλυβα, σχεδιασμένο έτσι ώστε να εκμεταλλεύεται με τον καλύτερο δυνατό τρόπο τις φυσικές
ιδιότητες του υλικού, με όσο το δυνατό χαμηλότερο βάρος, που όμως από την άλλη θα καλύπτει και τις απαιτήσεις παθητικής ασφάλειας.
Με βάση τις απαιτήσεις αυτές η αμερικάνικη εταιρεία Porsche Engineering Services Inc. παρουσίασε ένα αμάξωμα με προδιαγραφές πραγματικά εντυπωσιακές, εάν συγκριθεί με ένα συμβατικό. Το βάρος του είναι μικρότερο κατά 25% (φτάνοντας συνολικά τα 200 κιλά), η στρεπτική του ακαμψία μεγαλύτερη κατά 132% και το κόστος του μειωμένο κατά 154 δολάρια ή αν θέλετε κατά 42.000 δραχμές (Τιμές 1997). Η κατασκευή του θα είναι δυνατή με τις υπάρχουσες μηχανουργικές τεχνολογίες, οι συγκολλήσεις θα γίνονται με λέιζερ, ενώ για την μορφοποίηση των τμημάτων του θα εφαρμοστεί η νέα τεχνολογία hydroforming.
Τέλος, ένα από τα πλεονεκτήματά του είναι ότι θα εκμεταλλεύεται την υπάρχουσα τεχνολογία ανακύκλυσης των μεταλλικών τμημάτων.
Το κονσόρτσιουμ των εταιρειών θα επενδύσει 200 εκατομμύρια δολάρια μέσα στα επόμενα δύο χρόνια για την δημιουργία πραγματικών μοντέλων για επίδειξη. Παράλληλα θα ξεκινήσει μια ανάλογη μελέτη για το σχεδιασμό ενός ελαφρού ημιφορτηγού, μια κατηγορία η οποία καλύπτει το 43% της αμερικάνικης αγοράς.
Σχήμα 7: Το αυτοφερόμενο πλαίσιο που έχουν σχεδιάσει οι μηχανικοί της Armco Inc. και της Autokinetics Inc. αποτελείται από τμήματα (modular design) τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με μια νέα τεχνολογία συγκόλλησης.
Μία διαφορετική πρόταση προέρχεται από τις εταιρείες Armco Inc. και Autokinetics Inc. οι οποίες έχουν σχεδιάσει ένα πλαίσιο το οποίο αποτελείται από τμήματα (modular design), τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με μια νέα τεχνολογία συγκόλλησης. Ο ανθρακοχάλυβας που χρησιμοποιείται για τα σφυρήλατα τμήματα είναι ο Armco NITRONIC (50, 60), με όριο ροής τα 830 ΜΡa, δεν χρειάζεται αντιδιαβρωτική προστασία, έχει υψηλή επιφανειακή σκληρότητα και είναι περισσότερο όλκιμος από τους κοινούς ανθρακοχάλυβες. Η μορφοποίηση των περισσοτέρων τμημάτων θα γίνει με ψυχρή εξέλαση, μια πολύ κοινή μέθοδος στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Η τελική επιλογή
H διαφοροποίηση των υλικών από τα οποία θα κατασκευάζονται τα αυτοκίνητα στην επόμενη πενταετία ελάχιστα θα γίνουν αντιληπτές από τον καταναλωτή. Και αυτό γιατί οι αυτοκινητοβιομηχανίες θα επικεντρωθούν στη μείωση του κόστους παραγωγής και τη μείωση του βάρους, με τη διατήρηση όμως της ποιότητας στα σημερινά επίπεδα. Κάποια εξαρτήματα θα αλλάξουν καθώς από πλαστικά θα γίνουν μεταλλικά, κυρίως στο χώρο του κινητήρα, ενώ και τα νέα «πλαστικά» θα είναι πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες και θα προσφέρουν μειωμένο θόρυβο και κραδασμούς.
Τα κεραμικά υλικά και οι ΜΕΚ (4Τ 229, 10/1989)
Συντάκτης: Νίκος Λουπάκης
ΑΚΟΥΓΟΝΤΑΣ κανείς να γίνεται λόγος για κεραμικά υλικά το μόνο που δεν φαντάζεται, είναι ότι πρόκειται για κάτι που μπορεί να έχει σχέση με τις μηχανές των αυτοκινήτων. Μπορεί δηλαδή να φανταστεί ότι πρόκειται για… κεραμίδια ή για διάφορα άλλα πήλινα αντικείμενα, αλλά δύσκολα θα πάει το μυαλό του στα έμβολα, στις βαλβίδες, στα χιτώνια, ή ακόμα και στον κορμό μιας μηχανής εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ). Τι ακριβώς όμως εννοούμε όταν μιλάμε για κεραμικά υλικά στη βιομηχανία και γιατί να γίνεται λόγος για αυτά τα υλικά; Σε τι διαφέρουν από τα παραδοσιακά βιομηχανικά υλικά και τι το καινούργιο φέρνουν πιο ειδικά στο χώρο των ΜΕΚ; Τι είναι αυτό που ωθεί ένα σημαντικό αριθμό επιστημόνων σε δύση και ανατολή να ασχολούνται συστηματικά με αυτά; Σε τι στάδιο βρίσκονται οι έρευνες στον τομέα αυτόν και σε τι στάδιο οι εφαρμογές; Τι προβλήματα υπάρχουν στη χρήση και διάδοση των κεραμικών υλικών και τι προβλέψεις μπορούμε: με βάση την μέχρι σήμερα πορεία των ερευνών, να κάνουμε για το μέλλον.
Μιλώντας γενικά για κεραμικά υλικά εννοούμε μια σειρά αντικείμενα από άργιλο, είτε καθαρή είτε με διάφορες προσμίξεις, τα οποία έχουν υποστεί θερμική επεξεργασία, έχουν δηλαδή ψηθεί, σε υψηλή θερμοκρασία.
Με βάση τη σύστασή τους χωρίζονται σε δύο μεγάλες ομάδες: α) υλικά με βάση οξείδια του αλουμινίου (Αl), του ζιρκονίου (Ζr), του μαγνησίου (Mg), του πυριτίου (Si) και άλλων μετάλλων, και β) άλλα υλικά με βάση διάφορες ενώσεις, όπως καρβίδια (ενώσεις του άνθρακα), σουλφίδια (ενώσεις του θείου), νιτρίδια (ενώσεις του αζώτου) και άλλα. Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι ιδιότητες των κεραμικών υλικών. Οι πιο χαρακτηριστικές είναι η μικρή θερμοαγωγιμότητα και θερμοχωρητικότητα, ο μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής, η αντοχή τους στις απότομες μεταβολές της θερμοκρασίας, η ικανότητα να διατηρούν τις μηχανικές τους ιδιότητες σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, η μεγάλη αντοχή τους στη διάβρωση, η μικρή τους πυκνότητα, η υψηλή σκληρότητα, η μεγάλη αντοχή τους στη φθορά των τριβών (εφόσον έχουμε να κάνουμε με τριβόμενες επιφάνειες), και η υψηλή χημική τους αδράνεια. Όλα αυτά βέβαια αποτελούν θετικά χαρακτηριστικά των κεραμικών υλικών. Πρέπει όμως να αναφέρουμε άλλο ένα χαρακτηριστικό τους το οποίο αποτελεί και το μεγάλο τους μειονέκτημα: τα κεραμικά υλικά ραγίζουν σχετικά εύκολα. Αυτός άλλωστε είναι και ο βασικός λόγος που τα κεραμικά υλικά δεν έχουν ακόμα «μπει» στις μηχανές των αυτοκινήτων που οδηγούμε.
Αξίζει ακόμα να σημειωθεί ότι οι ιδιότητες που αναφέρθηκαν ποικίλουν από υλικό σε υλικό, και εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τον τρόπο επεξεργασίας του υλικού.
Οι θερμικές απώλειες
Το πόσο σημαντικές είναι οι ιδιότητες των κεραμικών υλικών για τις μηχανές εσωτερικής καύσης δεν γίνεται αντιληπτό με την πρώτη ματιά. Αν όμως αναλογιστεί κανείς μερικά Βασικά χαρακτηριστικά της λειτουργίας των μηχανών, τότε δεν είναι δύσκολο να καταλάβει τη σπουδαιότητά τους, Κατ' αρχήν πρέπει να έχουμε υπόψη μας ότι μια μηχανή εσωτερικής καύσης είναι μια θερμική μηχανή. Σε μια τέτοια μηχανή η θερμική ενέργεια που παράγεται κατά την καύση του καυσίμου που εισάγεται στους κυλίνδρους της μετατρέπεται σε μηχανική. Το πρόβλημα είναι ότι μόνο ένα μικρό σχετικά (22-42%) μέρος της θερμικής ενέργειας μετατρέπεται σε ωφέλιμη για μας μηχανική ενέργεια. Από το υπόλοιπο ένα μέρος (27-36%) χάνεται στο σύστημα ψύξης, ένα άλλο μέρος (25-30%) διαφεύγει στο περιβάλλον μαζί με καυσαέρια, ενώ ένα τρίτο μέρος χάνεται με τα λιπαντικά υγρά και ένα άλλο μικρότερο μέρος της εκπέμπεται απ' ευθείας στο περιβάλλον. Επίσης ένα μέρος της θερμικής ενέργειας που μπορεί συνολικά να παραχθεί από την καύση του καυσίμου «χάνεται» ή πιο σωστά δεν παράγεται γιατί η καύση του είναι ατελής.Είναι λογικό λοιπόν οι κατασκευαστές κινητήρων να κάνουν ό,τι μπορούν για να μειώσουν στο ελάχιστο δυνατόν τις απώλειες αυτές και είναι επίσης λογικό τα κεραμικά υλικά να έχουν τραβήξει την προσοχή τους μιας και υπόσχονται πολλά στον τομέα αυτόν.
