الیاف طبیعی؛ مد جدید در کامپوزیت های به کاررفته در خودروها

به گزارش سرویس اطلاع‌رسانی نساجی امروز، با این وجود هزینه بالای مواد اولیه کامپوزیتی همچنان یکی از بزرگ ترین موانع بر سر راه جایگزینی عناصر فولادی با آن هاست به ویژه در مورد وسایل نقلیه با تولید انبوه که در آن ها هزینه مهم تر از عملکرد است. در حال حاضر کامپوزیت ها در وسایل نقلیه ای که در حجم کم تولید می شوند به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند.

بیشترین بخش هایی که در خودرو از مواد اولیه کامپوزیتی در آن ها استفاده می شود عبارت است از اجزای زیر کاپوت، قسمت های خارجی واجزای داخلی نظیر پنل های در، پشتی صندلی و کفپوش صندوق عقب. استفاده از کامپوزیت ها در اجزای سیستم تعلیق و میل لنگ ها نیز در حال افزایش است.

عملکرد بهتر در حالت ترکیبی

معنی ساده کامپوزیت ها ترکیبی از دو یا چند ماده اولیه چه طبیعی و چه مصنوعی و با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی متفاوت می باشد. نکته اینجاست که این مواد در ترکیب با یکدیگر در مقایسه با وقتی که به طور جداگانه مورد استفاده قرار می گیرند دارای عملکرد بهتری هستند.

هرکدام از مواد اولیه به کاررفته در کامپوزیت ها هویت و ویژگی منحصر به فرد خود را به طور کامل از دست نمی دهد: آن ها باارزش ترین ویژگی های خود را با یکدیگر سهیم می شوند تا ویژگی های محصول نهایی را ارتقا دهند برای مثال باعث افزایش کارایی، استحکام و دوام آن شوند.

کامپوزیت های پلیمری حاوی عوامل تقویت کننده و الیاف متداول درون یک ماتریس پلیمری قرار دارند. این کامپوزیت های تقویت شده با الیاف معمولا از الیاف مصنوعی نظیر الیاف شیشه یا کربن تشکیل می شوند و ماتریس پلیمری هم عمدتا یک رزین ترموست مانند رزین پلی استر یا اپوکسی است که در طول پخت شیمیایی یا حرارتی به طور غیرقابل بازگشتی سخت می شود.

متداول ترین و شناخته شده ترین کامپوزیت مورد استفاده در خودرو و هواپیما پلیمر تقویت شده با الیاف کربن است.

صرفه جویی در مصرف انرژی

کامپوزیت های تقویت شده با الیاف معمولا در مقایسه با مواد اولیه متداول بادوام تر، دارای مقاومت بیشتر در برابر خوردگی، دارای قابلیت تحمل بار بیشتر و همچنین سبک تر هستند. در نتیجه نیازی به جایگزین کردن کامپوزیت ها با اجزای تشکیل شده از مواد اولیه متداول نیست. از آن جایی که کامپوزیت ها در مقایسه با فلزات دارای تراکم کمتری هستند، استفاده از آن ها در خودرو باعث صرفه جویی در مصرف انرژی می شود.

وزن کمتر کامپوزیت ها در مقایسه با اجزای متداول نظیر فولاد و آلومینیوم و همچنین اجزای تولید شده به روش قالب گیری تزریقی یک مزیت مهم در صنعت خودروسازی به شمار می رود.

پیشرفت های صورت گرفته در زمینه فناوری وسایل نقلیه و ایمنی آن ها در دهه های اخیر باعث افزایش وزن خودروها شده بود؛ کامپوزیت های سبک این امکان را به سازندگان خودرو داد تا وزن کلی وسیله نقلیه را کاهش و بازدهی سوخت را افزایش دهند.

در ضمن با روی آوردن صنعت خودروسازی از موتورهای احتراق داخلی(ICEs) به پیشرانه های الکتریکی می توان از مزایای کامپوزیت ها نظیر پایداری و سبکی بهره بیشتری برد برای مثال باتری های مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی با باتری سنگین تر از باتری های وسایل نقلیه ICE هستند و برای به حداکثر رساندن شعاع حرکتی وسیله نقلیه و کارایی آن لازم است تا در قسمت های دیگر خودرو از مواد اولیه سبک تر استفاده شود.

