Trenbideko garraiorako material konposatuen alorrean ikerketak ia mende erdi daramatza.Txinan trenbide-garraioaren eta abiadura handiko trenaren garapen azkarra eta eremu honetan etxeko material konposatuen aplikazioa pil-pilean dauden arren, atzerriko trenbide-garraioan oso erabilia den material konposatuen zuntz indartua beira-zuntz gehiago da, hau da, desberdina. Txinan karbono-zuntzezko konpositeena.Artikulu honetan aipatzen den bezala, karbono-zuntza TPI Composites konpainiak garatutako gorputzerako material konposatuen % 10 baino gutxiago da, eta gainerakoa beira-zuntza da, beraz, kostua orekatu dezake, arina bermatuz.Karbono-zuntzaren erabilera masiboak kostu-zailtasunak eragiten ditu ezinbestean, eta, beraz, funtsezko egitura-osagai batzuetan erabil daiteke, hala nola bogie-ak.
50 urte baino gehiagoz, Norplex-Micarta konposite termoegonkorren fabrikatzaileak negozio iraunkorra izan du trenbide-garraioko aplikazioetarako materialak egiteko, besteak beste, trenak, trenbide arineko balazta-sistemak eta errail elektriko altxatuen isolamendu elektrikoa.Baina gaur egun, konpainiaren merkatua nitxo nahiko estu batetik haratago zabaltzen ari da aplikazio gehiagotara, hala nola hormak, teilatuak eta zoruak.
Dustin Davisek, Norplex-Micartako negozio-garapeneko zuzendariak, uste du trenbideek eta beste garraio masiboko merkatuek gero eta aukera gehiago eskainiko dizkietela bere enpresari, baita konpositeen fabrikatzaile eta hornitzaileei ere, datozen urteetan.Hainbat arrazoi daude espero den hazkunde hori, eta horietako bat Europako Suaren EN 45545-2 arauaren onarpena da, zeinak suaren, kearen eta gasen babesaren (FST) baldintza zorrotzagoak ezartzen dituen garraio masiborako.Erretxina fenolikoaren sistemak erabiliz, konpositeen fabrikatzaileek suaren eta kearen babeserako beharrezko propietateak sar ditzakete beren produktuetan.
Horrez gain, autobus, metro eta tren operadoreak material konposatuen abantailaz jabetzen hasi dira bibrazio zaratatsuak eta kakofonia murrizteko."Inoiz metroan egon bazara eta metalezko plaka bat entzuten baduzu", esan zuen Davisek.Panela material konposatuz eginda badago, soinua isilaraziko du eta trena isildu egingo du".
Erregaiaren erabilera murrizteko eta bere gama zabaltzeko interesa duten autobus-operadoreentzat ere erakargarria da konposatuaren pisu arinagoak.2018ko iraileko txosten batean, Lucintel merkatu ikerketa enpresak iragarri zuen garraio masiboan eta errepidez kanpoko ibilgailuetan erabiltzen diren konpositeen merkatu globala ehuneko 4,6ko urteko tasa haziko zela 2018 eta 2023 artean, 2023rako 1.000 milioi dolarreko balio potentziala izango zuela. Aukerak hainbat aplikaziotatik etorriko dira, besteak beste, kanpoko, barruko, kanpaia eta motordun piezak eta osagai elektrikoak.
Norplex-Micarta-k gaur egun Estatu Batuetako tren arinean probatzen ari diren pieza berriak ekoizten ditu.Horrez gain, konpainiak zuntz etengabeko materialen elektrifikazio sistemetan arreta jartzen jarraitzen du eta sendatze azkarragoko erretxina sistemekin konbinatzen ditu."Kostuak murriztu, produkzioa handitu eta FST fenolikoen funtzionaltasun osoa merkatura eraman dezakezu", azaldu du Davisek.Material konposatuak antzeko pieza metalikoak baino garestiagoak izan daitezkeen arren, Davisek dio kostua ez dela aztertzen ari diren aplikazioa determinatzen duen faktorea.
Argia eta suaren aurkakoa
Duetsche Bahn tren-operadore europarraren 66 ICE-3 Express bagoen flota birgaitzea material konposatuen gaitasunetako bat da bezeroen behar zehatzei erantzuteko.Aire girotuaren sistemak, bidaiarientzako entretenimendu sistemak eta eserleku berriek alferrikako pisua gehitu zuten ICE-3 tren-bagoiei.Gainera, jatorrizko kontratxapatuen zoruak ez zituen Europako suteen estandar berriak betetzen.Pisua murrizten laguntzeko eta suteen aurkako estandarrak betetzen laguntzeko zoru-soluzio bat behar zuen konpainiak.Zoru konposatu arina da erantzuna.
