Jedną z możliwości obniżenia kosztów wymaganych do produkcji narzędzi jest zastosowanie tworzywa sztucznego w poszyciu samochodu. Materiał ten jest bardziej ekonomiczny w przypadku produkcji wiekszej niż 30 000 sztuk stalowych elementów rocznie lub 70 000 elementów aluminiowych rocznie. Niezaprzeczalną zaletą tworzyw sztucznych jest także ich niska masa.

Z tworzywa można wykonać błotnik o 30–40% lżejszy niż w przypadku zastosowania blachy stalowej, i to przy prawie takiej samej sztywności powierzchni. Tworzywo sztuczne nie różni się natomiast masą od aluminium. Dlatego też w wielu pojazdach pojedyncze części nadwozia wykonuje się z tworzywa sztucznego. Niektóre auta są nawet w całości pokryte tworzywem, np. Smart Fortwo, a niektóre mają nawet konstrukcję nośną wykonaną z laminatu.

Poszycie nadwozia to jednak tylko pojedynczy przypadek zastosowania tworzyw sztucznych. Od dawna z tego organicznego materiału tworzy się takie elementy, jak zderzaki lub spojlery. W międzyczasie pojawiły się też pojazdy, których konstrukcję w całości wykonano z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknami – przykład to wymieniony już model i3.

Z tworzywa sztucznego można nawet wykonać szyby czy elementy dachu. Zła opinia taniego rozwiązania, która przylgnęła do tego materiału w czasach NRD i produkowanego wówczas Trabanta, już dawno minęła. W BMW tworzywo sztuczne jest stałą częścią składową strategii rozwoju. Również inne marki przywiązują do niego dużą wagę.

Właściwości laminatów

Cechą laminatu jest to, że składa się on z dwóch materiałów bazowych, które różnią się właściwościami mechanicznymi i fizycznymi. Jest to więc materiał kompozytowy. Laminat powstaje zazwyczaj przez usztywnienie włókien zbrojących spoiwem. Włókna zbrojące pełnią funkcję konstrukcyjną i przenoszą naprężenia ściskające i rozciągające. Spoiwo, które unieruchamia włókna, przenosi siły tnące, czyli te, które mogłyby spowodować przesuwanie się włókien zbrojących względem siebie.

Na podstawie tych założeń można już wysnuć wniosek, że w laminacie kluczową rolę odgrywa samo rozmieszczenie włókien, jego kierunek oraz rodzaj i ilość substancji wiążącej. Zbyt duża ilość substancji wiążącej w stosunku do liczby włókien zbrojących powoduje spadek wytrzymałości laminatu, a zbyt mała – niedostateczne połączenie włókien także skutkujące spadkiem wytrzymałości.

Przemysłowe wytwarzanie laminatów rozpoczęło się w momencie, kiedy możliwe stało się kontrolowanie procesów związanych z łączeniem materiałów wiążących.
I tak, na początku XX wieku z laminatów zaczęto produkować elementy do urządzeń elektronicznych. Powstawały one przez sprasowanie pakietu składającego się z kilku warstw płótna bawełnianego lub konopnego nasączonego żywicą termoutwardzalną (fenolowo-formaldehydową, potocznie zwaną bakelitem). Aby laminat taki osiągnął pełną wytrzymałość, konieczne było prasowanie w podwyższonej temperaturze. Jak każda nowa technologia, tak i ta była dość droga, co powodowało, że nie był to materiał do zastosowań masowych. Dodatkowo właściwości mechaniczne ówczesnych kompozytów odbiegały od materiałów współczesnych, co powodowało, że element z laminatu był większy i cięższy od spełniającego te same warunki wytrzymałościowe detalu wykonanego z innego materiału konstrukcyjnego.

Innym rodzajem laminatu stosowanego w elektronice jest popularna płytka drukowana, która powstaje przez prasowanie tkanin nasyconych żywicą epoksydową lub akrylową.

