Componente din materiale plastice pentru motoarele cu ardere internă

Eforturile depuse în vederea producerii de vehicule mai uşoare includ, în mod necesar, componente ale motorului, precum ar fi cămaşa cilindrilor, care ar putea reduce greutatea acesteia cu până la 20 procente, dacă acestea ar fi executate din material plastic armat cu fibre în loc de aluminiu – fără costuri suplimentare. Astfel de componente injectate în matriţe sunt potrivite chiar şi pentru producţia de masă.

Este subînţeles faptul că automobilele trebuie să devină mai uşoare, pentru a reduce consumul de combustibil. Pentru majoritatea designerilor de automobile acest lucru înseamnă, în primul rând, componente ale caroseriei, cu excepţia sistemului de transmisie, care include şi motorul, dar care reprezintă o mare parte a greutăţii vehiculului.

Până în prezent, producătorii de automobile se bazau pe aluminiu pentru a reduce greutatea componentelor motorului, precum blocul cilindrilor. În viitor, producătorii de automobile vor fi capabili să realizeze reduceri suplimentare ale greutăţii, prin proiectarea blocurilor cilindrilor având anumite componente realizate din materiale plastice armate cu fibre.

Un motor experimental, dezvoltat de către un grup de proiectare de la Fraunhofer, pentru un nou sistem de acţionare (NAS), în colaborare cu SBHPP, o filială pentru materiale plastice de înaltă performanţă a firmei Sumitomo Bakelite Co. Ltd., Japonia, demonstrează acest principiu.

„Am utilizat un material compozit armat cu fibre pentru a construi un bloc de cilindri pentru un motor cu un singur cilindru destinat cercetării,” a relatat Dr. Lars – Fredrik Berg, care este şef de proiect şi managerul domeniului de cercetare Lightweight Powertrain Design, la Fraunhofer Project Group pentru noi sisteme de acţionare. „Blocurile cilindrilor cântăresc cu circa 20 de procente mai puţin decât componenta echivalentă din aluminiu, dar are acelaşi preţ de cost.”

Pare a fi o soluţie evidenta, dar obţinerea acesteia a implicat numeroase provocări, deoarece materialele care au fost utilizate trebuiau să fie capabile să reziste unor temperaturi extreme, unor presiuni înalte şi vibraţiilor, fără a suferi niciun fel de deteriorări.

Material plastic cu respectivele caracteristici este cunoscut încă din anii 1980, dar la vremea respectivă era posibilă producerea acestor tipuri de componente doar într-o cantitate mică şi prin investirea multor eforturi sub formă de manopera – un impas pentru industria de automobile, în care blocurile cilindri sunt realizate în producţie de masă, în milioane de unităţi.

Ce au făcut cercetătorii pentru a fi siguri că motorul lor va fi suficient de robust? „Mai întâi,
am luat în considerare proiectul motorului şi am identificat zonele cu solicitări mari termice şi mecanice. Acolo am folosit inserţii metalice pentru a le consolida rezistenta la uzură,” explica Berg.

Unul din exemple îl reprezintă cămaşa cilindrului, în interiorul căreia se deplasează pistonul în ambele sensuri, de milioane de ori în timpul duratei  de viaţă a vehiculului.

Cercetătorii au modificat şi geometria acestor componente, pentru a da asigurări că materialul plastic este expus căldurii cât mai puţin posibil.

Răşină fenolică armata cu fibră de sticlă

Caracteristicile materialului plastic joacă de asemenea un rol important. El trebuie să fie suficient de dur şi de rigid, să fie rezistent la ulei, la benzină şi la glicolul din apă de răcire. El trebuie să prezinte o bună aderenţa la inserţiile metalice şi să nu aibă un coeficient de dilatare termică mai mare decât metalul – în caz contrar inserţiile s-ar desprinde de substrat.

Echipa lui Berg foloseşte un material compozit fenolic, armat cu fibre de sticlă, dezvoltat de către SBHPP, care satisface toate aceste solicitări şi include 55 de procente de fibre şi 45 de procente de răşină.

O alternativă cu o greutate mai mică, dar mult mai scumpă o reprezintă utilizarea materialului compozit armat cu fibre de carbon – alegere care depinde de faptul că producătorul de automobile doreşte să optimizeze motorul în raport cu preţul de cost sau cu greutatea.

Cercetătorii au produs aceste componente din material plastic granulat termorigid, utilizând un proces de injecţie în matriţa. Materialul compozit topit, în care fibrele de sticla sunt deja amestecate cu răşină, se întăreşte în matriţa în care a fost injectat.

Oamenii de ştiinţă au analizat procesul utilizând simulări cu calculatorul pentru a determina cea mai bună meoda de injecţie a materialului, pentru a optimiza performanţele produsului finit.

Procesul este compatibil cu scenariile producţiei de masă, costurile de fabricaţie sunt cu mult mai mici decât cele pentru componentele din aluminiu ale motorului şi, nu în ultimul rând, acest proces elimina numeroase operaţii de finisare.

Un prototip al acestui motor a fost prezentat la ediţia din acest an a Hannover Messe, care a avut loc între 13 şi 17 aprilie (expus în Hala 2, standul C 16). Încercările de probă ale noului motor au fost încheiate cu succes.

„Am verificat faptul că acesta este capabil să aibă aceleaşi performante ca şi cele ale motorului construit cu metode convenţionale,” afirma Berg. În plus, el promite să aibă avantaje suplimentare, că de exemplu zgomot funcţional mai mic decât motoarele care se bazează exclusiv pe componente metalice.

Datele preliminare indică o cantitate de căldură radiată în mediul înconjurător mai mică decât cea generată de motoarele pe bază de aluminiu. Oamenii de ştiinţă intenţionează să-şi continue cercetările prin dezvoltarea unui motor pe bază de material plastic cu mai mulţi cilindri, incluzând lagărele arborelui cotit. (www.fraunhofer.de)