Pikk lugu

Terasest linakiududeni: millest on tehtud sinu auto?

Lamborghini erimudel Sesto Elemento kasutas rohkelt süsinikku, viies auto kaalu umbes 1300 kg pealt 999 kiloni.

Autotööstus alustas terase ja puiduga ning on välja jõudnud komposiitide ja biomaterjalideni. Vaatame, mis on olulisemad materjalid, mida autondus läbi ajaloo  on kasutanud ning mis suunas tööstus edasi liigub

Auto kaal on üks selline parameeter, mis on autotootjaid alati utsitanud ja võibolla nüüd, et rohkem kui kunagi varem.

Erinevate detailide ning auto kogukaal määrab tohutult palju – auto kütusekulu, kiirendus, juhitavus, vastupidavus, turvalisus; tootmise seisukohalt erinevad tootmiskulud, materjalikulu, transpordikulud ning teema, mis aina ja enam on aktuaalne – keskkonnasäästlikkus.

Nõuded uutele autodele muutuvad iga aasta karmimaks, millest üks oluline nõue on heitgaaside ehk emissioonide vähendamine, mida paljuski tehakse kaalu vähendamise arvelt – kergem auto põletab edasi liikumiseks vähem kütust.

Siinkohal vaatakski olulisemaid materjale mida autondus läbi ajaloo kasutanud ning mis suunas tööstus edasi liigub.

Teras ja plast

Ajalooliselt on teras olnud olulisemaid materjale auto kere ning raami ehituses. Terase head omadused on juba enne tööstusrevolutsiooni meile teada ning edasised aastakümned on neid süvendanud ning kinnistanud.

Oluline areng on toimunud teadmistes ja töötlemismeetodites, tänu millele näiteks uute autode kereplekid on optimeeritud oluliselt õhemaks võrreldes 1950ndate aastate 3-4mm paksuste plekkidega.

Lisaks transpordisektorile, on teras ennast tõestanud ja standardiks muutunud pea kõikides suuremates valdkondades. Küll aga iseloomustab terast kõrge erikaal (ca 7,85g/cm3) ning terase tootmist väga energiamahukas tootmisprotsess.

Plast on ligi seitse korda kergem

Kerguselt vastanduvad terasele plastid, mille erikaal on umbes  1,1-1,5g/cm3.

1950ndate lõpus algas revolutsioon sünteetiliste plastide arengus. Erinevate kemikaalide ning täiteainete kokku segamisel on keemikud loonud väga erinevate omadustega plaste – erinevad tugevuse ning kulumiskindluse omadused, kemikaal-, temperatuuri-, keskkonnakindluse omadused, tulekindlus, dielektrilised omadused jne.

Plastik muudab küll autod odavamaks, aga tihti kaotab sellest disain.

Tänapäeval on sisuliselt iga otstarbe jaoks olemas kindlad eelisomadustega plastid. Plastide tootmine ühest küljest ei nõua nii suurt energiat, võrreldes terase tootmisega, kuid tänaseni on väga paljude plastide utiliseerimine ning taaskasutamine tohutu väljakutse, mistõttu plastireostus on oluline aktuaalne küsimus.

Väga paljud kere- ning sisustusdetailid on asendatud plastidega – igapäeva autonduses stanged, uksed, ukselingid, mootoriruumi detailide korpused jpm. Sport- ning võidusõiduautodest võib tihti leida näiteid, kus terve kere s.h veljed koosnevad plastipõhistest materjalidest.

Kõrgsuutlikud komposiidid

Plastidest eraldi võiks välja tuua kõrgsuutlikud komposiitmaterjalid. Antud kontekstis räägime vaid kiudarmeeritud plastkomposiitidest. Mis see komposiit tähendab?

Komposiidid on kahest või enamast – tihti väga erinevate omadustega – materjalist koosnevad „liitmaterjalid“. Lähtematerjalide omadused kombineerituna annavad komposiidile ainulaadsed materjaliomadused.

Kiudarmeeritud komposiidi üks osa on tüüpilise näitena klaas- või süsinikkiud, näiteks riide või tekstiili kujul ning teine osa plast, algselt vedelal ning hiljem kõvenenud kujul.

Näiteks – kuidas valmib tagatiib?

Võtame ühe näite süsinikkiust tagatiiva valmistamisest. Nagu meie igapäevane teksariie on üksikutest kiududest kokku põimitud ning riidena hästi vormitav, siis sarnaselt riidele, toodetakse ka süsinikriiet.

Et lopendavast riidejupist pole suurt kasu meie tiiva puhul, on vaja talle kuidagi monoliitsus ehk kuju anda. Lihtsustatult asetatakse tiivakujulisse vormi, lisatakse sünteetiline vaik, vajadusel veel paar kihti riiet ja vaiku, et saavutada soovitud paksus.

Väga palju süsinikkiust kerepaneele.

Hiljem, kõrge temperatuuri toimel või vastavate kemikaalide lisamisel, materjal kõvendatakse ning saadakse monoliitne süsinikkiu ning plasti liitmaterjal ehk komposiit.

Äärmiselt kõrge tõmbetugevusega süsinikriie käitub armatuurina, kandes koormusi ning andes plastile olulise jäikuse ja tugevuse. Ilma armatuurita piisaks mitmeid (kohati kümneid) kordi väikesematest jõududest, et tiib pooleks murda. Vaik omakorda annab komposiidile vormi, ühtlasi kaitstes süsinikriiet keskkonna, mehaaniliste jms kahjustuste eest.