Gwałtowny rozwój produkcji laminatów nastąpił w latach 50. XX w., kiedy dopracowano technologię wytwarzania tanich żywic poliestrowych, żywic chemoutwardzalnych oraz włókien szklanych. Znaczne obniżenie kosztów produkcji i dostępność żywic sprawiły, że technologia produkcji laminatów stała się na tyle prosta, że można było wytwarzać laminaty nawet metodami chałupniczymi.

Rosnąca popularność laminatów doprowadziła do szybkiego rozwoju technologii ich produkcji, który przejawia się przede wszystkim w stosowaniu nowych rodzajów żywic. I tak, laminaty na bazie poliestrowej były powoli wypierane przez te zawierające spoiwo epoksydowe. Nie był to proces natychmiastowy, ponieważ żywice epoksydowe okazały się trudne w produkcji z powodu braku pełnej kontroli nad procesem utwardzania oraz dość wysokiej ceny.

Włókna zbrojące także ewoluowały. Z reguły stosuje się włókna szklane, jednak w zastosowaniach o bardzo wysokich wymaganiach wytrzymałościowych preferuje się włókna węglowe (carbon) oraz aramidowe (kevlar). Cechują się one znacznie korzystniejszym współczynnikiem wytrzymałości do masy własnej.

Trudne początki

Pierwsze pomysły na samochody z tworzywa sztucznego wdrożono w czasach II wojny światowej. Powód był prosty – stal była potrzebna w przemyśle zbrojeniowym. Henry Ford w 1941 r. wpadł na pomysł budowy samochodów nazwanych „Soybean car” (samochód sojowy). Skąd ta nazwa? Otóż karoserię i błotniki stworzono z mocnego materiału pochodzącego z soi, pszenicy i kukurydzy. Ramę tego samochodu wykonano z rur stalowych, do których przymocowano około 14 plastikowych paneli o grubości ćwierć cala (6 mm). Okna wykonano z arkuszy akrylowych. Wszystko to doprowadziło do zmniejszenia masy typowego samochodu z 2500 funtów (1134 kg) do 1900 funtów (862 kg), co oznacza redukcję masy o ok. 25%.

Dokładne składniki tego tworzywa sztucznego, a właściwie laminatu, nie są znane, ponieważ nie istnieje żadna dokumentacja. Spekuluje się, że było to połączenie soi, pszenicy, konopi, lnu i ramii. Według Lowella Overly, który miał największy wpływ na stworzenie samochodu, było to włókno sojowe w żywicy fenolowej z formaldehydem użytym do impregnacji.

Szkło jako zbrojenie

Pomysł się jednak nie przyjął. Tak szybko, jak Ford na niego wpadł, tak samo szybko z niego zrezygnowano. Na kolejne wejście tworzyw sztucznych do motoryzacji trzeba było jeszcze chwilę poczekać. W 1953 r. poszycia z laminatu wróciły jednak ze zdwojoną siłą. Rewolucyjny okazał się model Chevrolet Corvette C1,
którego nadwozie wykonano z laminatu zbrojonego włóknem szklanym.

Kolejne nadwozia z tworzyw sztucznych pojawiły się szybko. Już w 1955 r. w Europie zaczęto produkować samochód AWZ P70, który był pierwszym produkowanym w NRD samochodem z nadwoziem z tworzyw sztucznych (duroplastów) i z drewnianym szkieletem opartym na stalowej ramie skrzynkowej (analogicznej jak w samochodach Wartburg i polskiej Syrenie).

Auto P70 ewoluowało do modelu P50, a następnie do Trabanta, którego nadwozie także wykonano z duroplastów. Nie były to jednak typowe duroplasty, lecz laminaty zbrojone matami bawełnianymi, które właściwie stanowiły odpad po produkcji i barwieniu materiałów bawełnianych.

Nadwozie samonośne z tworzywa

W 1957 r. Lotus zaprezentował model Elite, który był kolejnym krokiem naprzód w dziedzinie konstrukcji nadwozi. W tym modelu stworzono nadwozie typu „monocoque” wykonane z laminatu z włóknem szklanym. W Elite wykorzystano tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem szklanym w całej konstrukcji nośnej samochodu. Stalowa rama pomocnicza do podtrzymywania silnika i przedniego zawieszenia została wklejona z przodu nadwozia. Podobnie jak opaska przytrzymująca przednią szybę, która stanowi również punkty mocowania zawiasów drzwi, punkt podnoszenia samochodu i wzmocnienie na wypadek dachowania.

Początkowo konstrukcja nadwozia nie była udana i sprawiała wiele kłopotów. Przede wszystkim problematyczne stały się punkty przenoszące duże siły, czyli miejsca montażu wahaczy, które „wyciągały” ze struktury materiału włókna wzmacniające.

Francuska ekstrawagancja

Francuzi zawsze lubili odważne rozwiązania. Jeśli chodzi o tworzywa sztuczne, można przytoczyć przykład małego samochodu Citroën AX z lat 80. XX w., wyposażonego w plastikową klapę bagażnika z szybą przykręcaną do niej śrubami. Nowszym pomysłem marki jest C4 Cactus wyposażony w „airbumps” („zderzaki” powietrzne). Przymocowane po bokach z przodu i z tyłu plastikowe części sprawiają, że samochód wygląda na wytrzymały. Jednocześnie chronią karoserię przed zadrapaniami. Airbumps składają się z dwóch grubych folii z tworzywa sztucznego o różnej sztywności. Zamknięte między nimi powietrze amortyzuje uderzenia. Chroni to nadwozie przed uszkodzeniami, które wynikają z uderzeń z prędkością mniejszą niż 4 km/h (wózki na zakupy, drzwi zaparkowanych obok samochodów itp.).

Warstwa zbudowana jest z Elastollanu HPM, odpornego na promieniowanie UV termoplastycznego poliuretanu (TPU). Formowany wtryskowo element z Elastollanu mocuje się do skorupy nośnej z poliwęglanu i kopolimeru akrylonitrylo-butadieno-styrenowego (ABS). W ten sposób tworzy się elastyczne, puste przestrzenie, które po ustaniu siły powodującej odkształcenie powracają do pierwotnego kształtu. Cały element nośny mocowany jest do metalowej karoserii.

Jak twierdzi firma BASF – producent tego tworzywa – ze względu na dobre właściwości montażowe wariantu HPM powstaje mocne połączenie, nieosiągalne w przypadku ogólnie używanych materiałów, takich jak polipropylen.

CFRP – ukryty termoplast

Producenci samochodów unikają jednak „taniej optyki” w postaci lakierowanego tworzywa sztucznego. Istnieje tworzywo sztuczne, które przemysł samochodowy bardzo stara się zaprezentować w sposób atrakcyjny i rzucający się w oczy: włókno węglowe (CFRP).

Poszycia dachów sportowych modeli BMW już od lat wykonywane są z CFRP. Lakieruje się je tylko lakierem bezbarwnym, aby drogi materiał dobrze się prezentował. Samochód elektryczny i3 również ma dach wykonany z CFRP, podczas gdy resztę poszycia wyprodukowano z lakierowanego termoplastu.

Wieloczęściowe poszycie wytwarzane jest przeważnie z termoplastycznych tworzyw sztucznych formowanych wtryskowo, które są też stosowane w tradycyjnej produkcji pojazdów (fartuchy przednie i tylne, progi itd.).

Sporym wyzwaniem dla konstruktorów wielkopowierzchniowych części poszycia wykonanych z tworzyw sztucznych jest rozszerzalność cieplna materiału. Jest ona około dwukrotnie większa niż w przypadku aluminium i nawet pięciokrotnie większa niż w przypadku stali. Pojedyncze panele są tak przymocowane do pojazdu, że rozszerzalność cieplna części jest równomiernie kompensowana we wszystkich połączeniach.

Podstawowym wymogiem doskonałej jakości powierzchni jest swobodne rozszerzanie materiału bez wewnętrznych naprężeń, które mogą uwidocznić się na powierzchni. Karoseria z tworzywa sztucznego ma także specjalne wymagania w zakresie lakieru: temperatury przetwarzania wynoszą 140–190°C dla pojedynczych warstw.

