نانوتکنولوژی وصنعت خودرو
ساعت ٦:۳٤ ‎ب.ظ روز ۱۳۸٧/۳/۳٠ 

 

 

 بررسی جایگاه نانوتکنولوژی در صنعت خودرو 

 

.

نانوتکنولوژی و صنعت خودرو

صنعت خودرو از بزرگ‌ترین صنایع جهان و در کشور ما نیز از اهمیت خاصی برخوردار است، بنابراین توجه به فناوری‌های جدید نظیر نانوتکنولوژی، در این صنعت، ضروری است.

نانوتکنولوژی به عنوان انقلاب صنعتی قرن آینده، تأثیر فراوانی بر صنایع گوناگون خواهد داشت. یکی از چشم‌اندازهای امیدوارکننده این فناوری پیشرفته، تحول در صنعت خودروسازی می‌باشد.

یکی از اصلی‌ترین موضوعات نانوتکنولوژی، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده بسیار بالا و کارایی بالاتری در تمام صنایع خواهند داشت و صنعت خودرو نیز از آن مستثنی نیست.

ساخت بدنه‌های سبک‌تر و مقاوم‌تر برای خودرو، ساخت لاستیک‌هایی با مقاومت سایشی بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چندبرابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتری‌هایی با انرژی بالا و دوام بیشتر، نانوساختارهایی مبتنی‌بر کربن به عنوان سوپر اسفنج هیدروژنی در خودروهای پیل‌سوختی، ساخت حسگرهای چند منظوره برای کنترل فرایندهای مختلف در خودرو، ساخت کاتالیزورهای اگزوز خودرو برای کاهش آلودگی هوا، لایه‌های محکم با خصوصیات ویژه‌ای نظیر الکتروکرومیک (رنگ‌پذیری الکتریکی) یا خودپاک‌کنندگی برای استفاده در شیشه‌ها و آینه‌های خودرو، سازگار کردن خودرو با محیط زیست و بسیاری از موارد دیگر از جمله کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت خودرو می‌باشد. همچنین جایگزینی کربن سیاه (Carbon Black) تایرها با ذرات رس و پلیمرهای نانومتری، فناوری جدیدی است که تایرهای سازگار با محیط‌زیست و مقاوم در برابر ساییدگی را به ارمغان می‌آورد.

تأثیر مثبت نانوتکنولوژی در افزایش کارایی موتورهای احتراق داخلی، حائز اهمیت است. این موتورها حدود 15درصد از انرژی ذخیره شده در بنزین را به نیروی محرکه تبدیل کنند. از دیگر سو وزن متوسط خودروهای امروزی، حدود 1500 کیلوگرم است. با استفاده از نانوتکنولوژی می‌توان بازده را تا 5 برابر افزایش و وزن وسایل نقلیه را 10 برابر کاهش داد. وسایل نقلیه با استفاده از فناوری نانو 50درصد بهبود کارایی خواهند داشت.

کل درآمد صنایع خودروسازی از یک تریلیون دلار فراتر می‌رود (مثلاً فروش شرکت جنرال‌موتورز که حدود 1/15درصد از بازار 2001 را در دست داشت، 3/177 میلیارد دلار بود).

الگوهای خرید وسایل نقلیه جدید، تابع اقتصاد جهانی است. در شرایط رکود فعلی، عواملی اقتصادی نظیر مصرف اندک سوخت و سوخت‌های جایگزین اهمیت فزاینده‌ای دارد. تولیدکنندگان خودرو و صنعت حمل و نقل با افزایش میزان تولید در سطح جهانی و کاهش سود و قدرت تصمیم‌گیری خریداران، بیش از همیشه خواهان اصلاحاتی در محصول و فرایند تولید هستند.

خصوصیات ویژه صنعت خودرو، آن را به بازاری مستعد برای ورود نانوتکنولوژی تبدیل کرده است. این بازار بسیار بزرگ است و با پیشرفت زمان، قابلیت مناسبی برای توسعه و ایجاد محصولات جدید دارد.

صنعت خودرو از سویی در معرض فشارهای ناشی از قیمت سوخت و مسائل ایمنی می‌باشد و از سوی دیگر به شدت تحت تأثیر سلایق و تنوع درخواست‌های مشتریان برای مدل‌های جدید خودرو می‌باشد. تمایل ورود فناوری‌های نوین در صنعت خودرو، زیاد است. خودرو نظیر البسه برای بسیاری از افراد صرفاً کالای ضروری نیست بلکه وسیله‌ای برای ابراز شأن، منزلت و سبک زندگی به شمار می‌رود. صنعت خودرو به دلایلی که ذکر شد از صنایعی است که آماده ورود فناوری‌های نوین و نوگرایی در آنها مطرح است. برای مثال پوشش‌های پنجره الکتروکرومیک، می‌توانند به صورت دلخواه یا خودکار شیشه‌ها را تیره کنند. این یکی از کاربردهای بالقوه نانوتکنولوژی است که احتمالاً پیش از نفوذ به دیگر بازارها همچون صنعت ساختمان در ساخت خودروهای پیشرفته جایگاه خاصی دارد.