Χάρη στη μικρή τους θερμοαγωγιμότητα παίζουν το ρόλο του θερμομονωτικού μέσου και εφόσον χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μερών του θαλάμου καύσης, συντελούν στη σημαντική μείωση των θερμικών απωλειών στο εσωτερικό του κυλίνδρου.
Σε αυτήν την περίπτωση η θερμοκρασία των καυσαερίων όποτε συμφέρει αν δεν επιβάλλεται κιόλας, η χρησιμοποίηση στροβιλοσυμπιεστή (TURBO στην καθομιλουμένη) για την αξιοποίηση της αυξημένης (λόγω της ανόδου της θερμοκρασίας τους) ενέργειας των καυσαερίων. Μερικοί κατασκευαστές μάλιστα, χρησιμοποιούν αντί για το συνηθισμένο στροβιλοσυμπιεστή μια τουρμπίνα, η οποία είναι συνδεδεμένη με τον στροφαλοφόρο άξονα του κινητήρα και τον «βοηθάει» στην κίνησή του, μεταδίδοντας σε αυτόν την ενέργεια που παίρνει, κινούμενη από τα καυσαέρια.
Με αυτές τις προϋποθέσεις μείωση των θερμικών απωλειών, για παράδειγμα, κατά 5% μπορεί να συνεπάγεται αύξηση του βαθμού απόδοσης του κινητήρα μέχρι και κατά 12 ποσοστιαίες μονάδες.
Σχήμα 1: Κεραμικές βαλβίδες και κεραμικοί πίροι εμβόλων. Από κεραμικά υλικά μπορούν ακόμα να κατασκευαστούν οδηγοί βαλβίδων, χιτώνια κυλίνδρων, πτερύγια τουρμπίνων κ.ά.
Σχήμα 2: Κεραμικό έμβολο (φωτ. και κεραμικό στοιχείο της κυλινδροκεφαλής (φωτ. 2) του turbo diesel KC 401 της Kyocera. Τα εξαρτήματα αυτά εργάστηκαν χωρίς προβλήματα επί 100 ώρες σκληρών εργαστηριακών δοκιμών του κινητήρα. Πρέπει να σημειωθεί ότι το μοναδικό μεταλλικό στοιχείο των 2 εξαρτημάτων είναι το ελατήριο του λαδιού του εμβόλου. Τα ελατήρια της συμπίεσης (1ο και 2ο από πάνω προς τα κάτω) είναι κεραμικά.
Σχήμα 3: Σχέδιο-φάντασμα εμβόλου, αποτελούμενου από κεραμικό και μεταλλικά μέρη, της αμερικανικής εταιρίας Cummins.
1. μεταλλικό μέρος,
2. κεραμικό μέρος του εμβόλου,
3. βίδα,
4. φλάντζες,
5,6.ελατήρια,
7. παξιμάδι,
8. ροδέλα.
Όπως φαίνεται και από το σχήμα, η βίδα που είναι κατασκευασμένη από ειδικό μέταλλο για να αντέχει στις ψηλές θερμοκρασίες, συγκρατεί το κεραμικό μέρος του εμβόλου πάνω στο μεταλλικό.
Πρέπει ακόμα να σημειωθεί, ότι εκτός από την αύξηση της θερμοκρασίας των καυσαερίων παρατηρείται γενικά μια αύξηση της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του κυλίνδρου σε όλες τις φάσεις της λειτουργίας του κινητήρα, κάτι που είναι άλλωστε πολύ λογικό και αναμενόμενο. Αυτό δίνει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν καύσιμα που σε συνηθισμένες για τις ΜΕΚ συνθήκες δύσκολα αναφλέγονται. Τέτοιο καύσιμο είναι για παράδειγμα η αιθανόλη που, λόγω του μικρού αριθμού κετανίων, για να χρησιμοποιηθεί σε κινητήρες Diesel, χρειάζεται η λήψη ειδικών μέτρων, ώστε να εξασφαλίζεται σε κάθε περίπτωση η ανάφλεξή της, και κατά συνέπεια η ομαλή λειτουργία του κινητήρα.
Μηχανή χωρίς ψυγείο…
Αναφέραμε προηγουμένως ότι τα κεραμικά υλικά παρουσιάζουν μεγάλη αντοχή, σημαντικά μεγαλύτερη από αυτή των μετάλλων, στις υψηλές θερμοκρασίες διατηρώντας τις μηχανικές τους ιδιότητες: Όσο λοιπόν και αν φαίνεται παράξενο και για πολλούς ίσως αδιανόητο, αυτό επιτρέπει τη χρησιμοποίηση μικρότερου συστήματος ψύξης ή ακόμα και την πλήρη κατάργησή του. Γιατί το σύστημα ψύξης του κινητήρα σαν αποστολή του έχει το να διατηρεί τη θερμοκρασία των διαφόρων εξαρτημάτων σε ορισμένα πλαίσια, πέρα από τα οποία έχουμε σαν επακόλουθο είτε τη μη σωστή λειτουργία, είτε ακόμα και την καταστροφή των εξαρτημάτων αυτών. Στην περίπτωση των κεραμικών υλικών, τα πλαίσια αυτά διευρύνονται τόσο, που η παρουσία του συστήματος ψύξης να γίνεται λιγότερο ή και καθόλου απαραίτητη.
Αυτό σημαίνει πρώτα απ' όλα μείωση ή και εξάλειψη εκείνου του μέρους των θερμικών απωλειών που οφείλεται στο σύστημα ψύξης, μικρότερο συνολικό βάρος του κινητήρα, αλλά και εξοικονόμηση της ενέργειας που είναι απαραίτητη για την κίνηση της αντλίας νερού και του ανεμιστήρα του συστήματος ψύξης.
Θα πρέπει σε αυτό το σημείο να πούμε ότι ο περιορισμός ή και η κατάργηση του συστήματος ψύξης δεν βρίσκονται στο χώρο της φαντασίας ή των ευσεβών πόθων κάποιων υπεραισιόδοξων ερευνητών, αλλά είναι ήδη μια πραγματικότητα (σε πειραματικό βέβαια στάδιο). Σαν παράδειγμα μπορούμε να αναφέρουμε την εταιρία Cummins η οποία κατασκεύασε έναν εξακύλινδρο δεκατετράλιτρο κινητήρα Diesel ισχύος 170 kW, ΧΩΡΙΣ σύστημα ψύξης, με κεραμική επικάλυψη σε μια σειρά εξαρτήματά του (κυλινδροκεφαλή, έμβολα, χιτώνια κ.α.). Ο κινητήρας τοποθετήθηκε σε φορτηγό αυτοκίνητο 4.5 τόνων που κάλυψε απόσταση 10.000 Km, με μέση κατανάλωση καύσιμου κατά 30- 50% μικρότερη σε σχέση με αυτοκίνητα της ίδιας κατηγορίας με κοινό κινητήρα.
Προτερημάτων συνέχεια
Λόγω της μικρής πυκνότητας των κεραμικών υλικών, έχουμε μείωση του βάρους του κινητήρα συνολικά, το δε ποσοστό της μείωσης αυτής εξαρτάται από το ποσοστό συμμετοχής των κεραμικών υλικών στον κινητήρα. Το γεγονός αυτό δεν μπορεί παρά να έχει θετικές επιπτώσεις στην κατανάλωση των καυσίμων (όσο λιγότερο βάρος έχει να μεταφέρει ο κινητήρας, τόσο λιγότερη ενέργεια, και κατά συνέπεια τόσο λιγότερο καύσιμο καταναλώνει).
Η χρησιμοποίηση κεραμικών υλικών για την κατασκευή των βαλβίδων, των χιτωνίων, των εμβόλων και άλλων μερών του κινητήρα λόγω του μικρού βάρους τους και της μεγάλης τους ακαμψίας και σκληρότητας, συνεπάγεται μειωμένες τριβές και κατά συνέπεια μειωμένες απαιτήσεις από το σύστημα λίπανσης, λιγότερους θορύβους και δονήσεις (δηλαδή πιο ήσυχη και πολιτισμένη λειτουργία του κινητήρα), μειωμένες ανάγκες συντήρησης και ρυθμίσεων, και προσφέρει παράλληλα και τη δυνατότητα για λειτουργία του κινητήρα σε περισσότερες στροφές, δίνει δηλαδή τη δυνατότητα για παραγωγή μεγαλύτερης ισχύος από τον ίδιο κινητήρα.
Τέλος λόγω των θερμομονωτικών ιδιοτήτων τους και εφόσον χρήσιμο- ποιούνται για την επικάλυψη μεταλλικών εξαρτημάτων, κάνουν πιο εύκολη τη ζωή των τελευταίων, μειώνοντας σημαντικά τα ποσά της θερμότητας από τα οποία αυτά διαπερνούνται και κρατώντας κατά συνέπεια τη θερμοκρασία τους σε χαμηλότερα από το συνηθισμένο, επίπεδα.
Προβλήματα και προοπτικές
Το μεγάλο πρόβλημα με τα κεραμικά υλικά, δηλαδή με τα διάφορα εξαρτήματα που είναι κατασκευασμένα από κεραμικά υλικά, είναι όπως ήδη αναφέραμε το ότι εμφανίζονται ρωγμές κατά τη χρήση τους. Η στιγμή μάλιστα που θα παρουσιαστούν οι ρωγμές, οπότε αχρηστεύεται το συγκεκριμένο εξάρτημα και κατά συνέπεια τίθεται εκτός λειτουργίας ο κινητήρας, δεν μπορεί με ακρίβεια να προβλεφθεί και έχει να κάνει με μια σειρά παράγοντες, όπως το είδος του υλικού που χρησιμοποιείται, ο τρόπος με τον οποίο χρησιμοποιείται (δηλαδή αν πρόκειται για επικάλυψη ή για κάτι άλλο), οι συνθήκες στις οποίες «δουλεύει» το υλικό κ.α. Αλλά και αν με βάση τα αποτελέσματα των πειραμάτων δεχθούμε συμβατικά ένα μέσο όρο ζωής τους, ο οποίος ας σημειωθεί μπορεί να ποικίλλει για διαφορετικά εξαρτήματα από μερικές ώρες μέχρι κάμποσες χιλιάδες ώρες λειτουργίας, αυτός είναι πολύ μικρός, σε σχέση με αυτόν των αντίστοιχων μεταλλικών εξαρτημάτων, και δεν δικαιολογεί το κόστος κατασκευής τους.
