Tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami coraz częściej pełnią kluczową funkcję w ochronie przed skutkami zderzeń w motoryzacji i innych środkach transportu. W porównaniu ze stalą i aluminium kompozyty na bazie włókien węglowych (CFRP) oraz włókien szklanych (GFRP) cechują się wyższą efektywnością pochłaniania energii uderzenia, wynikającą z kontrolowanego mechanizmu pękania zamiast klasycznej deformacji plastycznej metalu. Umożliwia to osiągnięcie wyższego poziomu bezpieczeństwa przy istotnie niższej masie elementów konstrukcyjnych, co sprzyja rozwojowi rozwiązań lekkich.
Technologie te zostały zweryfikowane w sporcie motorowym, a obecnie w coraz większym stopniu są stosowane w seryjnych, newralgicznych podzespołach bezpieczeństwa, takich jak skrzynie zderzeniowe, słupki środkowe typu B czy obudowy baterii. Konstrukcje lekkie oparte na kompozytach znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest jednoczesna redukcja masy, zwiększenie bezpieczeństwa biernego oraz utrzymanie wysokiej sztywności i integralności strukturalnej.
– Lekka konstrukcja jest ważną zasadą oszczędzania materiałów i energii przy wytwarzaniu komponentów – podkreśla prof. dr Markus Milwich z Centrum Kompetencji Tworzyw Sztucznych i Kompozytów Włóknistych w Niemieckich Instytutach Badań nad Tekstyliami i Włóknami (DITF) oraz przedstawiciel sojuszu Lightweight Construction Alliance Baden-Württemberg. Jak wskazuje przytaczane badanie zlecone przez niemieckie Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii, rynek lekkich konstrukcji rozwija się dynamicznie, co znajduje odzwierciedlenie w rosnącej liczbie rozwiązań patentowych.
Według tej analizy liczba patentów dotyczących tworzyw sztucznych i kompozytów z tworzyw w zastosowaniach lekkiej konstrukcji wzrosła w latach 2001–2021 niemal o 400%. – W 2019 roku lekka konstrukcja generowała około 4% produktu krajowego brutto Niemiec i zapewniała około 3,2 mln miejsc pracy – podsumowuje prof. dr Markus Milwich. Dane te potwierdzają, że technologie materiałowe oparte na kompozytach z tworzyw sztucznych mają coraz większe znaczenie gospodarcze i przemysłowe, wykraczające daleko poza sektor motoryzacyjny.
Wysoka odporność na obciążenia zderzeniowe
Zastosowanie tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknami węglowymi w pojazdach jest jednym z kluczowych obszarów rozwoju współczesnej mobilności. Dotyczy to w szczególności bezpieczeństwa biernego. W warunkach kolizji kompozyty CFRP osiągają specyficzną zdolność pochłaniania energii do około 100 kJ/kg, co jest wartością istotnie wyższą niż typowy poziom dla stali wynoszący 20–30 kJ/kg. Zamiast gwałtownego uplastycznienia i fałdowania, charakterystycznego dla konstrukcji metalowych, struktura kompozytu ulega kontrolowanemu zniszczeniu, rozpraszając energię uderzenia w bardziej przewidywalny i rozłożony w czasie sposób.
Stopniowe pochłanianie sił pozwala na opracowanie rozwiązań konstrukcyjnych o podwyższonym poziomie bezpieczeństwa dla pasażerów. Przykładem są hybrydowe struktury kanapkowe z rdzeniem z tworzywa sztucznego i zewnętrznymi warstwami z materiału zbrojonego włóknami. Układ taki zapewnia korzystną kombinację niewielkiej masy, sztywności i zdolności do kontrolowanego pochłaniania energii w strefach zgniotu. W rezultacie możliwe jest projektowanie elementów o zoptymalizowanej charakterystyce deformacji w zderzeniach czołowych i bocznych.