کاربردهای نانوتکنولوژی در صنعت خودرو

نانوتکنولوژی کاربردهای بسیاری در صنعت خودرو دارد که در اینجا به چند دسته از آن اشاره می‌شود:

مواد ساختاری و پوشش‌ها

نانوکامپوزیت‌ها در صنعت‏خودرو، اهمیت زیادی دارند و صنعت حمل و نقل، اصلی‌ترین نانوکامپوزیت‌ها می‌باشد.

الف- نانوکامپوزیت‌های پلیمری

نیاز روزافزون به سوخت در عرصه حمل و نقل، تقاضا برای استفاده از مواد جدید سبک‌وزن مانند پلاستیک را که بتواند جایگزین فلز شود، افزایش داده است. جنس مرغوب این پلاستیک‌ها، گران‌قیمت است. نانوکامپوزیت‌ها، دسته جدیدی از مواد هستند که شامل پلیمرهای قدیمی تقویت شده با ذرات نانومتری می‌باشند. نانوکامپوزیت‌ها دسته‌ای از پلاستیک‌های انباشته از مواد معدنی هستند که شامل مقدار کمی (کمتر از 10درصد) از ذرات ریز نانومقیاس (اغلب خاک رس)[1] می‌باشند. این مواد به آسانی به صورت اکسترود یا قالب به شکل نهایی در می‌آیند، اما دارای همان استحکام و قدرت فلز هستند و از آن سبک‌ترند.

 

 

شرکت تویوتا در اوایل سال 1990، از نانوکامپوزیت‌ها برای پوشش کمربند ایمنی خودرو استفاده کرد. شرکت میتسوبیشی نیز از نانوکامپوزیت‌ها برای قسمت‌های روکش موتور استفاده کرد. پس از آن شرکت‌های جنرال‌موتورز، فورد و ولوو نیز فعالیت خود را در این زمینه آغاز کردند.

تقاضای نانوکامپوزیت‌ها برای دهه آینده، حدود 1 میلیارد پوند خواهد بود در حال حاضر بازار جهانی نانوکامپوزیت‌ها حدود 3 میلیون پوند در سال است و 2 میلیون پوند آن نایلون تقویت شده برای ذرات نانومقیاس خاک‌رس می‌باشد که برای خودرو و صنایع بسته‌بندی استفاده می‌شود و محصول شرکت‌های Ube و Unitika در ژاپن است. یک میلیون پوند دیگر آلیاژ PPO/nylon است که از نانو لوله‌های کربن پر شده و در امریکای شمالی برای بدنه خودرو ساخته شده است.

بازار نانوکامپوزیت‌ها در سال 2009 به 2/1 میلیارد پوند خواهد رسید و از این مقدار، 1 میلیارد پوند متعلق به ترکیبات تقویت شده توسط نانوذرات خاک‌رس است. 160 میلیون پوند به محصولاتی اختصاص دارد که از نانولوله‌های کربنی پر شده است.

نانوکامپوزیت‌هایی که کمتر از 5درصد وزن خود از پرکننده‌های معدنی یا نانولوله کربنی تشکیل می‌شوند ساختار منحصر به‌فردی دارند.

یکی از ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها، شفافیت آنهاست. اندازه نانوذراتی که در این کامپوزیت‌ها دیسپرس می‌شوند کوچکتر از طول موج نور مرئی است پلیمرهای تقویت شده، شفاف باقی می‌مانند. این ویژگی آنها را بسیار کارا می‌کند.

ویژگی‌های نانوکامپوزیت‌ها عبارتند از:

  • استحکام و سختی زیاد تا اندازه‌ای که با فلزات برابری می‌کنند اما با وزن کمتر
  • قابلیت پیشگیری از نشت گاز و مایعات
  • درجه اعوجاج گرمایی (HDT)[2] بالا
  • رسانایی الکتریکی
  • خاصیت ضد احتراقی (آتشگیر بودن پلاستیک‌ها)
  • پایداری ابعادی
  • قابلیت بازیافت
  • مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی، حرارت و...

نایلون 6، اولین پلیمری بود که شرکت تویوتا از آن برای توسعه نانوکامپوزیت‌ها استفاده کرد. امروزه از آن در ترکیبات مختلف نظیر: PP[3]، PET[4]، PVC[5]، آکریلیک و گروهی از الاستومرها مشابه ترموست‌های معمول، استفاده می‌شود.