Οι ρωγμές που παρουσιάζονται στα κεραμικά εξαρτήματα μπορεί να οφείλονται σε διάφορους λόγους, όπως: α) ελαττώματα στη δομή του υλικού που δημιουργήθηκαν κατά τη διαδικασία κατασκευής του εξαρτήματος, β) όχι καλή εφαρμογή της κεραμικής επίστρωσης (ή του κεραμικού τμήματος) με το μεταλλικό μέρος του εξαρτήματος, πράγμα που σημαίνει ανισομερή κατανομή των καταπονήσεων που υφίσταται το συγκεκριμένο εξάρτημα κατά τη λειτουργία του κινητήρα, πράγμα που με τη σειρά του σημαίνει αυξημένες τοπικές καταπονήσεις που προκαλούν το ράγισμά του, γ) στη διαφορά των συντελεστών θερμικής διαστολής του μετάλλου και του κεραμικού υλικού, πράγμα που σημαίνει πρόσθετες καταπονήσεις κατά την άνοδο της θερμοκρασίας στα σημεία επαφής κεραμικού υλικού και μετάλλου. Πάντως παρά τα προβλήματα, τα κεραμικά υλικά κερδίζουν συνεχώς έδαφος, ήδη σήμερα υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τον περιορισμό του φαινομένου του ραγίσματος και βέβαια οι έρευνες συνεχίζονται και υπόσχονται πολλά για το μέλλον. Μπορούμε και αξίζει νομίζω να αναφέρουμε δυο ενδιαφέροντα παραδείγματα που δικαιολογούν την αισιοδοξία μας:
- Το 1986 η εταιρία Kyocera κατασκεύασε και δοκίμασε σε σκληρές συνθήκες δυο κινητήρες: ένα μονοκύλινδρο και ένα τετρακύλινδρο turbo diesel 1300 cc, που ήταν εφοδιασμένοι με κεραμικά έμβολα, χιτώνια και μέρος της κυλινδροκεφαλής. Οι κινητήρες δούλεψαν για 100 ώρες σε ειδικό εργαστήριο, με μέγιστο φορτίο, χωρίς προβλήματα. Στις συνθήκες δοκιμών αποδείχθηκε απαραίτητη η παρουσία περιορισμένου συστήματος ψύξης (μόνο για την κυλινδροκεφαλή). Σε περίπτωση όμως εγκατάστασης του κινητήρα σε επιβατικό αυτοκίνητο οι ειδικοί διαβεβαιώνουν ότι ο κινητήρας δεν θα χρειαστεί ούτε πλήρες, ούτε περιορισμένο σύστημα ψύξης για την ομαλή του λειτουργία.
- Το 1987 στις ΗΠΑ ένα Oldsmobile Cutlass Ciera εφοδιασμένο με κεραμικές βαλβίδες και πίρους εμβόλων, έκανε πάνω από 32.000 Km χωρίς προβλήματα.
| Κεραμικά υλικά | Μέταλλα που χρησιμοποιούνται στις ΜΕΚ | |||||
| Νιτρίδια | ||||||
| SN-201 | SN-220 | SN-501 | Καρβίδιο πυριτίου | 21-2Ν | 1541 Η | |
| Πυκνότητα gr/cm3 | 2,9 | 3,6 | 3,3 | 3,1 | 7,75 | 7.81 |
| Αντοχή στην κάμψη Mpa | 400 | 590 | 270 | 450 | — | — |
| Σκληρότητα MRA | 87,3 | 91 | 87 | 94,7 | 28-50 | 33-38 |
| Συντελεστής θερμικ. διαστολής 10-6 C° | 2,4 | 3,4 | 3,5 | 4 | 14 | 11,6 |
| Θερμοαγωγιμότητα J/(m/s Κ) | 12,5 | 12,5 | 8,4 | 7,1 | - | - |
| Τα κεραμικά υλικά είναι σκληρότερα, ελαφρότερα και «εργάζονται» σωστά στις ψηλές θερμοκρασίες. | ||||||
Τα κεραμικά υλικά όπως είδαμε έρχονται να κάνουν με μια σειρά τρόπους τα αυτοκίνητά μας καλύτερα και κατά συνέπεια και τη ζωή μας πιο εύκολη. Απομένουν βέβαια αρκετά προβλήματα να λυθούν μέχρι η αξιοπιστία και η μακροζωία των κινητήρων με κεραμικά εξαρτήματα (ή και εξ ολοκλήρου κεραμικών) να ανέβει σε ικανοποιητικά επίπεδα, όμως απ' ότι φαίνεται η μέρα που η μηχανή του αυτοκινήτου μας θα δουλεύει πιο ήσυχα, πιο πολιτισμένα, θα «καίει» λιγότερο και δεν θα έχει ψυγείο (χωρίς να φοβόμαστε μην μας καεί) ίσως να μην είναι και τόσο μακρινή.
Κεραμικοί κινητήρες: η τεχνολογική επανάσταση (Auto Express 249, 4/1988)
Συντάκτης: Δημήτρης Χατζηγιαννάκης
Σχήμα: Τα κεραμικά υλικά αποτελούν μια νέα μεγάλη ομάδα υλικών, που τελευταία έχουν, κυριολεκτικά, ξαφνιάσει τους επιστήμονες με τις εκπληκτικές ιδιότητές τους.
Μια νέα τεχνολογία εισβάλει στο χώρο του αυτοκινήτου – οι κεραμικοί κινητήρες. Το αυτοκίνητο του μέλλοντος θα είναι πιο αποδοτικό, πιο ελαφρό και πιο αξιόπιστο από το σημερινό. Τα εκπληκτικά νέα υλικά υπόσχονται μια νέα επανάσταση.
Πολλοί πιστεύουν ότι οι τεχνολογικές αλλαγές που επήλθαν στο αυτοκίνητο τα τελευταία χρόνια, υπήρξαν τόσο επαναστατικές και τόσο καθοριστικές, ώστε τα σύγχρονα μοντέλα αυτοκινήτων να έχουν ελάχιστα κοινά σημεία με τα αντίστοιχα μοντέλα που κυκλοφορούσαν στους δρόμους των αρχών του αιώνα. Πράγματι η οποιαδήποτε σύγκριση θα δείξει τις άπειρες βελτιώσεις και προσθήκες, με τις οποίες εφοδιάστηκε το σύγχρονο αυτοκίνητο, προκειμένου να γίνει πιο ασφαλές και πιο αποδοτικό, ώστε να επιβιώσει στις συνθήκες του σκληρού ανταγωνισμού που επικρατούν στην αγορά. Όμως παρ’ όλο που η τεχνολογική εξέλιξη του αυτοκινήτου φαίνεται να είναι ραγδαία σε όλους τους τομείς, τα βασικά μέρη της «καρδιάς» του αυτοκινήτου, δηλαδή της μηχανής και του κινητήρα, ελάχιστα έχουν επηρεαστεί και παραμένουν σχεδόν αναλλοίωτα στο πέρασμα του χρόνου. Ελάχιστες μετατροπές έχουν γίνει στους δύο βασικούς τύπους μηχανών εσωτερικής καύσης βενζίνης και ντίζελ από τότε που πρωτοεμφανίστηκαν και εγκαταστάθηκαν στα αυτοκίνητα. Ακόμη και προσθήκες που πιστεύονται σαν σύγχρονες καινοτομίες στους κινητήρες, όπως για παράδειγμα ο υπερπληρωτής (supercharger) και ο στρόβιλος καυσαερίων (turbo) είχαν υιοθετηθεί και μελετηθεί ήδη από τις αρχές του αιώνα. Σήμερα όμως φαίνεται πως ήλθε το πλήρωμα του χρόνου για να πέσει και αυτό το τελευταίο οχυρό της παλιάς τεχνολογίας και να μπει το αυτοκίνητο σε μια πραγματικά νέα εποχή. Η τεχνολογία που πιστεύεται ότι σύντομα θα αλλάξει ριζικά το αυτοκίνητο, έχει να κάνει με την κατασκευή των πρώτων αποδοτικών κεραμικών αδιαβατικών κινητήρων. Οι επιπτώσεις της νέας τεχνολογίας θα επηρεάσουν όχι μόνο τη μηχανή του αυτοκινήτου, η οποία θα γίνει πιο μικρή, πιο ελαφριά, πιο αποδοτική και πιο αξιόπιστη, άλλα ολόκληρη την κατασκευή του αυτοκινήτου.