Redukcja energii zderzenia poprzez obniżenie masy
Istotnym parametrem wpływającym na poziom energii zderzenia jest masa pojazdu. Tworzywa CFRP mogą być nawet o 50% lżejsze od stali. Zmniejszenie masy prowadzi do obniżenia energii kinetycznej w sytuacjach kolizyjnych, co może przekładać się na redukcję obciążeń działających na konstrukcję pojazdu oraz na organizmy pasażerów. Odpowiednio dobrane układy kompozytowe umożliwiają zatem jednoczesne ograniczenie masy i poprawę charakterystyki bezpieczeństwa biernego.
Prace badawczo-rozwojowe nad lekkimi strukturami obejmują również obszar elektromobilności. Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF opracował trójwymiarową obudowę akumulatora w formie konstrukcji kanapkowej z tworzywa wzmacnianego włóknami. Według przedstawionych danych jest ona o około 40% lżejsza od porównywalnej obudowy aluminiowej. Jednocześnie integruje funkcje ogniochronne oraz spełnia wymagania normy bezpieczeństwa ISO 12405-2/-3, co zapewnia wysoki poziom ochrony układu magazynowania energii w pojazdach elektrycznych przy ograniczeniu masy całkowitej systemu.
Wpływ lekkich konstrukcji na zużycie energii
Redukcja masy elementów pojazdu wpływa nie tylko na przebieg zderzenia, lecz także na efektywność eksploatacyjną. – Szczególnie w przypadku mas poruszających się, takich jak samochody, samoloty czy statki, każdy gram zaoszczędzonej masy w całym cyklu życia pojazdu przekłada się na oszczędność paliwa – wyjaśnia prof. dr Markus Milwich. Zgodnie z danymi amerykańskiego Departamentu Energii obniżenie masy pojazdu o 10% może zmniejszyć zużycie energii nawet o 8%. Wskazuje to na bezpośredni związek między projektowaniem lekkich konstrukcji a efektywnością energetyczną transportu.
Tworzywa wzmacniane włóknami odgrywają w tym kontekście podwójną rolę. Z jednej strony umożliwiają ograniczenie masy dzięki wysokiemu stosunkowi wytrzymałości do gęstości, z drugiej pozwalają na zachowanie lub podniesienie poziomu bezpieczeństwa biernego poprzez wysoką zdolność pochłaniania energii uderzenia. W wielu aplikacjach pozwala to na osiągnięcie kompromisu między wymaganiami konstrukcyjnymi, Eksploatacyjnymi i bezpieczeństwowymi bez konieczności stosowania dodatkowych zabezpieczeń masowych.
Kierunki rozwoju i aspekty zrównoważonego rozwoju
Rosnące znaczenie lekkich konstrukcji sprawia, że coraz większa uwaga przykładana jest do zagadnień związanych ze zrównoważonym rozwojem i możliwością recyklingu materiałów. Jednym z kierunków są termoplastyczne systemy matrycowe na bazie PET, które łączą możliwość recyklingu z właściwościami mechanicznymi wynikającymi z zastosowania włókien węglowych[6]. Rozwiązania te mają na celu ograniczenie wpływu środowiskowego kompozytów, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej stabilności i trwałości konstrukcji.
Wprowadzenie recyklowalnych matryc polimerowych w kompozytach strukturalnych może w dłuższej perspektywie przyczynić się do poprawy bilansu materiałowego w sektorze transportu. Zastosowanie tego typu materiałów w nadwoziach, elementach strukturalnych i obudowach systemów magazynowania energii stanowi krok w kierunku powiązania koncepcji lekkiej konstrukcji z założeniami gospodarki o obiegu zamkniętym.
Tworzywa sztuczne są tym samym integralnym elementem lekkich, wysokowydajnych struktur w przyszłej mobilności. Jak podkreśla prof. dr Markus Milwich, dzięki wysokiej efektywności energetycznej i surowcowej koncepcja lekkiej konstrukcji wpisuje się w obszary ochrony klimatu, zrównoważonego rozwoju oraz oszczędzania zasobów. W połączeniu z postępem w zakresie przetwarzania i recyklingu kompozyty wzmacniane włóknami mogą odgrywać coraz większą rolę zarówno w projektowaniu systemów bezpieczeństwa pojazdów, jak i w kształtowaniu całkowitego śladu środowiskowego środków transportu.