در سال 1999 بیش از 70 شرکت، آژانس‌های دولتی و انستیتوهای علمی شناسایی شدند که در زمینه نانوکامپوزیت‌ها، تحقیق و توسعه داشتند. در حال حاضر، تعدادی اندکی از این فعالیت‌ها تجاری شده‌اند و از آن جمله می‌توان به تعدادی از تهیه‌کنندگان پرکننده‌های نانویی نظیر ذرات رس نانولوله‌های کربنی و شرکت‌هایی اشاره کرد که مواد نانوکامپوزیتی عرضه کرده‌اند. (شرکت‌های Unitika, Ube, RTP, Bayer).

در 10 سال آینده، ساخت نانوکامپوزیت‌های مبتنی‌بر خاک رس با استفاده از 20 پلیمر به صورت تجاری درمی‌آید. این نوع کامپوزیت‌ها به‌تازگی دو کاربرد تجاری پیدا کرده‌اند:

1.       در ترکیبات زیرین کاپوت خودرو (Under hood)

2.       در بسته‌بندی‌های مواد غذایی

نانوکامپوزیت‌ها از گروه وسیعی از پلیمرها، تشکیل شده‌اند(جدول 1). نانوذرات مصرفی در این ترکیبات، خاک‌رس است.

این ذرات، توسط شرکت Southern Clay Products و Nanocor تهیه می‌شوند. نانومواد جدیدی نیز در این نانوکامپوزیت‌ها استفاده می‌شود و کارایی آنها را افزایش می‌دهد، از جمله این نانومواد می‌توان به نانوساختارهای اکسید سیلیسیوم (Silica)، نانولوله‌های کربنی و نانوفیبرهای سرامیکی اشاره کرد.

استفاده از نانوکامپوزیت‌های PP و TPO در قسمت آبکاری بدنه خارجی خودرو در آینده نزدیک، آغاز خواهد شد. داده‌های Nanocor رشد 98درصدی از لحاظ استحکام و افزایش درجه اعوجاج گرمایی به میزان 52درجه فارنهایت را برای Nano PP نشان می‌دهد. در سال 2004، 30درصد از Nano PP در خودرو، استفاده خواهد شد.

نانوکامپوزیت‌ها مانع از انتشار بنزین، متانول و سایر حلال‌های ارگانیکی می‌شوند. شرکت Ube امریکا در حال توسعه نانوکامپوزیت‌هایی برای پیشگیری از نشت این مواد، در سیستم‌های سوختی خودرو می‌باشد (حدود 5درصد از نانوذرات رس را در مخلوط نایلون 6 و 66/6 به کار برده است). نایلون 6 با 2درصد نانوذرات رس، پنج برابر بیشتر از نایلون 6 معمولی در برابر نشت (نفوذ) بنزین مقاومت می‌کند.

تغییر انقلابی دیگر در استفاده از کامپوزیت‌ها در خودرو، ورود کامپوزیت‌های مبتنی‌بر نانولوله‌های کربنی خواهد بود که قدرتی بسیار بیشتر از نانوکامپوزیت‌های سیلیکاتی داشته باشند.

پیش‌بینی می‌شود که دسته‌های کم قطر نانولوله‌های تک لایه کربنی، بیشترین نسبت استحکام به وزن را نشان دهند و استحکام آنها یکصد برابر استحکام فولاد باشد اما وزنی معادل یک ششم وزن فولاد، داشته باشد. با توسعه این مواد، فرصت‌های ارزشمندی برای کاهش وزن خودروها و میزان سوخت مصرفی فراهم می‌شود.

خاصیت مهمی که برای نانولوله‌های کربنی ذکر شده است رسانایی الکتریکی آنهاست.

با توجه به این ویژگی و کاربرد آنها در بدنه خودرو و سایر قسمت‌ها می‌توان از روش رنگ الکترواستاتیکی برای رنگ کردن خودرو استفاده کرد.

ب- نانوکامپوزیت‌های فلزی

استفاده از نانوبلورهای فلزی به صورت ترکیبات ساختاری حجیم (Bulk) در صنعت خودرو مزایای فراوانی دارد و استفاده از نانوبلورهای فلزی در بدنه خودروها با نانوکامپوزیت‌های جدید، رقابت مطلوبی دارد. نانوبلورهای فولاد، مزایای زیادی در ارتقای درجه استحکام ایجاد می‌کنند و شرکت تویوتا از آنها در خودروهای خود استفاده می‌کند.

نانوبلورهای فولاد نسبت استحکام به وزن را به نحو قابل ملاحظه‌ای بهبود می‌دهند. این مسئله از افول صنعت فولاد و جایگزینی آن توسط کامپوزیت‌های پلیمری پیشگیری می‌کند. نانوبلورهای فلزی در قسمت‏های مختلف خودرو نظیر موتور باعث استحکام و سختی می‌شوند.

سرامیک ها از لحاظ سختی، رقیب این مواد هستند، اما بسیار شکننده‌اند. نانوبلورهای سرامیکی بسیار با دوامند و قادرند ترکیباتی را که نیاز به سختی، مقاومت فرسایش و اعوجاج گرمایی بالا دارند، ارتقا دهند.