Ο κινητήρας αποτελεί το πιο πολύπλοκο και ταυτόχρονα το πιο υψηλά καταπονούμενο τμήμα του αυτοκινήτου και γι' αυτό κάθε αλλαγή σ' αυτόν απαιτεί μακροχρόνιες έρευνες και μελέτες. Ο κινητήρας του αυτοκινήτου αποτελείται από πάρα πολλά υψηλών ανοχών και προδιαγραφών μικρά εξαρτήματα, τα οποία απαιτούν ιδιαίτερα δαπανηρές κατεργασίες. Οι υψηλές θερμοκρασίες, οι πολύπλοκες χημικές αντιδράσεις της καύσης, οι εναλλασσόμενες κρουστικές τάσεις και οι κραδασμοί που επικρατούν μέσα στον κινητήρα δεν αποτελούν φιλικό περιβάλλον για τα περισσότερα υλικά. Τα μεταλλικά κράματα ήταν τα μόνα γνωστά υλικά, τα οποία άντεχαν σε αυτές τις αντίξοες συνθήκες και γι’ αυτό η κυριαρχία τους ήταν μέχρι τώρα ολοκληρωτική. Κατά καιρούς πολλά μη μεταλλικά υλικά δοκιμάστηκαν σαν βασικά υλικά κατασκευής μηχανών εσωτερικής καύσης, αλλά τα αποτελέσματα δεν υπήρξαν ικανοποιητικά σε βαθμό που να επιτευχθεί η έστω και μερική αντικατάσταση των μεταλλικών μερών των κινητήρων. Η κύρια προσπάθεια είχε σαν επίκεντρο τη μείωση του βάρους του κινητήρα των αυτοκινήτων, με τη χρησιμοποίηση ελαφρότερων υλικών, όπως για παράδειγμα διαφόρων τύπων πλαστικών. Η αντικατάσταση αυτή όμως δεν αφορούσε, το σύνολο των εξαρτημάτων του κινητήρα, αλλά ορισμένων μόνο μερών, τα οποία δεν είχαν άμεση επαφή με το θάλαμο καύσης: Τα πλαστικά εξαρτήματα ήταν συνήθως ενισχυμένα με μεταλλικά κομμάτια για να μπορούν να αντέξουν τις υψηλές καταπονήσεις και ως εκ τούτου είχαν αυξημένο κόστος κατασκευής. Ενώ τα ερευνητικά προγράμματα που αφορούν τα πλαστικά δεν έχουν ακόμα τελειώσει και δεν είναι γνωστό το που μπορεί να καταλήξουν, ένας νέος τύπος υλικών εισέβαλε δυναμικά στο χώρο των υλικών κατασκευής μηχανών εσωτερικής καύσης και έστρεψε τις έρευνες προς μια νέα κατεύθυνση. Τα νέα αυτά υλικά είναι τα κεραμικά που παρασκευάζονται με βάση τα οξείδια των μετάλλων (και κύρια το οξείδιο του αργιλίου) και ενώσεις του πυριτίου. Τα κεραμικά δοκιμάστηκαν τα τελευταία χρόνια σαν υλικά κατασκευής κινητήρων και τα πρώτα αποτελέσματα υπήρξαν πολύ ενθαρρυντικά για τους ερευνητές.
Τα κεραμικά υλικά είναι προϊόντα που παρασκεύασε η σύγχρονη χημεία και η οποία με τη διαρκή έρευνα κατόρθωσε να τα τοποθετήσει σε περίοπτη θέση στο χώρο των υλικών που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα στο μέλλον. Πολλοί πιστεύουν ότι θα εκτοπίσουν σε ένα μεγάλο βαθμό τα μέταλλα και τα μεταλλικά κράματα σε μια σειρά εφαρμογών. Είναι χαρακτηριστικό το χαμηλό κόστος παρασκευής των κεραμικών υλικών, οι πρώτες ύλες των οποίων βρίσκονται σχεδόν παντού στη φύση. (Έτσι παύει και η εξάρτηση των βιομηχανικών χωρών από τις χώρες που παράγουν μέταλλα). Τα κεραμικά αποτελούν μια νέα μεγάλη ομάδα υλικών που τελευταία έχουν κυριολεκτικά ξαφνιάσει τους επιστήμονες και τους ερευνητές με τις εκπληκτικές τους ιδιότητες. Η πιο γνωστή από αυτές, που έτυχε και τεράστιας δημοσιότητας λόγω της σημασίας της, είναι υπεραγώγιμη ηλεκτρική συμπεριφορά που παρουσιάζουν ορισμένοι τύποι κεραμικών υλικών σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες. Με βάση την ιδιότητα αυτή είναι δυνατή η κατασκευή αγωγών με μηδενική ηλεκτρική αντίσταση. Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες όμως που επέτρεψαν τη χρησιμοποίηση των κεραμικών υλικών για την κατασκευή των νέων κινητήρων ήταν σχετικές με τη μηχανική και τη θερμική τους συμπεριφορά.
Οι μηχανικές και οι θερμικές ιδιότητες που παρουσιάζουν τα κεραμικά είναι σχεδόν σε όλους τους τομείς ανώτερες από τις αντίστοιχες των μετάλλων. Κατ' αρχάς τα κεραμικά υλικά έχουν σε γενικές γραμμές μικρότερο ειδικό βάρος (είναι δηλαδή ελαφρότερα) από τα μεταλλικά κράματα και επομένως ένας κεραμικός κινητήρας είναι κατά πολύ ελαφρότερος από τον αντίστοιχο συμβατικό μεταλλικό κινητήρα. Το βάρος της κατασκευής του κινητήρα (και ιδιαίτερα των κινουμένων μερών του όπως π.χ. έμβολα, άξονες, βαλβίδες κ.λπ.) είναι αποφασιστικό στοιχείο της απόδοσής του. Είναι προφανές ότι απαιτείται να προσδοθεί από τη μηχανή περισσότερη ενέργεια για την περιστροφή ενός μεγάλου βάρους μεταλλικού άξονα παρά ενός ελαφρότερου κεραμικού. Ομοίως απαιτείται περισσότερη ενέργεια για την παλινδρόμηση ενός μεταλλικού εμβόλου παρά του αντίστοιχου κεραμικού. Η ενέργεια αυτή εξοικονομείται από τα καύσιμα και βέβαια δεν είναι καθόλου αμελητέα. Τα κεραμικά υλικά είναι πολύ πιο σκληρά και ανθεκτικά από τα μέταλλα και γι' αυτό η μηχανουργική κατεργασία και η κοπή τους γίνεται με πανάκριβα αδαμάντινα κοπτικά εργαλεία. Αυτό είναι ίσως το μεγαλύτερο από τα μειονεκτήματα των κεραμικών υλικών, αλλά η σύγχρονη έρευνα τείνει να το εξαλείψει. Συγκεκριμένα, τελευταία έχουν αναπτυχθεί τεχνικές κατά τις οποίες τα κατασκευασμένα από κεραμικά υλικά εξαρτήματα δε χρειάζονται παρά ελάχιστη μηχανουργική κατεργασία και βγαίνουν σχεδόν έτοιμα προς χρήση (ready to use) από τα καλούπια. Η σημερινή έρευνα στρέφεται προς τη βελτίωση της διαδικασίας χύτευσης και της δημιουργίας ειδικών καλουπιών για τη μαζική παραγωγή έτοιμων προς χρήση κεραμικών εξαρτημάτων. Η σκληρότητα αυτή των κεραμικών υλικών καθιστά τα εξαρτήματα αυτά εξαιρετικά ανθεκτικά στις διαρκείς καταπονήσεις που υφίστανται μέσα στον κινητήρα, με αποτέλεσμα να έχουν πολλαπλάσιους «χρόνους ζωής» από τα αντίστοιχα μεταλλικά. Η οικονομία που επιτυγχάνεται με τους σχεδόν άφθαρτους κεραμικούς κινητήρες είναι εκπληκτική. Η συντήρηση των μηχανών των αυτοκινήτων, η οποία αποτελεί ένα σημαντικότατο κόστος, τείνει να εκμηδενιστεί. Οι συντελεστές τριβής επίσης μεταξύ των ερχομένων σε επαφή κινουμένων κεραμικών εξαρτημάτων είναι μικρότεροι από τους αντίστοιχους των μετάλλων και κατά συνέπεια εξασφαλίζεται μια σημαντική μείωση των απωλειών του κινητήρα, που οφείλεται σε τριβές. Οι μικροί συντελεστές τριβής έχουν σαν αποτέλεσμα να απαιτούνται λιγότερα ή και καθόλου λιπαντικά συστήματα στους κινητήρες νέου τύπου.
Οι θερμικές διαστολές, οι οποίες είναι υπεύθυνες για την αλλαγή των διαστάσεων των εξαρτημάτων των μηχανών εσωτερικής καύσης, είναι εκπληκτικά μειωμένες στην περίπτωση των κεραμικών υλικών. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι επιτυγχάνεται μεγάλη σταθερότητα διαστάσεων των διαφόρων εξαρτημάτων του κινητήρα σε ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, με αποτέλεσμα την καλύτερη απόδοσή του τόσο στις συνθήκες εκκίνησης, όσο και στις συνθήκες μεγάλων χρόνων συνεχούς λειτουργίας, καθώς επίσης και στις καιρικές μεταβολές.
Σε αντίθεση με τα μέταλλα και τα μεταλλικά κράματα, τα κεραμικά υλικά είναι κακοί αγωγοί της θερμότητας και η θερμική τους συμπεριφορά τείνει περισσότερο προς αυτή των μονωτικών υλικών. Ο συντελεστής μετάδοσης της θερμότητας είναι ιδιαίτερα χαμηλός στα υλικά αυτά, τα οποία σχεδόν απαγορεύουν ολοκληρωτικά στη θερμότητα να περάσει από τη μάζα τους. Τα τελευταία ερευνητικά προγράμματα προσπαθούν να βελτιώσουν ακόμη περισσότερο αυτή τη μοναδική ιδιότητα, ώστε να καταστήσουν τα κεραμικά υλικά τέλειους μονωτές και να κατασκευάσουν το λεγόμενο «αδιαβατικό» κινητήρα, ο οποίος μέχρι πριν από λίγα χρόνια αντιμετωπιζόταν μόνο θεωρητικά.
Ο «αδιαβατικός» κινητήρας επειδή είναι κατασκευασμένος από μονωτικό υλικό δεν έχει θερμικές απώλειες από τα τοιχώματα της μηχανής και επομένως όλη η θερμότητα που παράγεται κατά την καύση μετατρέπεται σε μηχανικό έργο παλινδρόμησης του εμβόλου. Ο κινητήρας αυτός λειτουργεί σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες και δε χρειάζεται ειδικές διατάσεις ψύξης. Οι θερμοκρασίες λειτουργίας υπερβαίνουν τους 2.500 βαθμούς της κλίμακας Φαρενάιτ και υπάρχει η δυνατότητα να αυξηθούν ακόμη περισσότερο. Οι σημερινοί συμβατικοί κινητήρες αποδίδουν το 75% περίπου της θερμότητας καύσης διαμέσου των μεταλλικών τους μερών και του καυσαερίου στο περιβάλλον σαν απώλεια. Με τους νέους κινητήρες το ποσοστό αυτό μπορεί να διατεθεί σε ωφέλιμο μηχανικό έργο προς το έμβολο, με προφανή την τεράστια οικονομία των καυσίμων. Η μη ύπαρξη ψυκτικής εγκατάστασης επίσης επιφέρει σημαντική μείωση του κόστους κατασκευής του κινητήρα και δραστική ελάττωση του όγκου και του βάρους της μηχανής του αυτοκινήτου. Αυτό είναι γεγονός ιδιαίτερης σημασίας για τους κατασκευαστές αυτοκινήτων διότι θα μπορέσουν να ξεφύγουν από τις σχετικά ογκώδεις και βαριές συμβατικές μηχανές και θα μπορέσουν να σχεδιάσουν αυτοκίνητα που θα έχουν καλύτερο αεροδυναμικό και λειτουργικό σχήμα και περισσότερο ωφέλιμο χώρο για φορτία και επιβάτες.
