مواد پلیمری در صنعت خودرو و اتومبیل (بخش دوم)
در بیست سال اخیر مواد پلیمری در صنعت خودرو رونق واقعی را تجربه کرده‌اند و کاربرد آنها با تمایل به رشد بیشتر همچنان رو به افزایش است. استفاده گسترده از مواد پلیمری در وسایل نقلیه و خودروها، عملکرد بهتر، صرفه‌جویی و مصرف سوخت پایین‌تر را دیکته می‌کند. استفاده از مواد پلیمری باعث سهولت بیشتر در طراحی می‌شود و در بسیاری از موارد تنها مواد پلیمری می‌توانند راه حل‌های هندسی یا اقتصادی ایمن را برای طراحی قطعات فراهم کنند.
مقدمه
استفاده از مواد پلیمری در خودروها به‌طور مداوم در حال افزایش است و انتظار می‌رود این روند ادامه یابد. عوامل کلیدی در انتخاب مواد پلیمری نسبت به سایر مواد مورد استفاده در خودروها، ظاهر امروزی خودروها، کارایی و ساخت اقتصادی‌تر آنها و همچنین کاهش مصرف سوخت است. اگرچه کاهش جرم قطعات، دلیل اصلی انتخاب مواد پلیمری است، اما رشد آتی استفاده از آنها منجر به کاربردهای جدیدی در خودروها در رابطه با راحتی، ایمنی و امکان ادغام قطعات خواهد شد.
قطعات خودرو که از مواد پلیمری ساخته می‌شوند، به چهار دسته تقسیم می‌شوند: قطعات داخلی، قطعات خارجی، قطعات در محفظه موتور و قطعات بدنه و موتور [1].
1- انواع مواد پلیمری مورد استفاده برای ساخت قطعات خودرو
1-1- پلی کربنات
پلی‌کربنات‌ها اغلب برای کاربرد در صنعت خودرو استفاده می‌شوند. آنها عمدتاً در شرایط غیرتقویت‌شده (بدون کربنات کلسیم) استفاده می‌شوند و کاربرد اصلی آنها در خودروها برای ساخت قطعات مختلف مرتبط با نور مانند چراغ‌ها و لنزهای چراغ‌های جلو و عقب است.
پلی‌کربنات‌ها دارای ویژگی‌های زیر هستند:
1- در برابر دماهای بالا (تا 148 درجه سانتی‌گراد) مقاومت دارد، درحالی‌که PC-HT (پلی‌کربنات با دمای بالا) در برابر دما (از 160 تا 220 درجه سانتی‌گراد) مقاوم است.
2- دارای شفافیت با امکان رنگ‌آمیزی به هر رنگ
3- مدول کششی تا 2300 مگاپاسکال
4- پایداری ابعادی بالا و خواص چقرمگی خوب
5- خواص عایق الکتریکی خوب
2-1- آکریلونیتریل- بوتادین- استایرن (ABS)
عمدتاً برای ساخت محفظه‌ها (هوزینگ)، پوشش‌ها (به‌عنوان مثال در سقف خودرو) و آسترها با ویژگی‌های زیر استفاده می‌شود:
- ایجاد خواص چقرمگی عالی، استحکام و سفتی؛
- آنها غیر شفاف با براقیت سطح بالا هستند.
- مقاومت شیمیایی خوب و مقاومت در برابر دمای 80 تا 105 درجه سانتی‌گراد دارند.
- مدول کششی از 1500 تا 2700 مگاپاسکال است و زمانی که با الیاف شیشه تقویت می‌شود، می‌تواند به 5500 مگاپاسکال نیز برسد.
3-1- آلیاژهای ترموپلاستیک
برای ساخت قطعات خودرو اغلب از آلیاژهای ترموپلاستیک آکریلونیتریل بوتادین استایرن به‌همراه پلی‌کربنات (PC/ABS) یا پلی‌آمید (ABS/PA) استفاده می‌شود. این آلیاژها امکان ترکیب خواص مکانیکی، حرارتی و رئولوژیکی مواد را فراهم می‌کنند. آلیاژ ترموپلاستیک PC و ABS برای ساخت قطعات دکوراتیو داخلی و خارجی و قطعات کوچک بدنه استفاده می‌شوند و دارای ویژگی‌های ذیل هستند:
- غیر شفاف با براقیت سطح بالا
- مقاوم در برابر دما
- پایداری ابعادی بالا و مناسب برای تولید قطعات کوچک با سطح صاف و بدون اعوجاج
- تمایل جزئی به اعوجاج و جذب رطوبت
- خواص عایق الکتریکی خوب
- مدول کششی 1800 تا 2750 مگاپاسکال و هنگامی که با الیاف شیشه تقویت‌شده باشد، می‌تواند به 3900 تا 5900 مگاپاسکال برسد.