افزودن نانوذرات اکسید آلومینیم به آلومینیم باعث می‌شود که مقاومت آن در برابر ساییدگی همانند بهترین یاتاقان‌های فولادی باشد.

ج- رنگ و پوشش

استفاده از نانوتکنولوژی در رنگ باعث افزایش کیفیت رنگ و کاهش مصرف آن می‌شود. نکته مهم در این زمینه، جاذبه رنگ برای جلب توجه محصول است. مثالی وجود دارد که می‌گوید "The color sails your products" «رنگ، باعث فروش تولیدات شما می‌شود».

رنگ برای جلب توجه مشتری، عاملی مهم به‌شمار می‌رود. استفاده از رنگ‌های مقاوم در برابر نور خورشید و مقاوم در برابر ساییدگی به همراه خاصیت صیقلی بالا (جلای زیادی) در خودرو ضروری می‌باشد.

نانوتکنولوژی به دو صورت به این بخش کمک می‌کند:

1.       در انتخاب مواد مناسب در رنگ

2.       در روش‌های بهینه رنگ کردن

نانوذرات با اندازه‌های مختلف، نورهایی با فرکانس‌های متفاوت ساطع می‌کنند و برای تولید رنگ‌های گوناگون استفاده می‌شوند.

یکی از کاربردهای جالب توجه استفاده از نانولوله‌های کربنی در رنگ است. فیبریل‌ها ساختارهای ویژه‌ای هستند که از نانولوله‌های کربنی ساخته می‌شوند (استوانه‌هایی متشکل از 8 لایه گرافیتی که از فاز بخار به عمل می‌آیند و خاصیت رسانایی بالایی دارند).

فیبریل‌ها از لحاظ شکل ظاهر، مشابه رشته‌های ماکارونی در ابعاد میکروسکوپی هستند. قطر خارجی آنها 10 نانومتر، قطر داخلی 5 نانومتر و طول آنها از 1 تا 10 میکرون، متغیر است.

کاربرد فیبریل‌ها در رنگ، باعث رسانایی آن می‌شود و می‌توان از آن برای رنگ خودرو به طریق قطره‌های باردار استفاده کرد (روش رنگ الکترواستاتیکی). در این روش، رنگ و قسمت‌هایی را باردار می‌کنند که قرار است رنگ شوند. جاذبه الکتریکی که بین آن دو ایجاد می‌شود باعث جذب رنگ در آن قسمت خواهد شد، بنابراین کارایی رنگ، به لحاظ کیفیت و کمیت (میزان رنگ مصرفی) ارتقا می‌یابد. رنگ به‌طور دقیق بر سطح مورد نظر می‌نشیند و از پراکنده شدن آن پیشگیری می‌شود. در نتیجه کارایی آن بالا می‌رود و سریع، تمیز و مقرون به‌صرفه خواهد شد. این روش باعث کاهش انتشارات سمی VOC[6] نیز می‌شود. نمودار شماره 1 بیانگر کارایی این روش است.

 

کارایی رنگ الکترواستاتیکی، چهار برابر بیشتر از رنگ به روش اسپرت است. 80درصد از رنگ در روش الکترواستاتیکی بر روی قسمت مورد نظر می‌نشیند اما این مقدار در روش‌های معمول 20درصد است.

فناوری پوشش‌دهی مبتنی‌بر نانوتکنولوژی، چه از طریق فرایندهای سل- ژل و چه روش‌های نانوذره‌ای کاربردهایی را ارائه می‌دهند که در صنعت خودرو، جذابیت تجاری خاصی دارند. در زمینه پنجره‌های فتوکرومیک و الکترومیک (یعنی پنجره‌هایی که به ترتیب تحت تأثیر نور و الکتریسیته تغییر رنگ می‌دهند) تحقیقاتی انجام شده است و با تعداد زیادی از روش‌های مبتنی‌بر نانوذرات و فرایند سل- ژل می‌توان آنها را تولید کرد.

پوشش‌های سرامیکی نانوذرات موجب پایداری حرارتی و مقاومت به فرسایش در قطعات موتور می‌شود.

پوشش‌های مبتنی بر نانوذرات، پتانسیلی به عنوان مواد خود پاک‌کننده از خود نشان داده‌اند. (شرکت BMW به همراه شرکت Creavis در این زمینه فعال هستند).

حسگر

به‌کارگیری فناوری حسگر در صنعت خودروسازی، برای نظارت و کنترل موتور، توسعه یافته است. مشهورترین حسگر خودرو، شتاب‌سنج مبتنی‌بر MEMS است که ماشه (Trigger) کیسه‌های هوا را هنگام تصادف می‌کشد.