Ο αδιαβατικός κεραμικός κινητήρας προσαρμόζεται περισσότερο στους σημερινούς κινητήρες Diesel, παρά τους βενζινοκίνητους. Αυτό οφείλεται στο ότι οι κινητήρες Diesel έχουν καλύτερη απόδοση στις υψηλές θερμοκρασίες καύσης.
Οι κεραμικοί κινητήρες θα είναι όλοι σχεδόν εφοδιασμένοι με υπερπληρωτές καυσίμων και στρόβιλο καυσαερίων (turbo) και θα παρέχουν πολύ μεγαλύτερη ισχύ από τους συμβατικούς κινητήρες.
Οι ειδικοί ισχυρίζονται ότι στην πρώτη δεκαετία του 2000 όλα τα αυτοκίνητα θα κινούνται από κεραμικούς κινητήρες και θα επιτυγχάνουν οικονομία καυσίμων τουλάχιστον κατά 30% σε σχέση με τα σημερινά αυτοκίνητα.
Ποιά υλικά για ποιά χρήση (4Τ 177, 6/1985)
Συντάκτης: Πάνος Φιλιππακόπουλος
Μια σύντομη περιπλάνηση στο χώρο των «νέων» υλικών, στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και στις πιθανότητες και προοπτικές χρησιμοποίησής τους στην αυτοκινητοβιομηχανία
ΣΕ ΚΑΘΕ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ στατική, ή δυναμική, σημαντικότατο ρόλο για την αποτελεσματική και αποδοτική λειτουργία της παίζουν τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν. Κι αν για χιλιάδες χρόνια ο άνθρωπος χρησιμοποιούσε υλικά που έβρισκε έτοιμα ή σχεδόν έτοιμα στη φύση, κατά τη διάρκεια των δύο τελευταίων αιώνων γνώρισαν μεγάλη ανάπτυξη τα «τεχνητά» υλικά. Αυτά δηλαδή που δημιούργησε ο ίδιος, με την επεξεργασία ή το συνδυασμό πρώτων υλών που υπάρχουν στη φύση, μετά από ανάπτυξη της ανάλογης κατασκευαστικής τεχνολογίας.Τα υλικά αυτά αποκτούσαν με τον καιρό όλο και μεγαλύτερη σπουδαιότητα στη βιομηχανία και τις κατασκευές, δημιουργώντας σιγά-σιγά έναν ολόκληρο επιστημονικό κλάδο, αυτόν της δημιουργίας, κατασκευής και βελτίωσης των υλικών. Η συνεργασία με τον κλάδο αυτόν έχει ιδιαίτερη σημασία για ορισμένους τομείς της βιομηχανίας, όπου χρησιμοποιούνται σήμερα σχεδόν αποκλειστικά «τεχνητά» υλικά.
Σχήμα 1: Εξαρτήματα αυτοκινήτου κατασκευασμένα από συνθετικό υλικό, ενισχυμένο με ίνες άνθρακα. Οι άριστες μηχανικές ιδιότητες των ινών άνθρακα, επιτρέπουν τη χρησιμοποίησή τους, όχι μόνο σε δευτερεύοντα μέρη του αμαξώματος για την εξοικονόμηση βάρους, αλλά και για την κατασκευή ακόμη και μηχανικών μερών, όπως άξονες, ελατήρια κ.λπ. Πολύ χρήσιμη μπορεί επίσης να είναι η χρησιμοποίησή τους για την ενίσχυση των προφυλακτήρων, λόγω της υψηλής ικανότητας απορρόφησης ενέργειας κρούσης που διαθέτουν.
Στην κατηγορία αυτή ανήκει κι η αυτοκινητοβιομηχανία. Από τα πρώτα χρόνια της ζωής του αυτοκινήτου, τον κυρίαρχο ρόλο στην κατασκευή του έπαιξε ο χάλυβας, το σπουδαιότερο και πιο διαδεδομένο «τεχνητό» υλικό στις μηχανικές κατασκευές. Σήμερα, η κατασκευή των αυτοκινήτων γίνεται πλέον εξ ολοκλήρου από «τεχνητά» υλικά, αφού ακόμα και στο εσωτερικό τους, το ξύλο και το δέρμα έχουν από χρόνια αντικατασταθεί από τα πλαστικά.
Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών όμως, έχει αρχίσει να συντελείται μια μεγάλη αλλαγή στη βιομηχανία του αυτοκινήτου και των μέσων μεταφοράς γενικότερα, με τη χρησιμοποίηση των λεγόμενων «νέων» υλικών. Οι όλο και αυστηρότερες απαιτήσεις αντοχής, σε συνδυασμό με την ανάγκη για μείωση της κατανάλωσης καυσίμων και τη συνεπαγόμενη ανάγκη για μείωση του βάρους οδήγησαν στη χρησιμοποίηση μιας σειράς νέων «τεχνητών» υλικών, με μεγάλη αντοχή και μικρό βάρος. Υλικών, που η τεχνολογία κατασκευής και διαμόρφωσής τους ήταν στις περισσότερες περιπτώσεις αρκετά πιο πολύπλοκη (και συχνά πιο ενεργοβόρα) από του χάλυβα. Για την εξέλιξη της τεχνολογίας αυτής χρειάστηκαν αρκετά χρόνια και τεράστιες επενδύσεις. Τα νέα αυτά υλικά είναι τα κράματα αλουμινίου και τιτανίου, καθώς και τα συνθετικά υλικά. Η χρησιμοποίησή τους είχε σαν αποτέλεσμα μια αλυσιδωτή σειρά αλλαγών στην τεχνολογία και τις μεθόδους κατασκευής των μεταφορικών μέσων. Πρωτοπόρος στη χρησιμοποίηση των υλικών αυτών ήταν βέβαια ο τομέας της αεροδιαστημικής βιομηχανίας, όπου οι απαιτήσεις αντοχής και ποιότητας κατασκευής είναι αυστηρότερες και με μικρότερα περιθώρια ανοχών και σφαλμάτων. Έτσι, είναι συχνά προτιμότερη η χρησιμοποίηση κάποιου ακριβότερου υλικού, όταν οδηγεί στην απαιτούμενη αύξηση των επιδόσεων και της ασφάλειας. Το γεγονός αυτό επέτρεψε την ανάπτυξη των νέων υλικών και έδωσε τα χρονικά περιθώρια για την εξέλιξη των μεθόδων και τη μείωση του κόστους παραγωγής τους.
Έτσι, έγινε δυνατό να χρησιμοποιηθούν αργότερα και σ' άλλους τομείς, όπου το κόστος είναι εξίσου σημαντικό με την απόδοση της κατασκευής. Με τον καιρό η χρησιμοποίηση των περισσότερων νέων υλικών πέρασε και στην αυτοκινητοβιομηχανία, με τη γνωστή διαδικασία: πρώτα δηλαδή στους αγώνες και βαθμιαία και στ' αυτοκίνητα παραγωγής.
Η διαδικασία αυτή δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί, αφού υπάρχουν υλικά, όπως τα κράματα τιτανίου, που η χρησιμοποίηση τους στο αυτοκίνητο ακόμα και στους αγώνες είναι ασήμαντη, καθώς και άλλα, όπως τα συνθετικά υλικά υψηλής αντοχής, που δεν έχουν περάσει ακόμα στ' αυτοκίνητα παραγωγής. Αυτό όμως δεν είναι παρά θέμα χρόνου, αφού η πορεία για την καθιέρωση των νέων υλικών και στην αυτοκινητοβιομηχανία θεωρείται πλέον ανεπίστρεπτη. Μετά από ένα σχεδόν αιώνα απόλυτης κυριαρχίας, ο χάλυβας αρχίζει βαθμιαία να εκτοπίζεται από τ' αυτοκίνητο, όπως εκτοπίστηκε κι από τ' αεροπλάνο.
Διαφορές στις ιδιότητες και στις χρήσεις
Παρά το γεγονός ότι αναφέρονται γενικά σαν υλικά μηχανοκατασκευής τα νέα υλικά έχουν μεγάλες διαφορές στις φυσικές και χημικές τους ιδιότητες. Κατά συνέπεια διαφέρουν και οι τομείς όπου συμφέρει ή επιβάλλεται η χρησιμοποίηση του καθενός, χωρίς βέβαια αυτό να σημαίνει πως δεν είναι κάποτε ανταγωνιστικά, οπότε το κόστος γίνεται ο σημαντικότερος παράγοντας για την επιλογή.