Klaaskiust Chevrolet Corvette

Klaaskiudplastide sünniks võib pidada 1930ndaid, mil Owens Corning hakkas tootma klaaskiudu, misjärel peagi Du Pont sünteesis esimese sobiliku vaigu komposiitide valmistamiseks. Klaaskiudkomposiidil võib olla neli korda kõrgem tõmbetugevus võrreldes terasega, samal ajal kui tema erikaal (ca 1,9g/cm3) on samuti terasest pea neli korda madalam.

Kuigi vahepealset komposiitide arengut tsiviiltööstuses pärssis II maailmasõda, siis üks esimesi täielikult klaasplastist valmistatud kerega autosid, mis laiema publiku tähelepanu köitis, oli 1953. aasta Chevrolet Corvette.

Chevrolet Corvette, mis on valmistatud klaaskiust.Foto: Stahlkocher, Wikipedia

Sõltuvalt varustusastmest, oli selliste Corvette’ide tühikaal 1270-1350kg, mida on tolle aja auto kohta uskumatult vähe. 1950ndate ameeriklased on võrdluseks tihti 2500-3500kg kanti.

Süsinikkiud

Süsinikkiud on klaasist veelgi kergemad (komposiidi erikaal ca 1,6g/cm3), veelgi kõrgema tõmbetugevusega ning veelgi jäigemad, mistõttu süsinikkiudkomposiite kasutatakse eriti nõudlikes mehaanilistes rakendustes, kus kaalu ja tugevuse suhe on äärmiselt kriitiline.

Süsinikkiud on samuti riide kujul saadaval, ta sobib kokku sarnaste vaikudega ning komposiidi tootmine on sarnane klaasplasti tootmisega. Süsinikkomposiitide toormaterjal võrreldes klaasiga on ligikaudu kümme korda kulukam, mistõttu süsinikkomposiitidest keredetaile näeb vaid kõrgema hinnaklassi autodel.

Esimest korda valmistati süsinikkiudu 1860 aastal lambipirnide tootmiseks, ent autonduses murrangu tegi süsinik 1980ndatel.

Murranguliseks oli Vormel 1

1981 Vormel 1 sarjas tuli McLaren Racing Team rajale esimese süsinikkiust monokokk vormeliga MP4/1 ning samal aastal võitis John Watson sellega Briti Grand Prix.

McLaren MP4/1Foto: Curt Smith, Wikipedia

Sama kümnendi lõpus oli kerge ning tugev süsinikkomposiit eelistatud valik vormeli kereehitusmaterjalina. Sealt edasi on süsinikkomposiidid vaikselt imbunud ka sportlike igapäeva autode keredesse.

Looduslikud ehk taimsed kiud

Uus tase kerguses on looduslikud kiud ehk taimsete kiudude põhised komposiidid.

Põhilised taimed on lina, kanep ning džuut, kusjuures erilist tähelepanu on saanud linakiud. Linakiu põhise komposiidi tüüpiline tiheduse näitaja on 1,30g/cm3, mis on süsinikkiust ca 20% kergem ja klaaskiust 30%.

Looduslikud kiud pole nii jäigad kui sünteetilised, mistõttu komposiit annab oluliselt rohkem painduma enne purunemist. Tugevusnäitajate poolest jääb nö ökokomposiit kõrgsuutlikust ning pahatihti üle-optimeeritud süsinikkomposiidist loomulikult pika puuga maha, kuid paljudes rakendustes on tema omadused piisavad ning leiavad juba rakendust.

Tasub ka meeles pidada, et looduslikke ning sünteetilisi kiudusid on alati võimalik koos kasutada.

500 kg kergem linakiududest Tesla Model S

2017. aastal esitleti Tesla Model S P100D eriversiooni, mille kerepaneelides kasutati lina-süsinik hübriidkangast (väljatöötatud koostöös Euroopa Kosmoseagentuuriga). Koos muude modifikatsioonidega võideti P100D’lt 500kg raskust, tänu millele väidetav kiirendus 0-100km/h on 2,0 sekundit.

Taimsete kiudude põhised komposiidid on ühest küljest roheline mõtteviis, ent tuleb meeles pidada, et tegemist on üsna noore tehnoloogiaga.

Materjali hinnatase on veel kõrge, mistõttu taimsed komposiidid leiavad rakendust kõrgema otsa nišitoodetes. Tööstusel on veel palju väljakutseid lahendada enne, kui saaks rääkida konkurentsivõimelisest hinnast masstööstuses.

Hetkel on looduslikel kiududel veel mitmeid probleeme

Peamised väljakutsed täna on toormaterjali ebaühtlane kvaliteet, kõrge tundlikkus niiskusele, vähene kogemus tootmisvõtetes ning väga väike valik sünteetilisi vaike, mis sobivad kokku loodusliku kiuga.

Kuna enam ja enam tähelepanu pööratakse jätkusuutlikkusele, võiks eeldada nõudluse kasvu, mis muudab hinnad kättesaadavamaks suuremale tarbijaskonnale.

Lisaks kaaluvõidule pakuvad kõrge eritugevusega komposiidid ka korrosioonikindlust ning rohkem projekteerimisvõimalusi.

Võib öelda, et kõrgsuutlikud materjalid on uuendustele väravad pärani avanud. Elame näeme!

Telli Geeniuse uudiskiri

Saadame sulle igal argipäeval ülevaate tehnoloogia-, auto- ja rahaportaali olulisematest lugudest.