میکرو سیستم‌های سیلیکونی به عنوان جزئی کلیدی در سیستم خودروها مطرح هستند. کاربرد این ابزار عبارت است از حسگرهای کنترل فشار باد در تایر، شتاب‌سنج ها برای شناخت نقاط خطرآفرین و ژیروسکوپ‌ها (حسگرهای زاویه‌ای) برای تشخیص نقاطی که احتمال چپ شدن خودرو را به وجود می‌آورند و پیشگیری از ایجاد خط ترمز در لاستیک.

وزارت حمل و نقل امریکا به مواد و حسگرهای نانوساختاری برای زیرساخت‌های فیزیکی حمل و نقل، علاقه‌مند است.

مبدل‌های کاتالیستی و فیلترها

نانوذرات و مواد نانوحفره‌ای قابلیت بالایی را در کاتالیست‌ها ارائه می‌کنند. استفاده از نانوذرات، در مبدل‌های کاتالیستی مزایایی دارند که در هر راکتور کاتالیستی دیگر سطح ویژه و سرعت واکنش را افزایش می‌دهند. شرکت‌هایی همچون NanoPhase برای توسه چنین مصارفی، نانوذراتی با قطر تقریبی nm10 تهیه می‌کنند.

انتشار ذرات از وسایل نقلیه دیزلی، در زمینه فیلتراسیون موجب نگرانی خاصی شده است و در توسعه فناوری‌های نوین فیلتراسیون تأثیرگذار است.

نیرو

عمده تأثیرات بالقوه نانوتکنولوژی در تأمین نیروی خودروها و دیگر اشکال حمل و نقل است و به صورت دو فناوری باتری و پیل سوختی، ظاهر می‌شود.

علت عمده گرایش فناوری‌های جدید در تأمین نیروی محرکه خودروها تمایل به کاهش انتشار آلاینده ها در شهرهای بزرگ است که آلودگی خودروها مسائل فزاینده‌ای را ایجاد کرده است.

تلاش برای ساخت خودروهای تجاری متکی بر نیرو الکتریکی باتری‌ها به دهه‌های پیش مربوط است. خودروهای تلفیقی الکتریسیته و احتراق داخلی نیز به‌تازگی به موفقیت‌های تجاری دست یافته‌اند.

مشکل نیروی باتری از آنجا ناشی می‌شود که این فناوری در مقابل بهبود توان بر واحد وزن (دانسیته توان) یا سرعت شارژ و تخلیه، مقاومت می‌کند. نانوتکنولوژی، نویدبخش پیشرفت در این زمینه است.

تحقیق در زمینه استفاده از نانوذرات در باتری‌ها به نمونه‌های نخستین (Prototype) باتری لیتیم با سرعت شارژ و تخلیه‌ای 100 برابر بیشتر از انواع تجاری موجود، انجامیده است (شرکت سوئیسی Xoliox که هم‌اکنون مالک Ntera است، چنین ادعایی برای ساخت باتری‌هایی با نانوذرات ساخته شده توسط Altair Nanotechnologies مطرح کرده است).

تحقیقات اخیر استفاده از نانولوله‌های کربنی را در باتری‌ها پیشنهاد می‌کند که قادر است ظرفیت باتری را دو برابر کند. اگرچه پیشرفت فناوری باتری موجب افزایش بالقوه راه‌یابی خودروهای الکتریکی به بازار می‌شود، غلبه بر کارایی موتورهای احتراق داخلی برای آنها سخت خواهد بود و مطمئناً خودروهای شارژ شونده از منابع الکتریسیته مرکزی به نحو ناامیدکننده‌ای ناکارا خواهند بود. در سیستم‌های ترکیبی که موتور، الکتریسیته لازم را برای شارژ باتری فراهم می‌کند ترقی بسیار بیشتری وجود خواهد داشت.

بسیاری از افراد، تنها راه کاهش تصاعدی انتشار آلاینده‌ها را در پیل‌های سوختی می‌جویند. سوخت بالقوه پیل‌های سوختی برای وسائل نقلیه موتوری، هیدروژن (به دلیل تولید آب ایده‌آل است) و هیدروکربن‌هایی چون متان است. در مورد مقدار هیدروژنی که نانولوله‌های کربنی قادر به جایدهی هستند، بحث‌های زیادی وجود دارد، اما پژوهش در این زمینه ادامه دارد. آزمون استفاده از نانولوله‌ها برای ذخیره هیدروژن به یک یا دو سال زمان، نیاز دارد تا نمونه‌های کیفی آن برای تحقیق در دسترس قرار گیرند. اگر توانایی نانولوله‌های کربنی برای ذخیره‌سازی هیدروژن و همچنین صرفه اقتصادی این نوع پیل‌ها اثبات شود، ساخت شبکه ملی توزیع هیدروژن مطرح خواهد شد و این امر، مسئله کوچکی نیست. وزارت انرژی امریکا، ظرفیت 5/6درصد وزنی را به عنوان هدفی برای عملی شدن استفاده از پیل سوختی مبتنی‌بر هیدروژن در وسایل نقلیه تعیین کرده است. برخی از محققان ادعای بیشتری نیز دارند.