Σχήμα 2: Οι αγώνες αποτέλεσαν σχεδόν πάντα το «εισαγωγικό σημείο» κάθε νέας τεχνολογίας και κάθε νέου υλικού στον κόσμο του αυτοκινήτου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα των πλεονεκτημάτων, που μπορεί να προσφέρει στα αυτοκίνητα η , χρησιμοποίηση των συνθετικών, είναι το, πολύ πετυχημένο, σασί της φόρμουλα 1 Μακλάρεν, κατασκευασμένο από ίνες άνθρακα και κυψελωτό αλουμίνιο.Το αλουμίνιο και το τιτάνιο, σ' αντίθεση με τ' άλλα μέταλλα, δεν βρίσκονται ποτέ σε καθαρή κατάσταση στη φύση, αλλά με τη μορφή χημικών ενώσεων, συνήθως με οξυγόνο. Για τη μετατροπή των οξειδίων αυτών σε καθαρό μέταλλο και κατόπιν σε κράμα, απαιτούνται αρκετά μεγάλα ποσά ενέργειας κι αυτός είναι ο λόγος που η χρησιμοποίηση τους στάθηκε αδύνατη επί αιώνες. Από την άλλη πλευρά, η κατασκευή των συνθετικών υλικών έγινε κατορθωτή μόνο μετά από μια σειρά σημαντικών ανακαλύψεων κι εξελίξεων στην οργανική χημεία και τη χημεία των πολυμερών. Η αντοχή των υλικών αυτών ο' εφελκυσμό είναι μεγάλη, αν και δεν είναι πάντα μεγάλη η ελαστικότητά τους, σε σχέση με το χάλυβα. Ειδικά για τις ίνες υψηλής αντοχής, όπως οι ίνες άνθρακα και Κέβλαρ, οι ιδιότητες αυτές μπορούν να μεταβάλλονται σημαντικά, ανάλογα με τη μέθοδο κατασκευής τους. Επιπλέον, οι ίνες αυτές χρησιμοποιούνται με τελείως διαφορετικό τρόπο από τα μέταλλα, διασκορπισμένες μέσα σε μια «μήτρα» από άλλο υλικό για την ενίσχυσή της. Γι' αυτό άλλωστε χρησιμοποιείται και ο όρος «συνθετικά υλικά», υπονοώντας μείγματα από δύο τουλάχιστον διαφορετικά συστατικά, καθένα από τα οποία διατηρεί τις ιδιότητές του και μετά την ανάμειξή τους. Τη μεγαλύτερη ελαστικότητα πάντως, παρουσιάζουν οι ίνες άνθρακα, η θραύση των οποίων μετά από εφελκυσμό, επέρχεται χωρίς πλαστική παραμόρφωση, σ' αντίθεση με τους χάλυβες. Σημαντικές διαφορές υπάρχουν επίσης μεταξύ των «νέων» υλικών, όσον αφορά τη θερμική διαστολή τους. Το γεγονός αυτό είναι πολύ σημαντικό και πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπ' όψη σε κάθε κατασκευή, γιατί η συναρμολόγηση από διαφορετικά υλικά, κομματιών που υφίστανται θερμοκρασιακές διαφορές, μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την ανάπτυξη μεγάλων μηχανικών τάσεων και τη μείωση της αντοχής της κατασκευής. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του τιτανίου είναι αρκετά χαμηλός, ο συντελεστής του σιδήρου είναι 1,5 φορά μεγαλύτερος και ο συντελεστής του αλουμινίου 2 φορές μεγαλύτερος από του σιδήρου! Από την πλευρά τους, οι ίνες άνθρακα και Κέβλαρ δεν υφίστανται γενικά μεταβολή των διαστάσεών τους με τη μεταβολή της θερμοκρασίας.
Για να φανεί πόσο σημαντικός είναι ο ρόλος των θερμικών διαστολών σε μια κατασκευή, αρκεί ν' αναφέρουμε ότι το μήκος των 30 περίπου μέτρων του υπερηχητικού αναγνωριστικού αεροσκάφους της Λόκχιντ, SR-71, που είναι κατασκευασμένο σε μεγάλο βαθμό από τιτάνιο, μπορεί ν' αυξηθεί κατά 15-30 εκατοστά όταν το αεροσκάφος κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, λόγω των μεγάλων θερμοκρασιών που αναπτύσσονται. Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο, η χρησιμοποίηση των ινών άνθρακα ή Κέβλαρ, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα μέρη εκείνα της κατασκευής που μας ενδιαφέρει να μην παρουσιάζουν μεταβολές των διαστάσεών τους με τη θερμοκρασία, κάτι που συμβαίνει με κάθε μεταλλική κατασκευή.
ΠηγήΣχήμα 3: Ο ρόλος των θερμικών διαστολών σε μια κατασκευή είναι πολύ σημαντικός. Χαρακτηριστικό παράδειγμα το υπερηχητικό αναγνωριστικό αεροσκάφος SR-71 της Λόκχιντ, κατασκευασμένο σε μεγάλο βαθμό από τιτάνιο. Αν και το μέταλλο αυτό έχει χαμηλό συντελεστή διαστολής, σε σχέση με το χάλυβα και το αλουμίνιο, το μήκος του αεροσκάφους (30 περίπου μέτρα) μπορεί να αυξηθεί κατά 15-30 εκατοστά όταν κινείται με πολύ μεγάλη ταχύτητα, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται από την τριβή με τον αέρα. Η χρησιμοποίηση συνθετικών υλικών με ίνες άνθρακα και Κέβλαρ μπορεί να δώσει μια πολύ καλή λύση στο πρόβλημα των θερμικών διαστολών μιας κατασκευής, αφού τα δύο αυτά υλικά έχουν σχεδόν μηδενικό συντελεστή διαστολής.
Σχήμα 4: Τελική επεξεργασία συνθετικού υλικού από εποξική ρητίνη και ίνες Κέβλαρ, με εκτόξευση νερού με μεγάλη πίεση. Παρά το μικρό βάρος τους και την άριστη αντοχή τους σ εφελκυσμό, οι ίνες Κέβλαρ δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κατασκευή εξαρτημάτων που υφίστανται ισχυρές σύνθετες καταπονήσεις, γιατί η αντοχή τους σε τάσεις συμπίεσης είναι πολύ μικρή, ίση με μόλις 20% της αντοχής τους σ' εφελκυσμό. Ετσι το Κέβλαρ, παρά την αρκετά χαμηλότερη τιμή του, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί αντί για τις ίνες άνθρακα σ' όλες τις εφαρμογές των συνθετικών υλικών στο αυτοκίνητο.
Με βάση αυτές τις παρατηρήσεις, όπως και τις διαφορές που υπάρχουν στο θέμα της αντοχής των διαφόρων υλικών, ανάλογα μάλιστα και με τον τρόπο κατασκευής και χρησιμοποίησής τους, γίνεται φανερό πως δεν υπάρχουν απόλυτες αρχές για την υπεροχή εκείνου ή του άλλου υλικού. Για κάθε συγκεκριμένη κατασκευή πρέπει να επιλέγεται το καταλληλότερο υλικό, που δεν είναι πάντα το ίδιο και γι' αυτόν ακριβώς το λόγο είναι πολύ σημαντικός ο ρόλος των μηχανικών που ασχολούνται με τις εφαρμογές των υλικών. Αυτό είναι σήμερα γενικά αποδεκτό στους κύκλους της αυτοκινητοβιομηχανίας, όπου το κύρος της επιστήμης των υλικών και όσων ασχολούνται μ' αυτήν, αυξάνει ολοένα και περισσότερο.
Απ’ αυτής της πλευράς, οι μηχανικοί της αυτοκινητοβιομηχανίας έχουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα, απέναντι στους συναδέλφους τους της αεροπορικής βιομηχανίας. Έχοντας τη δυνατότητα δημιουργίας ενός μοντέλου σε πολύ μικρότερο χρόνο, δεν χρησιμοποιούν παρά υλικά, που η καταλληλότητα και η απόδοσή τους έχουν ήδη δοκιμασθεί κι αποδειχθεί. Αντίθετα, στην αεροπορική βιομηχανία, ο σχεδιασμός ενός νέου αεροσκάφους (που πρέπει να είναι κατάλληλο για συγκεκριμένη χρήση, με συγκεκριμένο τρόπο και με συγκεκριμένη αντοχή κι επιδόσεις) χρειάζεται πολλά χρόνια στη διάρκεια των οποίων μπορεί να συντελεστεί σημαντική πρόοδος στον τομέα των υλικών. Χρειάζεται λοιπόν να μπορούν οι μηχανικοί να αλλάζουν τις επιλογές τους κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού, σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις, κάτι που κάνει τη δουλειά τους δυσκολότερη απ' αυτή των μηχανικών της αυτοκινητοβιομηχανίας.
Εκείνο που είναι σίγουρο προς το παρόν στην αυτοκινητοβιομηχανία, είναι ότι ο ρόλος του χάλυβα δεν πρόκειται σύντομα να μηδενιστεί, παρ' όλη την ανάγκη για μείωση του βάρους και την αυξανόμενη χρησιμοποίηση των νέων υλικών. Το κόστος παραγωγής του σε συνδυασμό με τις ιδιότητές του και τις πρόσφατες εξελίξεις, (όπως π.χ. η χρησιμοποίηση χαλύβων υψηλής αντοχής, το γαλβάνισμα κ.λπ.) του εξασφαλίζουν αρκετά ακόμα χρόνια χρησιμοποίησης στην αυτοκινητοβιομηχανία, σε συνύπαρξη όμως με τα νέα υλικά, των οποίων ο ρόλος θα γίνεται όλο και πιο σημαντικός. Από τα υλικά αυτά, εκείνα που ήδη χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι τα κράματα αλουμινίου. Υπάρχουν σήμερα μοντέλα παραγωγής με κινητήρες σχεδόν ολόκληρους από αλουμίνιο, ενώ η αλουμινένια κυλινδροκεφαλή αποτελεί πλέον μια κοινοτυπία για τη μεγάλη πλειοψηφία των αυτοκινήτων. Τα κράματα αλουμινίου αντικαθιστούν επίσης συχνά το χάλυβα στις ζάντες (αν και συνήθως όχι στον στάνταρ εξοπλισμό), ενώ κατά καιρούς χρησιμοποιούνται και σε ορισμένα άλλα μηχανικά μέρη, όχι όμως στα αμαξώματα.