آلیاژ ABS با پلی‌آمید برای ساخت قطعات رنگ‌نشده در داخل خودرو مانند محفظه ضبط و سیستم‌های نمایشگر، تکیه‌گاه‌های سقف کشویی، نازل‌ها و دریچه‌های تهویه هوا، پوشش سطح دنده، فرمان و غیره و همچنین برای ساخت قطعات خارجی رنگ‌شده یعنی روکش رینگ، گلگیر و توری جلو (شیل) استفاده می‌شود.
شکل 1. سیستم نمایشگر
شکل 2. دریچه‌های تهویه هوا
شکل 3. قطعات تولیدشده برای پوشش دنده و سایر بخش‌ها
شکل 4. گلگیر جلو و عقب خودرو
این آلیاژ در مقایسه با کوپلیمر آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) دارای ویژگی‌های بهبودیافته مانند مقاومت شیمیایی، مقاومت در برابر وقوع ترک به‌دلیل مهار تنش‌های باقی‌مانده و قدرت بار دینامیکی بیشتر است. همچنین در مقایسه با پلی‌آمید (PA)، آلیاژ ترموپلاستیک (ABS/PA) دارای ویژگی‌های بهتر از نظر فرآیند شدن تحت تنش برشی، تمایل کمتر به جمع شدن (Shrinkage) و تغییر شکل و جذب آب کمتر است. آلیاژ ABS با پلی‌آمید دارای انعطاف‌پذیری و استحکام ضربه‌ای عالی و همچنین مقاومت شیمیایی خوب است. در صورتی که پلی‌آمید از نوع PA6 باشد، دارای مقاومت دمایی تا 180 درجه سانتی‌گراد و اگر PA66 باشد، مقاومت دمایی آن حدوداً 250 درجه سانتی‌گراد است.
4-1- پلی آمید
بیشتر پلی‌آمید 66 (PA66) و پلی‌آمید 6 (PA6) مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد اصلی پلی‌آمید در ساخت قطعاتی است که در زیر کاپوت موتور قرار دارند و عمدتاً از انواع پلی‌آمید (PA) تقویت‌شده با الیاف شیشه (GF) هستند.
ویژگی‌های پلی‌آمید 66
- استحکام و سختی خوبی دارد.
- مات است.
- مقاومت بالا در برابر دما (قرار گرفتن کوتاهمدت در معرض 250 درجه سانتی‌گراد، همچنین قرار گرفتن طولانی‌مدت در بازه 80 الی 150 درجه سانتی‌گراد) و مقاومت در برابر بسیاری از مواد شیمیایی.
- دارای استحکام و چقرمگی بسیار بالا (بسته به نوع اصلاح سطح و استفاده از تقویت‌کننده‌ها)
- ویژگی‌های عایق الکتریکی خوب و مقاومت بسیار خوب در برابر سایش و پارگی دارند.
- مدول کششی 900 تا 15000 مگاپاسکال (بسته به نوع اصلاح سطح، تقویت‌کننده‌ها و رطوبت)
ویژگی‌های پلی‌آمید 6
- دارای استحکام و سختی خوب است، در برابر بسیاری از مواد شیمیایی مقاوم است.
- مات است.
- عایق الکتریکی خوب و مقاومت بالا در برابر سایش و پارگی
- دارای استحکام دینامیکی و چقرمگی بسیار بالا، بسته به نوع اصلاح سطح، تقویت‌کننده‌ها و رطوبت
- دارای مقاومت بالا در برابر دما ( قرار گرفتن کوتاهمدت در معرض 200 درجه سانتی‌گراد و طولانی‌مدت از 80 الی 150 درجه سانتی‌گراد)
- مدول کششی بین 450 تا 15000 مگاپاسکال
5-1- پلی‌استر خطی
برای کاربرد در صنعت خودرو از پلی‌استر خطی نیز استفاده می‌شود، مانند پلی‌استرهای خطی مبتنی بر پلی‌بوتیلن ترفتالات (PBT). در اکثر موارد از انواع پلی‌استرهای تقویت‌شده با الیاف شیشه استفاده می‌شود. آنها برای ساخت سپرها، دستگیره درها، صفحات بدنه، بدنه آینه‌های دید عقب (موجود در درون کابین) و غیره استفاده می‌شوند و دارای ویژگی‌های زیر هستند:
- مقاومت بالا در برابر دما (قرار گرفتن کوتاهمدت در محدوده دمای 210 تا 240 درجه سانتی‌گراد)
- سختی و استحکام بالا، مقاومت شیمیایی خوب
- مات هستند.
- خواص لغزشی عالی و عایق الکتریکی خوب
- مقاومت بالا در برابر سایش و جذب کم رطوبت
- مدول کششی بین 1700-17000 مگاپاسکال است (بسته به نوع اصلاح).
6-1- الاستومر یورتان (TPE-U)
مهم‌ترین کاربرد الاستومرهای یورتان برای قطعات بدنه و فرمان است و دارای خواص زیر است:
- مقاومت خوب در برابر روغن‌ها، گریس‌ها و مواد شیمیایی
- در جذب ضربه و لرزش عملکرد خوبی دارند و پس از تغییر شکل، بازیابی خوبی دارند.
- مقاومت خوب در برابر تشکیل و انتشار ترک‌ها
7-1- پلی‌پروپیلن
در کابین خودرو، پلی‌پروپیلن (PP) به طور چشمگیری برای ساخت قطعات استفاده شده است و سهم آن به 55 درصد رسیده است. استفاده از پارچه در داخل خودرو برای صندلی‌ها، روکش‌های سقف و روکش‌های صفحات جانبی به‌طور فزاینده‌ای با پلی‌پروپیلن جایگزین شده است. یک نمونه طراحی جدید بدنه صندلی در مرسدس بنز کلاس A است که از پلی‌آمید اصلاح‌شده الاستومری تقویت‌شده با الیاف شیشه (PA6) ساخته شده است. بدنه صندلی به همان اندازه که از فلز ساخته شده باشد، ایمن است اما جرم کمتری دارد.
همچنین جایگزینی مجموعه فلزی پدال‌ها با قطعات ساخته‌شده از مواد پلیمری به این معنی است که جرم، استحکام، قیمت و ویژگی‌های این قطعات به‌طور قابل توجهی بهبود یافته است [2].
ساخت قطعات خودرو از مواد پلیمری
قالبگیری تزریقی
قالبگیری تزریقی مهم‌ترین روش چرخه‌ای فرآیند پلیمرها و پرکاربردترین روش در ساخت قطعات خودرو است. این فرآیند یک روش چرخه‌ای شکل‌دهی با تزریق ماده پلیمری دارای ویسکوزیته برشی مورد نیاز از واحدهای آماده‌سازی به داخل حفره قالب تنظیم‌شده با درجه حرارت مورد نیاز است. با واکنش‌های چند مرحله‌ای و یا کراس‌لینک (اتصال عرضی) یا خنک کردن محصول، قطعه مورد نظر ساخته می‌شود. روش قالبگیری تزریقی می‌تواند اتوماتیک باشد و برای ساخت قطعات قالبگیری‌شده با پایداری ابعادی و پیچیدگی بالا و همچنین در اندازه‌های مختلف مناسب است. قالبگیری تزریقی را می‌توان برای مایعات با ویسکوزیته کم (مانند فوم‌های پلی‌‌یورتان) یا مذاب‌های ترموپلاستیک اعمال کرد.
پیش از این تزریق با استفاده از پیستون صورت می‌گرفت اما امروزه قالبگیری تزریقی با پیچ انجام می‌شود. ماده پلیمری از طریق یک قیف وارد سیلندر داغ می‌شود و در آنجا توسط پیچ گیر می‌کند. سپس مواد ذوب می‌شوند و در بالای پیچ جمع می‌شوند. هنگامی که مواد مذاب به اندازه کافی جمع‌آوری شد، پیچ به سمت جلو حرکت می‌کند و مذاب را از طریق یک نازل به سیستم تغذیه قالب تزریق می‌کند. پس از اعمال فشار بر ماده و سرد شدن، قالب باز می‌شود و محصول از قالب خارج می‌شود. در انتها پیچ به حالت اولیه باز می‌گردد و برای قالبگیری جدید مواد آماده می‌شود. دستگاه‌های قالبگیری تزریقی تنها دارای یک پیچ هستند و دستگاه‌های بزرگ‌تر می‌توانند تا 175 لیتر مذاب را در هر مرتبه تزریق کنند.
توسعه موفقیت‌آمیز قالبگیری تزریقی ترموست‌ها، زمینه کاربرد آنها را به‌طور قابل توجهی گسترش داده است. قالبگیری تزریقی ترموست‌ها به‌ویژه در تولید قطعات قالبگیری با دیواره ضخیم بسیار حساس است، زیرا دوام مواد بسیار کوتاهمدت است و پس از آن ژل می‌شوند. برای قالبگیری تزریقی مذاب‌های ترموست می‌توان از دستگاهی استفاده کرد که برای قالبگیری تزریقی ترموپلاستیک‌ها نیز استفاده می‌شود [3].
گردآورنده: آریا مرادی
منابع
- Szeteiová, K., Automotive materials plastics in automotive markets today. Institute of production technologies, Machine technologies and materials, Faculty of Material Science and Technology in Trnava, Slovak University of technology Bratislava, 2010: p. 27-33.
- Sehanobish, K., Engineering plastics and plastic composites in automotive applications. Vol. 122. 2009: SAE International.
- Patil, A., A. Patel, and R. Purohit, An overview of polymeric materials for automotive applications. Materials Today: Proceedings, 2017. 4(2): p. 3807-3815.