Części wykonane z tworzywa sztucznego muszą wytrzymać te temperatury, co wymaga ich specjalnego ułożenia na karoserii. Nakładanie elektrostatyczne wymaga dodatkowo pewnej przewodności elektrycznej, którą musi mieć materiał lub którą nadaje się, stosując przewodzącą warstwę podkładową. W przypadku BMW i3 projektanci zastosowali PP-EPDM lub PC-SAN (zależnie od modułu elektrycznego. PP-EPDM to połączenie termoplastycznego elastomeru polipropylenu z terpolimerem etylenowo-propylenowo-dienowym (EPDM), który nie jest materiałem drogim. Jeżeli wymagana jest większa wytrzymałość, stosuje się PC-SAN – poliwęglan poli(styren-co-akrylonitrylu).

Rosnąca liczba materiałów

Interesujące w karoserii i3 jest to, że nawet wykonana z wysoce sztywnego CFRP kabina pasażera (Life-Modul) korzysta jednak z pewnych dodatkowych wzmocnień. Między zewnętrzną i wewnętrzną skorupą umieszczono części strukturalne z poli(tereftalanu butylenu) (PBT). Największą z nich jest tzw. część integracyjna.

Znajduje się ona z tyłu (z boku), między wykonanymi z włókna węglowego powłokami karoserii. Spełnia podwójną funkcję – przyjmuje impet ewentualnego zderzenia i jednocześnie oddziela obie powłoki nadwozia. Poza tym zwiększa sztywność struktury karoserii i tworzy tylny otwór bocznego okna.

Ponad 24 małe części z Ultraduru o łącznej masie około 9 kg znajdują się w innych częściach karoserii, gdzie pełnią funkcję wzmocnień i zapewniają odpowiednią akustykę.

Zastosowanie tworzywa sztucznego w nadwoziu ograniczało się do tej pory, w ogólnym ujęciu, do dwóch klas materiałów. Są nimi łatwe do obróbki i niedrogie termoplasty, które mają jednak niską sztywność i nośność, oraz wzmocnione włóknami duroplasty, które co prawda mają bardzo wysokie parametry, ale są drogie. Droga jest także technika ich produkcji.

Mimo to dzisiaj branża motoryzacyjna wykorzystuje coraz więcej nowych materiałów złożonych lub hybrydowych. Jedną z możliwości są tworzywa sztuczne wzmocnione krótkimi włóknami, zbudowane z poliuretanu (PU) wypełnionego włóknami szklanymi, mineralnymi lub węglowymi o długości do 200 µm. Dają się one formować wtryskowo jak tradycyjne tworzywo sztuczne i spełniają w ten sposób najbardziej ambitne wizje projektantów.

Przykładem jest materiał będący połączeniem włókien węglowych i poliuretanu – Elastolit – produkowany także na potrzeby BMW i3. Stosuje się go w samonośnej skorupie tylnego siedzenia, której grubość wynosi tylko 1,4 mm.

Tworzywa sztuczne o krótkich i długich włóknach stosuje się już w wielu samochodach osobowych i użytkowych, redukując ich masę do 40%. Aby zastąpić metale w miejscach, w których mają za zadanie utrzymanie ciężaru, konieczne jest celowe wzmocnienie włóknami ciągłymi. Tworzywa sztuczne można też łączyć z innymi materiałami i w ten sposób tworzyć nowe materiały do produkcji nadwozi o interesujących właściwościach. Dla przykładu, w trakcie formowania wtryskowego można wkomponować wzmocnienia metalowe, łącząc w ten sposób łatwość formowania tworzywa sztucznego z wysoką sztywnością metalu. Metodą rozpyłową można wyprodukować zarówno wzmocnione włóknem szklanym struktury kompozytowe i warstwowe, jak i wysoce sztywne konstrukcje warstwowe z pianki poliuretanowej z zewnętrzną warstwą CFRP.