Στον αντίποδα βρίσκεται το τιτάνιο, που απουσιάζει τελείως από τ' αυτοκίνητα παραγωγής. Όπως γίνεται συνήθως στην αυτοκινητοβιομηχανία, οι πρώτες εμφανίσεις των κραμάτων τιτανίου έγιναν στους αγώνες, με τη χρησιμοποίηση τους σε στοιχεία αναρτήσεων και συστημάτων μετάδοσης, με τη μορφή ράβδων ή σωλήνων, όπως επίσης και στην κατασκευή βαλβίδων και των ελατηρίων τους. Οι ειδικοί προβλέπουν ότι στα επόμενα 20 χρόνια είναι πιθανό να χρησιμοποιηθεί το τιτάνιο για την κατασκευή βαλβίδων κι ελατηρίων και στους κινητήρες παραγωγής. Τα εξαρτήματα αυτά θα έχουν το 60% του βάρους των αντίστοιχων χαλύβδινων κι επομένως μικρότερη αδράνεια, μειώνοντας και την επίδραση των φαινομένων που οφείλονται σ' αυτή, όπως και την καταπόνηση των εκκεντροφόρων. Οι ίνες άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί ευρύτατα στους αγώνες για την κατασκευή αμαξωμάτων, συχνά σε συνδυασμό με κυψελωτό αλουμίνιο. Εκτός όμως από τ' αμαξώματα, έχουν χρησιμοποιηθεί και για την κατασκευή μηχανικών μερών, ενώ έχει μελετηθεί μέχρι και η κατασκευή ολόκληρου κινητήρα από άνθρακα! Τέλος το Κέβλαρ έχει επίσης χρησιμοποιηθεί στην αυτοκινητοβιομηχανία και κυρίως στους αγώνες, ενώ είναι πιθανή η χρησιμοποίησή του στην κατασκευή ελαστικών (για την ενίσχυση τους, αντί των χαλύβδινων συρμάτων) και στην κατασκευή υλικών τριβής για τα φρένα, αντικαθιστώντας τον αμίαντο.
Αλουμίνιο κατά Τιτανίου
Μια σύγκριση μεταξύ του αλουμινίου και του τιτανίου, όταν μιλάμε για την αυτοκινητοβιομηχανία, ίσως να μη φαίνεται και πολύ ρεαλιστική, με την πρώτη ματιά. Η καριέρα των δύο μετάλλων στο χώρο του αυτοκινήτου, είναι διαμετρικά αντίθετη, με το αλουμίνιο να χρησιμοποιείται ευρύτατα και σε μεγάλες ποσότητες και το τιτάνιο ανύπαρκτο. Είναι χαρακτηριστικό ότι στις ΗΠΑ, πρώτη αυτοκινητοπαραγωγό χώρα του κόσμου, το 8,4% της εθνικής παραγωγής αλουμινίου, δηλαδή γύρω στα 550 εκατομμύρια τόνους το χρόνο, χρησιμοποιείται στην κατασκευή επιβατικών αυτοκινήτων. Το γεγονός όμως ότι το τιτάνιο απουσιάζει σήμερα τελείως από τα επιβατικά αυτοκίνητα, δεν σημαίνει απαραίτητα πως αυτό θα συνεχιστεί και στο μέλλον. Σίγουρα, οι ποσότητες που παράγονται κάθε χρόνο ο' όλο τον κόσμο αποτελούν μικρό κλάσμα των αντίστοιχων ποσοτήτων του αλουμινίου, ενώ η τιμή του είναι ακριβότερη. Ήδη όμως κάποιες δοκιμές έχουν δείξει πως ίσως η χρησιμοποίησή του ν' αποτελεί την καλύτερη δυνατή λύση για την κατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων του αυτοκινήτου. Κάτι που σημαίνει πως η έναρξή της (σε μικρές πάντα ποσότητες) μπορεί να μη βρίσκεται και πολύ μακριά. Αμερικανοί ειδικοί προβλέπουν, πως πιθανότατα μέχρι το 1987 θα υπάρχει τουλάχιστον ένα μοντέλο παραγωγής με βαλβίδες, από τιτάνιο. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασμό και με την ευρύτατη χρησιμοποίηση του τιτανίου στην αεροδιαστημική βιομηχανία, κάνει λοιπόν ενδιαφέρουσα την εξέταση των ιδιοτήτων του και τη διερεύνηση των δυνατοτήτων που υπάρχουν για χρησιμοποίηση του και στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Το τιτάνιο και το αλουμίνιο κυριαρχούν σήμερα στον τομέα των ελαφρών μετάλλων για τεχνολογικές εφαρμογές Υπάρχει μάλιστα μια στενή σχέση μεταξύ τους, αφού το αλουμίνιο αποτελεί ένα από τα βασικότερα συστατικά των κραμάτων του τιτανίου. Βασική διάφορα μεταξύ αυτών (και κάθε μετάλλου) και των συνθετικών υλικών είναι η μορφή με την οποία χρησιμοποιούνται Ενώ δηλαδή τα μέταλλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν με τη μορφή ράβδων, σωλήνων, φύλλων, δίσκων, συρμάτων κάθε είδους, τα συνθετικά χρησιμοποιούνται συνήθως σε δισδιάστατη μορφή. Οπωσδήποτε υπάρχουν επεξεργασίες που μπορούν να δημιουργήσουν σχήματα τριών διαστάσεων από συνθετικά υλικά, αυτό όμως ανεβάζει το κόστος του τελικού προϊόντος σε πολύ υψηλά επίπεδα, σε σχέση με τα μέταλλα. Το βασικό σημείο υπεροχής του τιτάνιου απέναντι στο αλουμίνιο και το χάλυβα είναι η σχέση αντοχής/πυκνότητας Γεγονός που σημαίνει, με απλά λόγια, ότι είναι δυνατή η κατασκευή απ' αυτό εξαρτημάτων ανάλογης αντοχής αλλά ελαφρότερων, απ' ότι αν κατασκευάζονταν από αλουμίνιο ή χάλυβα, ή εξαρτημάτων ανάλογου βάρους αλλά ανθεκτικότερων. Ταυτόχρονα, το τιτάνιο έχει γενικά μεγαλύτερη αντοχή στη διάβρωση από τ άλλα δύο βασικά μεταλλικά υλικά των μηχανοκατασκευών, καθώς και μεγάλη αντοχή στη θερμοκρασία. Ενώ το αλουμίνιο δεν χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές όπου αναπτύσσονται θερμοκρασίες πάνω από 175° Κελσίου (κι ακόμα και οι πιο φουτουριστικές προβλέψεις για τη χρησιμοποίησή του δεν προβλέπουν θερμοκρασίες πάνω από 300-320° Κέλσιου), το τιτάνιο χρησιμοποιείται άνετα σε θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 600° Κελσίου. Αμέσως γίνεται φανερό το ενδιαφέρον που παρουσιάζει η χρησιμοποίηση του για την κατασκευή των βαλβίδων των κινητήρων, έχοντας μικρότερο βάρος από το χάλυβα και μεγαλύτερη αντοχή στις υψηλές θερμοκρασίες από το αλουμίνιο. Δεν πρέπει τέλος να παραλείψουμε ν' αναφέρουμε και την καλύτερη αντοχή σε κόπωση, που παρουσιάζει, σε σχέση με το αλουμίνιο και το χάλυβα. Το γεγονός είναι ότι η τιμή του είναι πολύ υψηλή και οι ποσότητες που υπάρχουν σχετικά μικρές. Έτσι, λαμβάνοντας υπ' όψη τις προόδους που έχουν γίνει, στην επεξεργασία και χρησιμοποίηση των χαλύβων και των κραμάτων αλουμινίου, και τις σχετικά περιορισμένες απαιτήσεις της αυτοκινητοβιομηχανίας, σε σύγκριση με την αεροδιαστημική βιομηχανία, η χρησιμοποίηση τιτανίου κρίνεται στις περισσότερες περιπτώσεις σαν περιττή πολυτέλεια. Όταν κάτι καλύπτει απόλυτα τις ανάγκες σου είναι παράλογο να χρησιμοποιήσεις κάτι καλύτερο αλλά ακριβότερο.
Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι η αυτοκινητοβιομηχανία θα εξακολουθήσει και στο μέλλον να αγνοεί το τιτάνιο. Απλώς η χρησιμοποίησή του θα είναι περιορισμένη, για ορισμένες πολύ ειδικές εφαρμογές, όπως η κατασκευή των βαλβίδων που προαναφέραμε. Έτσι, δεν μπορούμε να πούμε πως το τιτάνιο αποτελεί ή θ αποτελέσει ανταγωνιστή του αλουμινίου, στις κατασκευές εξαρτημάτων του αυτοκινήτου από ελαφρά μέταλλα, αλλά το απαραίτητο συμπλήρωμά του, εκεί που ο χάλυβας πρέπει ν' αντικατασταθεί και τη θέση του δεν μπορεί να πάρει το αλουμίνιο.
Άνθρακας ή Κέβλαρ;
Μετά από χιλιάδες χρόνια χρησιμοποίησης φυσικών υλικών, συντελέστηκε τα τελευταία χρονιά το μεγάλο τεχνολογικό άλμα της κατασκευής τεχνητών υλικών. Τα υλικά που δεν υπάρχουν στη φύση, άλλα κατασκευάζονται από τον άνθρωπο αποτελούν τη νεότερη κατηγορία υλικών για κατασκευές, και την περισσότερα υποσχόμενη. Υπάρχει μια μεγάλη ποικιλία απ’ αυτά, που ανάλογα με τη σύνθεση και τη μέθοδο κατασκευής του καθενός, μπορούν να καλύψουν τελείως διαφορετικές ανάγκες.Τα συνθετικά υλικά είναι ήδη γνωστά στην αυτοκινητοβιομηχανία, που από χρόνια χρησιμοποιεί τα απλουστέρα απ' αυτά, τα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού πλαστικό, για την κατασκευή τμημάτων των αυτοκίνητων παραγωγής αντικαθιστώντας τα μέταλλα. Προς το παρόν όμως, αυτό δεν γίνεται παρά για τμήματα του αυτοκίνητου που δεν υφίστανται ισχυρές μηχανικές καταπονήσεις, αφού τα υλικά αυτά δεν έχουν μεγάλη μηχανική αντοχή Έτσι, τα μέταλλα και κυρίως ο χάλυβας, εξακολουθούν ακόμα να παίζουν τον κυρίαρχο ρόλο στην αυτοκινητοβιομηχανία, κάτι που δεν ευνοεί βέβαια την επιτυχία του στόχου της όσο το δυνατόν μεγαλύτερης μείωσης του βάρους.