صفحات نمایشگر

صفحات نمایشگر مسطح- با تکیه بر نانولوله‌های کربنی که به عنوان قطعات نشر میدانی کار می‌کنند (FEDs)- قطعاً به عنوان صفحات نمایشگر وضعیت خودرو کاربرد دارند. برای مثال شرکت Audi، صفحه نمایشگر مسطحی را ارزیابی کرده است که مبتنی‌بر FED و ساخت شرکت Pixtech می‌باشد.

نتیجه‌گیری

نانوتکنولوژی تأثیر زیادی بر بخش‌های مختلف خودرو خواهد داشت. از جمله رنگ، شیشه، بدنه، لاستیک، پیل سوختی و... .

در ایران با وجود منابع غنی معدنی و مخازن عظیم نفتی باید انگیزه بیشتری برای دستیابی به فناوری وجود داشته باشد. تأثیر نانوتکنولوژی بر ارتقای کیفیت مواد به‌کار رفته در قسمت‌های مختلف خودرو و خصوصیات ویژه آن مواد، مهمترین مقوله‌ای است که باید به آن توجه کرد. تأثیر بسزایی که نانوتکنولوژی بر محیط زیست می‌گذارد نیز قابل توجه است. مواد اولیه مورد نیاز برای هر صنعت، نقش مهمی در کیفیت، قیمت و قابلیت‌های محصول آن صنعت دارد. اگر بتوان از موادی با کیفیت بهتر، قیمت کمتر و کارایی بیشتر در ساخت قطعات خودرو استفاده کرد، خودروهای آینده علاوه‌بر آلودگی کمتر، از قیمت مناسب و قابلیت‌های بیشتر برخوردار خواهند بود.

 


 

 

 

 ورق‌های آلومینیم در خودرو 

 

استفاده از آلومینیم در قطعات خودرو به سرعت روبه گسترش است. استفاده از ورق‌های آلومینیمی در ساخت قطعات بدنه خودرو در سال‌های اخیر، مورد توجه قرار گرفته است و شرکت‌های خودروسازی، در سراسر دنیا از مزایای متعدد استفاده از آلومینیم، برخوردارند. مهمترین مزیت استفاده از آلومینیم، کاهش وزن خودرو است. یکی از نکات اساسی در استفاده از ورق‌های آلومینیمی، نحوه فرمینگ و تفاوت آن با فرمینگ ورق‌های فولادی می‌باشد. در این مقاله، نکاتی در مورد فرمینگ ورق‌های آلومینیمی ارائه می‌شود.

مقدمه

تجهیزات فرمینگ ورق‌های فولادی برای فرمینگ ورق‌های آلیاژهای آلومینیم نیز استفاده می‌شود. میزان تناژ پرس مورد نیاز، در مورد ورق‌های آلومینیم، کمتر است، اما فرمینگ ورق‌های آلومینیم به دلیل فرم‌پذیری پایین‌تر، میزان Spring back بیشتر و حساسیت‌های سطحی هنگام تماس با سطح قالب به توجه بیشتری، نیاز دارد. برای موفقیت در فرمینگ ورق‌های آلومینیم توجه به نکات زیر، ضروری است.

1. نحوه تماس پانچ با ورق قطعه باید طوری روی پرس جایگزین شود که سطح تماس پانچ قطعات، تقسیم‌بندی شود. یعنی اول مرکز پانچ با قطعه تماس پیدا کند سپس لبه‌ها به صورت تدریجی، تماس یابند.

2. در بیشتر موارد باید از Draw Beadها استفاده کرد.

3. از شعاع‌های تیز و تند در طراحی قطعه استفاده نکنید.

4. از آنجا که شکل بلنک اولیه بر الگوی سیلان مواد تأثیر گذارده است استفاده از بلنک‌های آماده شده، بسیار مهم است.

5. طراحی Binder بر قابلیت تولید، تأثیر می‌گذارد.

کنترل سیلان مواد، به طراحی مناسب با استفاده از رایانه و شبیه‌سازی‌های عددی فرایند فرمینگ، نیاز دارد. جدول 1 نشان‌دهنده میزان کلی ابعاد پیشنهادی برای قالب و بلنک است. توجه داشته باشید که این ابعاد، کلی هستند.

طراحی قالب، Blank اولیه و پرس

طراحی beadها

طراحی beadها از نکات مهم در طراحی فرایند پرسکاری ورق‌ها می‌باشد. شکل و اندازه beadهای مورد استفاده در پرسکاری ورق‌های آلومینیمی تا حدودی اب شکل و اندازه beadهای مورد استفاده در فرمینگ ورق‌های فولادی متفاوت است. در مواردی که ورق، کشیدگی کم عمقی دارد (کاربردهایی مثل درب موتور) در محیط قالب از beadهای نیمه استفاده می‌شود.