رشد بازار

پیش بینی می شود با توجه به قوانین جهانی برای کاهش انتشارات کربن و نیاز به افزایش بازدهی سوخت و تاثیر آن ها در نفوذ کامپوزیت ها به وسایل نقلیه شخصی، بازار کامپوزیت های به کاررفته در خودروها شاهد رشد و گسترش باشد.

بر اساس مطالعه اخیر Reports & Insights ارزش این بازار تا پایان سال 2022، 5/9 میلیارد دلار بوده و پیش بینی می شود تا سال 2030 با نرخ رشد ترکیبی سالیانه 7 درصد به 5/16 میلیارد دلار برسد.

در دهه اخیر بیشترین استفاده مواد اولیه کامپوزیتی در بازار ورزش های موتوری و وسایل نقلیه های اند بوده است به ویژه این که از مواد اولیه تهیه شده از الیاف کربن در وسایل نقلیه با عملکرد بالا و سبک استفاده می شود. از سوی دیگر استفاده از کامپوزیت ها در بازار وسایل نقلیه با تولید متوسط و انبوه که حساسیت به هزینه در آن ها بالاتر است دارای روند آهسته تری می باشد.

استفاده از پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه مداوم در مواردی نظیر فنر شمشی و آمیزه قالبگیری ورقه ای برای فریم و پنل های بدنه خودرو و آمیزه قالبگیری توده ای و ترموپلاستیک های تولید شده به روش قالب گیری تزریقی برای قاب سپر، بالابر درب و ساختار صندلی ها هنوز دارای یک روند افزایشی مداوم است.

کاربرد کامپوزیت ها در داخل خودرو

استفاده از الیاف طبیعی در مواد اولیه کامپوزیتی به کاررفته در خودروها به دلیل وجود قوانین و بخشنامه های جدید که خودروسازان را وادار به استفاده مجدد و بازیافت مواد اولیه می کند، در حال افزایش است.

الیاف طبیعی دوستدار محیط زیست که سبک، محکم و کم هزینه هستند همین الان هم در حال جایگزین شدن الیاف شیشه و فیلرهای معدنی در بخش های مختلفی از خودرو می باشند. در حال حاضر در بسیاری از مدل های اروپایی از الیاف طبیعی و مواد اولیه ترموپلاست در اجزای داخلی خودرو استفاده می شود به ویژه در وسایل نقلیه که به صورت انبوه تولید می شوند.

با این حال استفاده از الیاف طبیعی نیز دارای محدودیت هایی است به ویژه با در نظر گرفتن مواردی نظیر جذب رطوبت و اتصال ضعیف ماتریس الیاف. علاوه بر آن نگرانی هایی نیز در مورد دوام، کیفیت، یکنواختی، دسترس پذیری و محدودیت دمای پردازش وجود دارد.

مهم ترین الیاف طبیعی به کاررفته در صنعت خودروسازی الیاف مناطق نیمه گرمسیری مانند جوت و کناف و الیاف پوستی مانند کتان و کنف است که در اروپای غربی پرورش پیدا می کنند. از سایر الیاف نظیر موز، سیسال و الیاف چوبی کوتاه نیز در موارد کاربردی خاص استفاده می شود.

مهم ترین کاربرد کامپوزیت های تهیه شده از الیاف طبیعی در اجزای داخلی خودرو عبارت است از پنل های در، پشتی صندلی، نمدی سقف، طاقچه عقب و داشبورد.

قاب سانروف

چند سال پیش کمپانی IAC-تامین کننده اجزای داخلی خودرو- از محصول جدید خود یعنی قاب سانروف فایبرفریم که از الیاف طبیعی تهیه شده بود رونمایی کرد. این قاب در مرسدس بنز 2017 کلاس ای مورد استفاده قرار گرفته است.

محتوای این نوآوری اختصاصی شامل 70 درصد ماده اولیه خام تجدیدپذیر به شکل الیاف طبیعی بوده و در مقایسه با فریم های سانروف متدوال که با فلز تقویت می شود باعث کاهش 50 درصدی وزن می شود.

مت الیاف توسط یک بایندر ترموست قالبگیری شده و طی یک فرایند قالب گیری داغ توسط کمپانی IAC در محل تولید می شود. الیاف توسط بایندر Acrodur 950 L تولید کمپانی BASF به یکدیگر متصل می شوند که باعث می شود ظرفیت تحمل بار و مقاومت حرارتی این ماده کامپوزیتی سبک تضمین شود. بایندر بر پایه آب بوده و میزان انتشارات آن پایین است و باعث تقویت الیاف طبیعی می شود.

سرمایه گذاری تولیدکنندگان تجهیزات اصلی

چندین خودروساز مطرح شروع به سرمایه گذاری در زمینه کامپوزیت های با عملکرد بالا که از الیاف طبیعی تهیه می شوند، کرده اند. سال گذشته چندین تولیدکننده وسایل نقلیه از جمله بی ام دبلیو، ولوو و پورشه مبلغ 4/32 میلیون فرانک سوییس برروی کامپوزیت های تخصصی پایدار و سبک Bcomp سرمایه گذاری کرده اند.

گفته می شود راهکارهای بر پایه الیاف کمپانی سوییسی فریبورگ باعث کاهش انتشارات بر پایه دی اکسید کربن و وزن اجزای کامپوزیتی در مقایسه با مواد اولیه استاندارد می شود. این کامپوزیت ها دارای موارد کاربردی متعددی می باشند از خودرو و فرمول یک گرفته تا هواپیما، قایق تفریحی و زیرساخت ها.

الیاف طبیعی به کاررفته در این کامپوزیت ها از کتان مشتق می شوند تا محصول به دست آمده کامپوزیتی متشکل از لایه هایی از پارچه تقویت شده ampliTex و شبکه الیاف تقویت شده powerRibs باشد. این کامپوزیت را می توان با استفاده از روش قالب گیری فشاری به پنل های به کاررفته در داخل خودرو تبدیل کرد.

محاسبات انجام گرفته نشان می دهد که کامپوزیت های بر پایه الیاف طبیعی در مقایسه با اجزای پلاستیکی معمولی 50 درصد سبک تر هستند، محتوای پلاستیکی آن ها 70 درصد کمتر است و تا 60 درصد دی اکسید کربن کمتری از خود منتشر می کنند.

در حال حاضر تمامی تولیدکنندگان تجهیزات اصلی خودرو که به سرمایه گذاران مربوط هستند، تجربه دست اولی از فناوری های Bcomp کسب کرده اند.

کمپانی بی ام دبیلو از سال 2019 استفاده از فناوری های ampliTex و powerRibs را در دسته بندی مسابقات اتومبیلرانی مطرح تست و تایید کرده است. این فناوری ها برای شروع در ماشین مسابقه ای iFE.20 Formula E مورد استفاده قرار گرفتند. علاوه بر آن در بدنه خودروی  2020 BMW M4 DTMو اخیرا نیز در قسمت های داخلی و خارجی ماشین مسابقه ای BMW M4 GT از این فناوری استفاده شده است. قدم بعدی به کارگیری فناوری جدید در ماشین های جاده ای می باشد.

خودروی کانسپت

نخستین همکاری ولوو با کمپانی بی کامپ در سال 2018 و برای Volvo Ocean Race Recycled Plastics Demonstrator Vehicle بوده است. پس از آن و در سال 2021 ولوو در خودرو کانسپت Volvo Cars Concept Recharge خود از کامپوزیت های حاوی الیاف طبیعی بی کامپ در قسمت های پشتی سر و زیرپایی استفاده کرد. این کامپوزیت ها در سپر عقب و جلوی خودرو نیز به کار رفته اند.

کامپوزیت های بی کامپ همچنین در خودروی مسابقه ای Tesla Model S P100DL از کمپانی Electric GT و خودروی هیبریدی اس یو وی XC60 از کمپانی ولوو به کار رفته اند. برند سوئدی پولستار نیز که شرکت های ولوو و جیلی مشترکا مالک آن هستند ادعا می کند که از ماده اولیه بی کامپ در بیشتر پنل های داخلی خودروی پولستار 5 استفاده کرده است.

در سال 2019 کمپانی پورشه با همکاری کمپانی بی کامپ نخستین درب خودرو تشکیل شده از کامپوزیت های الیاف طبیعی را تولید کرده است. این پروژه جزو پروژه هایی بود که در مراسم  JEC Innovation Awards به فینال راه پیدا کرد.

کمپانی پورشه موتوراسپرت همچنین از فناوری های ampliTex و powerRibs در اجزای داخلی و خارجی خودروی Cayman 718 GT4 CS MR استفاده کرده است. اوج استفاده از این فناوری ها در رونمایی از خودروی کانسپت کاملا الکتریکی  Mission R در سال 2021 بوده است.

بسیاری از اجزای اضافه شده به Mission R از پلاستیک های تقویت شده با الیاف طبیعی بی کامپ تهیه می شود. این مواد اولیه در قسمت های خارجی خودرو نظیر اسپلیتر جلو، درب ها، رکاب های جانبی و دیفیوزر نیز یافت می شود.