Σχήμα 5: Αποψη της διατομής συνθετικού υλικού σε μεγέθυνση, όπου φαίνεται καθαρά η κατανομή των ινών ενίσχυσης. Η «μήτρα» είναι από κράμα αλουμινίου με περιεκτικότητα 2% και η ενίσχυση από ίνες FP. Πρόκειται για μια ανόργανη ίνα από οξείδιο του αλουμινίου, που εξελίχθηκε από την αμερικανική Ντιπόν (Du Pont), στην προσπάθεια να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα του Κέβλαρ. Αν και η εξέλιξή της έγινε για χρησιμοποίηση με μεταλλικές «μήτρες», υπάρχει μεγάλη πιθανότητα χρησιμοποίησής της με «μήτρες» από ρητίνες, σε συνδυασμό με ίνες Κέβλαρ.
Η κατάσταση αυτή αναμένεται ν' αλλάξει στο μέλλον, καθώς η μείωση του κόστους και η βελτίωση των μεθόδων παραγωγής, αναμένεται ότι θα κάνουν δυνατή τη χρησιμοποίηση στ' αυτοκίνητα μαζικής παραγωγής, μιας κατηγορίας υλικών που έχουν ήδη αποδείξει την αξία τους στην αεροδιαστημική βιομηχανία και στα αγωνιστικά αυτοκίνητα. Πρόκειται για τα συνθετικά υλικά υψηλής αντοχής, δηλαδή τα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα ή Κέβλαρ.
Στη συνηθέστερη μορφή τους, τα υλικά αυτά αποτελούνται από μια «μήτρα» από εποξική ή πολυεστερική ρητίνη ενισχυμένη με τις ίνες άνθρακα ή Κέβλαρ, χωρίς βέβαια ν' αποκλείονται και άλλες, πιο προωθημένες λύσεις, σαν το σασί της φόρμουλα 1 της Μακλαρεν, που είναι κατασκευασμένο από κυψελωτό αλουμίνιο και ίνες άνθρακα. Το σημαντικότερο πλεονεκτημάτων συνθετικών υλικών απέναντι στα μέταλλα, είναι ίσως η δυνατότητα των κατασκευαστών τους να τους δίνουν συγκεκριμένες ιδιότητες, ανάλογα με την τοποθέτηση και τον προσανατολισμό των ινών ενίσχυσης. Έτσι είναι δυνατή η κατασκευή υλικών που να παρουσιάζουν αυξημένη μηχανική αντοχή προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Αυτό εξηγεί και την επιτυχία της χρησιμοποίησής τους στα αεροσκάφη και τ αυτοκίνητα σε πολλά τμήματα των οποίων, αναπτύσσονται μηχανικές τάσεις προσανατολισμένες προς μια κατεύθυνση Αυτό φυσικά δεν σημαίνει πως δεν είναι δυνατή η κατασκευή συνθετικών υλικών, με «πολυκατευθυντικές» ιδιότητες, κάτι που επιτυγχάνεται με τη διασταυρωμένη τοποθέτηση των ινών ενίσχυσης, προς διάφορες κατευθύνσεις.
Με τη χρησιμοποίηση ινών άνθρακα, είναι δυνατή η κατασκευή υλικών, με τεράστια αντοχή σ εφελκυσμό και πυκνότητα ίση με το μισό του αλουμινίου η το ένα έκτο του χάλυβα. Τα πιο προηγμένα συνθετικά υλικά με ίνες άνθρακα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή τμημάτων που απαιτείται να έχουν μεγάλη ακαμψία ή αντοχή σε δυνάμεις συμπίεσης. Εδώ βρίσκεται και μια μεγάλη διαφορά τους με το Κέβλαρ, που έχει μια εξαιρετική αντοχή στις τάσεις εφελκυσμού, αλλά και πολύ ελαττωμένη αντοχή στις τάσεις, συμπίεσης. Με την εφαρμογή ενός φορτίου συμπίεσης, ίσου με το 20% μόλις της αντοχής του Κέβλαρ σ εφελκυσμό, αρχίζει να εμφανίζεται πλαστική παραμόρφωση. Γι' αυτόν ακριβώς το λόγο, το Κέβλαρ δεν χρησιμοποιείται π.χ. στην κατασκευή συστημάτων προσγείωσης αεροσκαφών, όπου αναπτύσσονται ισχυρότατες τάσεις συμπίεσης. Το κόστος εφαρμογής των συνθετικών υλικών υψηλής αντοχής στο αυτοκίνητο είναι προς το παρόν μεγάλο, γι' αυτό και η χρησιμοποίηση τους θα είναι σταδιακή. Θεωρείται πάντως πολύ πιθανό ότι στο μέλλον θα κατασκευάζονται από συνθετικά υλικά όχι μόνο μέρη του αμαξώματος, αλλά ακόμα και μηχανικά μέρη κι εξαρτήματα του κινητήρα.
Έτσι, δεν είναι απίθανο π.χ. να δούμε σύντομα ελατήρια αναρτήσεων από ίνες άνθρακα, ενώ από την πλευρά του το Κέβλαρ παρουσιάζει όπως προαναφέραμε, αρκετά πλεονεκτήματα, στη χρησιμοποίησή του σαν υλικό τριβής των φρένων. Και τα δύο υλικά μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν, στην κατασκευή προφυλακτήρων, για την απορρόφηση ενέργειας στις συγκρούσεις, γιατί οι ίνες τους μπορεί να παραμορφώνονται, αλλά καταστρέφονται δυσκολότερα από τη δομή του χάλυβα. Γιατί όμως θα σκεφτόταν κανείς να χρησιμοποιήσει το Κέβλαρ, τη στιγμή που παρουσιάζει το μειονέκτημα της μικρής αντοχής σε συμπίεση, ενώ μπορεί σε κάθε περίπτωση να καλύψει τις ανάγκες του με τις ίνες άνθρακα; Απλούστατα, είναι θέμα κόστους. Αν το Κέλβαρ είναι 4-5 φορές ακριβότερο από το «φάιμπερ γκλας», στη βάση της τιμής ανά κιλό, οι ίνες άνθρακα είναι 20-40 φορές ακριβότερες. Κι επειδή τα συνθετικά υλικά είναι ήδη ακριβά, σε σχέση με τα μέταλλα, είναι ευνόητο ότι η χρησιμοποίηση των ακριβότερων απ' αυτά δημιουργεί ακόμα μεγαλύτερο πρόβλημα κόστους. Επίσης, το Κέβλαρ έχει μικρότερη πυκνότητα από τις ίνες άνθρακα, γεγονός που σημαίνει ότι η χρησιμοποίηση του μπορεί να οδηγήσει σε ακόμα σημαντικότερη μείωση του βάρους.
Το μικρότερο λοιπόν κόστος και πυκνότητά του, όπως και η πετυχημένη καριέρα του στην αεροπορία, ενισχύουν την άποψη ότι το Κέβλαρ θα χρησιμοποιηθεί αρκετά από την αυτοκινητοβιομηχανία στο μέλλον. Χαρακτηριστικό είναι ότι οι κατασκευαστές του στην Αμερική, θεωρούν σαν ρεαλιστικό στόχο την ύπαρξη 27 περίπου κιλών Κέβλαρ σε κάθε (αμερικάνικο) αυτοκίνητο, στα χρόνια που έρχονται. Από την άλλη πλευρά, η πολύ καλύτερη αντοχή των ινών άνθρακα στα φορτία συμπίεσης, θα έχει σαν αποτέλεσμα τη χρησσιμοποίησή τους αντί του Κέβλαρ, σε σημεία του αυτοκινήτου με περισσότερο σύνθετες καταπονήσεις, όπως και στην κατασκευή μηχανικών μερών.
Και σ' αυτήν την περίπτωση μπορούμε να πούμε λοιπόν, πως, αν και υπάρχουν χρήσεις όπου το Κέβλαρ και οι ίνες άνθρακα παρουσιάζονται σαν ανταγωνιστικά, στην πράξη το κάθε υλικό παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε συγκεκριμένες χρήσεις, λαμβάνοντας υπ' όψη όλες τις παραμέτρους που ενδιαφέρουν την αυτοκινητοβιομηχανία. Είναι πολύ πιθανό λοιπόν να συνυπάρξουν και τα δύο μελλοντικά στο αυτοκίνητο, μαζί με τα μέταλλα και τα απλά κι ενισχυμένα πλαστικά. Το τελικό συμπέρασμα που βγαίνει απ' όλα αυτά, είναι ότι δεν υπάρχει υλικό που ν' αποτελεί πανάκεια για την αυτοκινητοβιομηχανία. Κι όσο εξελίσσεται η τεχνολογία, τα πράγματα δεν γίνονται ευκολότερα αλλά πιο πολύπλοκα, αφού από μια μεγάλη ποικιλία υλικών, πρέπει να διαλέγει κανείς το καλύτερο για κάθε χρήση. Άλλωστε τα προϊόντα της αυτοκινητοβιομηχανίας γίνονται όλο και πιο πολύπλοκα κι αυτό δικαιολογεί τη διαφοροποίηση στην επιλογή των υλικών για κάθε τμήμα τους. Το αποτέλεσμα είναι φυσικά η κατασκευή όλο και καλύτερων αυτοκινήτων, αφού η επιλογή της καλύτερης λύσης για κάθε κομμάτι, σημαίνει σημαντική βελτίωση του συνόλου. Προς όφελος πάντα του καταναλωτή, που η ικανοποίηση των αναγκών του, κατά τον καλύτερο δυνατό τρόπο, κάνει όλο και πιο δύσκολη τη ζωή των μηχανικών.