 

beadهای کامل برای کشیدگی عمیق‌تر مانند پنل داخلی درب‌ها استفاده می‌شود. از lock beadها نیز در پرسکاری‌های بسیار کم‌عمق مانند پرسکاری سقف استفاده می‌شود. نوعی از طراحی bead که برای فولاد انجام شده است اگر در مورد آلومینیم به کار رود می‌تواند موجب ایجاد پاره‌گی در ورق آلومینیم شود.

Draw beads

Draw beadها برای کاهش میزان سیلان مواد به داخل قالب استفاده می‌شوند. با کاهش میزان سیلان مواد، میزان Stretching بیشتری در مرکز نمونه ایجاد می‌شود. برای استفاده از Draw beadها می‌توان از طراحی کلی زیر استفاده کرد.

ابعاد معمول برای Draw beadهای مورد استفاده برای پنل‌های آلومینیمی بدنه خودرو به صورت زیر است:

R1=3 to 6t; R2=6t; B1=12t; B2=15t; h= 6 to 10t.

در جایی که: ضخامت ورق= t باشد.

مرکز Draw bead به‌طور معمول در حدود 25 برابر ضخامت ورق تا لبه قالب دارد.

Lock bead

Lock beadها برای پیشگیری کامل از سیلان مواد به داخل قالب استفاده می‌شوند. در این حالت، تغییر شکل به صورت Stretching خواهد بود و می‌توان از قوانین کلی زیر در طراحی استفاده کرد.

ابعاد معمول در Lock beadها برای ورق‌های آلومینیمی بدنه خودرو به صورت زیر است.

R1=3t; R2=2t; B1=12t; B2=15t; h=6t

در جایی‏که: ضخامت ورق= T

مرکز Lock bead باید در فاصله 24 برابر ضخامت ورق از کناره قالب قرار گیرد.

کنترل شکل

با توجه به اینکه مدول الاستیک آلومینیم، یک سوم فولاد است. رفتار Spring back الاستیک ورق‌های آلومینیمی از نظر شکل و میزان برگشت الاستیک با ورق‌های فولادی متفاوت است. میزهای پرسی که برای فولاد استفاده می‌شوند برای آلومینیم مناسب نیستند. ایجاد حداقل 2-1درصد کرنش در ورق برای به‌دست آوردن DR و سفتی مناسب، لازم است. اگرچه با استفاده از مواد Bake hardenable تقریباً DR، مستقل از میزان کرنش می‌شود. برای ایجاد دقت ابعادی بالاتر و همچنین پیش‌بینی Spring back ورق باید میزان کرنش در کل ورق یکنواخت باشد.

Blanking and Triming

در Blancking ورق‌های آلومینیمی باید بر روی Clearance ابزار، دقت کافی داشت. زاویه blade باید به‌طور مناسب انتخاب شود و لبه‌ها، تیز و روانسازی شده باشند. مقدار clearance بر روی قالب blanking به استحکام برشی ساده بستگی دارد. هر چه استحکام برشی، کمتر باشد به clearance کمتری نیاز است. برای مواردی با استحکام برشی تا حدود 200MPa، میزان Clearance در هر طرف حدود 96درصد، ضخامت پیشنهاد می‌شود. برای مواردی با استحکام برشی بیشتر از 200MPa، میزان 9درصد ضخامت مواد پیشنهاد می‌شود.

 

 

 

در blanking آلومینیم، مانند فولاد، برای ایجاد شکست مناسب به نفوذ پانچ تا حدود 45درصد از ضخامت ورق، نیاز است. سطح پایینی Blank نیز به همین مقدار، در قالب نفوذ می‌کند. این امر باعث ایجاد بعدهای صاف و صیقلی برای Blank می‌شود. بیش از حد زیاد بودن Clearance باعث افزایش Burrها می‌شود. بیش از حد کم بودن نیز باعث ناهمواری و پاره‌گی در لبه‌های Blank می‌شود.

کنترل فشار Binder

مناسب بودن فشار Binder از عوامل کلیدی در فرمینگ آلومینیم است. به‌طور کلی، فشار Binder باید به اندازه‌ای زیاد باشد که فقط از چروک خوردگی ورق پیشگیری کند و نباید آنقدر زیاد باشد که باعث پارگی شود.