Saertexek, Alemanian kokatutako ehun konposatuen fabrikatzaileak, LEO® material sistema bat eskaintzen du bere zoruetarako.Daniel Stumpp-ek, Saertex Group-eko marketin-arduradun globalak, esan zuen LEO ehundutako ehunek baino propietate mekaniko handiagoak eta potentzial arin handiagoa eskaintzen duen ehun geruzatua eta ez-ondua dela.Lau osagaiz osatutako sistema konposatuak suaren aurkako estaldura bereziak, beira-zuntzez indartutako materialak, SAERfoam® (3D-beira-zuntzezko zubi integratuak dituen oinarrizko materiala) eta LEO binilester erretxinak ditu.
SMT (Alemanian ere egoitza), material konposatuen fabrikatzaileak, zorua hutsean betetzeko prozesu baten bidez sortu zuen Alan Harper konpainia britainiarrak egindako siliziozko hutsezko poltsa berrerabilgarriak erabiliz."Aurreko kontratxapatuaren pisuaren ehuneko 50 inguru aurreztu genuen", esan zuen Stumppek."LEO sistema zuntz etengabeko laminatuetan oinarritzen da, bete gabeko erretxin sistema batekin propietate mekaniko bikainak dituena... . Gainera, konpositea ez da usteltzen, eta hori abantaila handia da, batez ere neguan elurra egiten duen guneetan eta zorua bustita dago".Zoruak, goiko alfonbrak eta gomazko materialak suaren aurkako estandar berriak betetzen ditu.
SMTk 32.000 oin karratu baino gehiago ekoitzi ditu, eta orain arteko zortzi ICE-3 trenetatik heren batean instalatu dira.Eraberritze prozesuan, panel bakoitzaren tamaina optimizatzen ari da auto jakin batera egokitzeko.ICE-3 sedanaren OEMa hain harrituta geratu zen zoru konposatu berriarekin ezen teilatu konposatu bat agindu baitu trenbide-bagoietako metalezko teilatu-egitura zaharra partzialki ordezkatzeko.
Harago joan
Proterra, Kaliforniako diseinatzaile eta zero emisioko autobus elektrikoen fabrikatzaileak, material konposatuak erabiltzen ditu bere gorputz guztietan 2009az geroztik. 2017an, konpainiak errekorra ezarri zuen joan-etorri bakarreko 1.100 kilometro gidatuz bateriaz kargatutako Catalyst-ean. ®E2 autobusa.Autobus horrek TPI Composite konposite fabrikatzaileak egindako gorputz arin bat dauka.
* Duela gutxi, TPIk Proterrarekin lankidetzan aritu zen autobus elektriko konposatu bat ekoizteko."Ohiko autobus edo kamioi batean, txasis bat dago, eta gorputza txasis horren gainean jartzen da", azaldu du Todd Altman TPIko marketin estrategikoko zuzendariak.Autobusaren maskor gogorren diseinuarekin, xasisa eta karrozeria elkarrekin integratu ditugu, bakarreko autoaren diseinuaren antzera." Egitura bakar bat bi egitura bereizi baino eraginkorragoa da errendimendu baldintzak betetzeko.
Proterra oskol bakarreko karrozeria horretarako eraikia da, hutsetik diseinatuta ibilgailu elektriko bat izateko.Hori bereizketa garrantzitsua da, Altman-ek esan duenez, autogile eta autobus elektrikoen fabrikatzaile askoren esperientzia barne-errekuntzako motorren diseinu tradizionalak ibilgailu elektrikoetara egokitzeko saiakera mugatuak probatzea izan delako."Dauden plataformak hartzen eta ahalik eta bateria gehien biltzen saiatzen ari dira. Ez du irtenbiderik onena eskaintzen inongo ikuspuntutik"."Esan zuen Altmanek.
Autobus elektriko askok, adibidez, bateriak dituzte ibilgailuaren atzealdean edo gainean.Baina Proterrarentzat, TPI gai da bateria autobusaren azpian jartzeko."Ibilgailuaren egiturari pisu handia gehitzen bazaio, pisu hori ahalik eta arinena izatea nahi duzu, bai errendimenduaren ikuspegitik, bai segurtasunaren ikuspegitik", esan du Altmanek.Adierazi du autobus elektrikoen eta autoen fabrikatzaile asko marrazteko mahaira itzultzen ari direla beren ibilgailuentzako diseinu eraginkorragoak eta bideratuagoak garatzeko.
TPIk bost urteko hitzarmena egin du Proterrarekin, 3.350 autobus-karrozeria konposatu arte ekoizteko TPIk Iowa eta Rhode Island-en dituen instalazioetan.
Pertsonalizatu beharra
Catalyst autobusaren karrozeria diseinatzeak TPIk eta Proterrak material ezberdin guztien indarguneak eta ahuleziak etengabe orekatzea eskatzen du, kostu-helburuak bete ditzaten errendimendu optimoa lortuz.Altmanek adierazi zuen TPIk 200 oin inguruko luzera eta 25.000 kiloko pisua duten haize-pala handiak ekoizten duen esperientziari esker nahiko erraza da 6.000 eta 10.000 kilo arteko 40 oineko autobus karrozeria ekoiztea.
TPI-k behar den egitura-erresistentzia lortzeko gai da karbono-zuntza selektiboki erabiliz eta karga handiena jasaten duten eremuak sendotzeko atxikiz."Karbono-zuntza erabiltzen dugu, funtsean, auto bat eros dezakezun", esan zuen Altmanek.Oro har, karbono-zuntzak gorputzaren material konposatuaren indargarriaren ehuneko 10 baino gutxiago osatzen du, gainerakoa beira-zuntza izanik.
TPI-k antzeko arrazoi bategatik aukeratu zuen binilo ester erretxina."Epoxiak aztertzen ditugunean, bikainak dira, baina sendatzen dituzunean, tenperatura igo behar duzu, beraz, moldea berotu behar duzu. Gastu gehigarria da", jarraitu du.
Konpainiak hutsean lagundutako erretxina transferitzeko moldaketa (VARTM) erabiltzen du oskol bakar bati beharrezko zurruntasuna ematen dioten sandwich-egitura konposatuak sortzeko.Fabrikazio-prozesuan zehar, metalezko osagarri batzuk (harizko osagarriak eta txorrotatze-plakak, esaterako) gorputzean sartzen dira.Autobusa goiko eta beheko zatietan banatzen da, eta gero elkarrekin itsatsi egiten dira.Langileek gero konposatu apaingarri txikiak gehitu behar dituzte, hala nola, carenadoak, baina pieza kopurua metalezko autobusaren zati bat da.
Amaitutako karrozeria Proterra autobusen ekoizpen plantara bidali ondoren, ekoizpen-lerroa azkarrago doa, lan gutxiago dagoelako egiteko."Ez dute soldadura, artezketa eta fabrikazio guztiak egin behar, eta interfaze oso sinplea dute karrozeria trakzioarekin konektatzeko", gaineratu du Altmanek.Proterra-k denbora aurrezten du eta gainkostuak murrizten ditu, oskol monokotikorako fabrikazio espazio gutxiago behar delako.
Altmanek uste du autobus konposatuen karrozeriaren eskaera hazten jarraituko duela hiriak autobus elektrikoetara jotzen duen heinean, kutsadura murrizteko eta kostuak murrizteko.Proterra-ren arabera, bateria-ibilgailu elektrikoek funtzionamendu-zikloko kostu txikiena dute (12 urte) diesel, gas natural konprimitu edo diesel autobus hibridoekin alderatuta.Hori izan daiteke Proterra-k dioen arrazoietako bat bateriaz elikatzen diren autobus elektrikoen salmentak garraio-merkatu osoaren %10 direla orain.
Oraindik oztopo batzuk daude autobus elektrikoen karrozeria material konposatuak zabaltzeko.Bata autobus bezeroen beharrizanen espezializazioa da."Garraio-agintari guztiei gustatzen zaie autobusak modu ezberdin batean jasotzea: eserlekuaren konfigurazioa, eskotila irekitzea. Erronka handia da autobus-fabrikatzaileentzat, eta konfigurazio elementu horietako asko guregana joan daitezke"."Altman-ek esan zuen." Karrozeria integratuko fabrikatzaileek eraikuntza estandarra izan nahi dute, baina bezero bakoitzak pertsonalizazio maila altua nahi badu, zaila izango da hori egitea. "TPIk Proterrarekin lanean jarraitzen du autobusaren diseinua hobetzeko, hobeto kudeatzeko. amaierako bezeroek eskatzen duten malgutasuna.
Arakatu aukera
Composites-ek bere materialak garraio masiboko aplikazio berrietarako egokiak diren ala ez probatzen jarraitzen du.Erresuma Batuan, karbono-zuntza birziklatzeko eta berrerabiltzeko teknologian espezializatuta dagoen ELG Carbon Fibre-k bidaiarien autoetan bogieetarako material konposatu arinak garatzen dituzten enpresen partzuergo bat zuzentzen du.Bogieak autoaren gorputzari eusten dio, gurpilak gidatzen ditu eta egonkortasuna mantentzen du.Ibiltzeko erosotasuna hobetzen laguntzen dute, trenbidearen bibrazioak xurgatuz eta indar zentrifugoa gutxituz trena biratzen denean.
Proiektuaren helburu bat metalezko bogie konparagarriak baino ehuneko 50 arinagoak diren bogieak ekoiztea da.«Bogie-a arinagoa bada, kalte gutxiago eragingo dio pistari, eta pistako karga txikiagoa izango denez, mantentze denbora eta mantentze-kostuak murriztu daitezke», dio Camille Seurat ELGko produktuen garapen ingeniariak.Helburu gehigarriak dira albotik trenbideko gurpilen indarrak % 40 murriztea eta bizitza osorako egoera kontrolatzea.Erresuma Batuko irabazi asmorik gabeko Rail Safety and Standards Board (RSSB) proiektua finantzatzen ari da komertzialki bideragarria den produktu bat ekoizteko helburuarekin.
Fabrikazio entsegu zabalak egin dira eta proba-panel batzuk egin dira trokelen prentsaketa, ohiko hezea, perfusioa eta autoklabea erabiliz.Bogieen ekoizpena mugatua izango zenez, konpainiak autoklabeetan ondutako epoxi prepreg aukeratu zuen eraikuntza-metodorik errentagarriena gisa.
Tamaina osoko bogie prototipoak 8,8 oin luze, 6,7 oin zabal eta 2,8 oin altu ditu.Karbono-zuntz birziklatuaren (ELG-k eskaintzen dituen ehundu gabeko kuxins) eta karbono-zuntz gordinaren ehunarekin konbinatuta dago.Norabide bakarreko zuntzak indar-elementu nagusirako erabiliko dira eta moldean jarriko dira teknologia robotikoa erabiliz.Propietate mekaniko onak dituen epoxi bat aukeratuko da, hau da, formulatu berri den epoxi suaren aurkako epoxi bat, EN45545-2 ziurtagiria duena, trenbideetan erabiltzeko.
Altzairuzko bogieak ez bezala, zeinak gidatzeko habeetatik bi alboko habeetara soldatzen diren, bogie konposatuak eraikiko dira goi eta behealde ezberdinekin, gero elkartzen diren.Dauden metalezko bogieak ordezkatzeko, bertsio konposatuak esekidura eta balazta konexio euskarriak eta gainerako osagarriak konbinatu beharko ditu posizio berean."Oraingoz, altzairuzko osagarriak mantentzea aukeratu dugu, baina proiektu gehiagorako, interesgarria izan liteke altzairuzko osagarriak konposite motako osagarriekin ordezkatzea, azken pisua gehiago murriztu ahal izateko", esan du Seuratek.
Birminghameko Unibertsitateko Sentsoreen eta Konposatuen Taldeko partzuergoko kide bat sentsorearen garapena gainbegiratzen ari da, fabrikazio fasean konpositezko bogiean integratuko dena."Sentsore gehienak bogieko puntu diskretuetan tentsioa monitorizatzera bideratuko dira, eta beste batzuk, berriz, tenperatura hautematerako dira", esan du Seuratek.Sentsoreek egitura konposatuaren denbora errealeko monitorizazioa ahalbidetuko dute, bizitza osorako karga datuak biltzeko aukera emanez.Horrek karga gailurrari eta epe luzerako nekeari buruzko informazio baliotsua emango du.
Aurretiazko ikerketek adierazten dute bogie konposatuek nahi den pisua %50eko murrizketa lortzeko gai izan behar dutela.Proiektuko taldeak bogie handi bat probak egiteko prest izatea espero du 2019 erdialderako.Prototipoak espero bezala funtzionatzen badu, bogie gehiago ekoiztuko dituzte Alstom tren garraio enpresak egindako tranbiak probatzeko.
Seuraten arabera, oraindik lan asko egiteko dagoen arren, lehen zantzuek iradokitzen dute posible dela komertzialki bideragarria den bogie konposatu bat eraikitzea, metalezko bogieekin lehiatzeko kostuan eta erresistentzian."Orduan, uste dut trenbideen industrian konpositeentzako aukera eta aplikazio potentzial asko daudela", gaineratu du.(Qian Xin doktoreak Karbono-zuntz eta bere teknologia konposatuetatik berrargitaratutako artikulua).
Argitalpenaren ordua: 2023-07-07