در حال حاضر کمپانی بی کامپ در حال تامین فناوری های الیاف طبیعی خود برای کمپانی HWA شریک کمپانی آلمانی مرسدس-ای ام جی برای استفاده در سپر جلوی ماشین های مسابقه ای Mercedes-AMG GT4 می باشد.

راهکارهای کمپانی بی کامپ در رابطه با بدنه خودرو یک جایگزین پایدار برای پنل های الیاف کربن GT4 موجود است که دارای عملکرد مکانیکی مشابهی با آن ها بوده و ایمنی را بهبود می بخشد.

شراکت در زمینه ورزش های موتوری

کمپانی های بی ام دبیلو و بی کامپ علاوه بر سرمایه گذاری شراکت خود را در عرصه ماشین های مسابقه ای نیز تقویت کرده اند. در حال حاضر کمپانی سوییسی بی کامپ شریک رسمی BMW M Motorsport  در رابطه با ماشین مسابقه ای جدید BMW M4 GT4 محسوب می شود.

گروه تحقیقات بی ام دبلیو و بی کامپ در حال فراهم کردن شرایط همکاری با هدف به کارگیری درصد بیشتری از مواد اولیه خام تجدیدپذیر در اجزای مدل های آینده وسایل نقلیه می باشند. بی ام دبلیو قصد دارد تا سال 2030 میزان انتشارات کربن وسایل نقلیه خود را در طول چرخه حیات آن ها بیش از 40 درصد در مقایسه با وسایل نقلیه سال 2019 کاهش دهد.

استفاده از مواد اولیه خام تجدیدپذیر و الیاف طبیعی مانند کنف، کناف یا کتان که به ویژه برای استفاده در قسمت های پنلی و قابل رویت داخل خودرو مناسب هستند نه تنها باعث به حداقل رساندن استفاده از مواد اولیه می شود بلکه وزن خودروو را در مقایسه با وسایل نقلیه تهیه شده از مواد اولیه متداول تا 50 درصد کم می کند.

این امر باعث کاهش مصرف انرژی در وسایل نقلیه می شود. یکی دیگر از مزیت های مواد اولیه طبیعی کاهش انتشار دی اکسید کربن است.

چالش بازیافت

ایجاد تغییرات غیرقابل بازگشت در مقیاس نانو در اتصالات ملکولی پس از قالب گیری به این معناست که چالش های زیادی در بازیافت کامپوزیت ها وجود خواهد داشت. علاوه بر آن استفاده از فیلرها و مواد افزودنی که یک سری ویژگی های افزوده در محصول ایجاد می کند و همچنین سنسورها که باعث افزایش عملکرد محصول می شود نیز بر سختی جداکردن اجزا برای بازیافت اضافه می کند.

این موضوع با لازم الاجرا شدن قوانین مختلف مربوط به جمع آوری، طبقه بندی و جداسازی اجزا در پایان عمر محصولات مصرفی اهمیت بیشتری پیدا می کند. در کنار بازیافت که ممکن است مقرون به صرفه نباشد نیاز به اعمال روش های اقتصادی گردشی نیز هست نظیر بازسازی، استفاده مجدد و تعمیر اجزا که باید از آغاز فاز طراحی کامپوزیت های به کاررفته در خودروها به آن توجه شود.

کامپوزیت های سبز

بیشتر کامپوزیت های به اصطلاح سبز که امروزه در بازار در دسترس می باشند یا ترکیبی از الیاف طبیعی با رزین های بر پایه نفت و یا ترکیبی از الیاف مصنوعی با بیورزین ها هستند. کامپوزیت های "تماما سبز" که ترکیبی از الیاف طبیعی و بیورزین ها هستند تا به امروز به دلیل عواملی مانند هزینه، چسبندگی و دوام چندان موفقیت آمیز نبوده اند.

بدون شک در صنعتی که سهم زیادی از تولید انبوه در آن همچنان بر پایه فلزات است، استفاده از الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت های ترموپلاست و ترموست خودروها به سرعت و به شدت رشد خواهد یافت.

با این حال همچنان پرسش هایی در مورد دسترسی پذیری آن ها در آینده و به طور خاص توانایی تولیدکنندگان در برآورده ساختن تقاضاها به ویژه در یک بازار در حال رشد که در آن برقی سازی و پایداری حاکم خواهد بود، باقی می ماند.