فشار binder برای آلومینیم به‌طور کلی کمتر از فولاد است. نیروی binder قابل تغییر (Variable binder forcu) (VBF) در هنگام پرس می‌تواند قابلیت تولید محصولات پرسکاری را افزایش دهد. شکل 1، نشان‌دهنده اهمیت مقدار نیروی (BHF) (binder holding force) binder بر کرنش ایجاد شده در پنل است. خطر پر، در این شکل، نشان‌دهنده میزان کرنش غیر ایمن است که به‌وسیله اعمال نیروی ثابت binder بر Draw beadها ایجاد شده است و نقطه‌چین نشان‌دهنده میزان کرنشی است که از تغییرات نیروی binder هنگام پرس ایجاد شده است. علاوه‌بر مقدار فشار binder، تغییرات این فشار در هنگام پرسکاری نیز می‌تواند بر خوب یا بد بودن نتایج پرسکاری تأثیر بگذارد.

تریبولوژی

در این قسمت به رفتار سطح مشترک بین قالب و ورق می‌پردازیم. این رفتارها شامل اصطکاک، روانسازی و سایش است. در نظر گرفتن مشخصات تریبولوژیکی اهمیت زیادی در فرمینگ ورق‌ها دارد.

اصطکاک

رفتار اصطکاکی و سایشی از مشخصات سیستم، در فرمینگ ورق‌هاست. اصطکاک در شرایط فرمینگ به فشار تماس و سرعت لغزش بستگی دارد. مشخصات ورق و قالب (مشخصات مکانیکی، پوشش، زبری سطح و مشخصات هندسی) و همچنین مشخصات روانساز و شرایط انجام فرایند (مثلاً دما) نیز باید مورد توجه قرار گیرند. همچنین در مورد ورق‌های آلومینیم، نوع بافت سطحی نیز مهم است (MF, EDT). هنگامی که تمامی سطح ورق با سطح قالب را در فرمینگ ورق‌های آلومینیمی در نظر می‌گیریم، از مهمترین نکاتی که باید به آن توجه کنیم ایجاد پدیده‌ای به نام Galling است. Galling یکی از مکانیزم‌های سایش است که در آن انتقال مواد از یک سطح تماس به سطح دیگر انجام می‌شود، مثلاً در فرمینگ ورق‌ها از ورق به قالب. این امر باعث ایجاد خسارات زیاد در سطح قالب می‌شود. مواد ریز جدا شده از سطح قالب یا ورق، در سطح تماس باقی می‌مانند و باعث ایجاد خراش‌های زیاد در سطح قالب می‌شوند. با توجه به شدت این نوع عیب در فرمینگ ورق‌های آلومینیمی و برای پیشگیری از خسارات زیاد باید قالب در هنگام کار، بازرسی شود. ایجاد پوشش‌های مناسب بر سطح قالب، استفاده از ورق‌هایی با زبری سطح پایین و استفاده از بافت سطحی EDT به جای MF از راه‌های پیشگیری از ایجاد Galling می‌باشد.

 

روانسازی

روانسازی در پرسکاری ورق‌های آلومینیمی بدنه خودرو برای کاهش اصطکاک در مناطق تماس ورق و قالب و پیشگیری از عیوبی مثل Galling انجام می‌شود. روانساز باید طوری باشد که در صورت باقی ماندن روی سطح، بر روی سطح، لک ایجاد نکند. از امولوسیون‌های محلول در آب، روغن‌های سبک و روانسازهای جامد برای روانسازی آلومینیم، استفاده می‌شود. با استفاده از روانسازهای پایه آبی با نسبت 4 به 1 و به میزان 100mg/ft2(1.1g/m2) در سطح ورق می‌توان ضریب اصطکاک را تا میزان 0.04-0.15 پایین آورد- همچنین در صورت استفاده از روانسازهای به صورت لایه‌های جامد (Dry-film) و به میزان 80-100mg/ft2 (0.88-1.1g/m2) ضریب اصطکاک تا مقدار 0.02-0.05 پایین خواهد آمد. در صورت استفاده از روانسازهای به صورت لایه جامد، مقدار روانسازی و کاهش ضریب اصطکاک در مراحل مختلف پرسکاری ورق ثابت خواهد بود.

زبری سطح

زبری و موجدار بودن سطح علاوه‌بر اینکه تأثیر زیادی بر رنگ‌پذیری ورق دارد بر رفتار اصطکاکی و سایشی ورق، در حین فرایند فرمینگ نیز تأثیر می‌گذارد. تفاوت بین رفتار اصطکاکی بافت‌های سطحی EDT و MF به دلیل تفاوت در میزان زبری سطح آنها است (MF: Ra~0.4µm , EDT: Ra~1µm)، گاهی تصور می‌شود که بزرگتر بودن Ra باعث ایجاد اصطکاک بیشتر می‌شود اما شکل نشان می‌دهد که این نظر، صحیح نیست. در صورت استفاده از بافت سطحی EDT مقدار ضریب اصطکاک، کاهش می‌یابد.

 

 

برای ایجاد بافت EDT در سطح ورق معمولاً پاس نهایی با کاهش ضخامت کمتر از 4درصد به ورق اعمال می‌شود. در شکل4س، بافت‌های سطحی EDT و MF دیده می‌شوند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


کلمات کلیدی: