Inozemna istraživanja na području kompozitnih materijala za željeznički promet traju već gotovo pola stoljeća.Iako su brzi razvoj željezničkog tranzita i brze željeznice u Kini i primjena domaćih kompozitnih materijala u ovom području u punom zamahu, ojačana vlakna kompozitnih materijala koji se naširoko koriste u inozemnom željezničkom tranzitu više su staklena vlakna, što se razlikuje od kompozita od karbonskih vlakana u Kini.Kao što je spomenuto u ovom članku, ugljična vlakna čine manje od 10% kompozitnih materijala za karoseriju koje je razvila tvrtka TPI Composites Company, a ostatak su staklena vlakna, tako da mogu uravnotežiti cijenu, a istovremeno osigurati malu težinu.Masovna uporaba karbonskih vlakana neizbježno dovodi do poteškoća s troškovima, tako da se mogu koristiti u nekim ključnim strukturnim komponentama kao što su okretna postolja.
Više od 50 godina Norplex-Micarta, proizvođač termoreaktivnih kompozita, ima stabilan posao u proizvodnji materijala za aplikacije u željezničkom prijevozu, uključujući vlakove, sustave kočenja lakih željeznica i električnu izolaciju za povišene električne tračnice.Ali danas se tržište tvrtke širi izvan relativno uske niše na više aplikacija kao što su zidovi, krovovi i podovi.
Dustin Davis, direktor poslovnog razvoja za Norplex-Micarta, vjeruje da će željeznica i druga tržišta masovnog prijevoza sve više pružati mogućnosti za njegovu tvrtku, kao i za druge proizvođače i dobavljače kompozita, u nadolazećim godinama.Postoji nekoliko razloga za ovaj očekivani rast, od kojih je jedan europsko usvajanje protupožarne norme EN 45545-2, koja uvodi strože zahtjeve za zaštitu od požara, dima i plina (FST) za masovni transport.Korištenjem sustava fenolnih smola, proizvođači kompozita mogu u svoje proizvode ugraditi potrebna svojstva zaštite od požara i dima.
Osim toga, prijevoznici autobusa, podzemne željeznice i vlakova počinju shvaćati prednosti kompozitnih materijala u smanjenju bučnih vibracija i kakofonije.Ako ste ikada bili u podzemnoj željeznici i čuli zveckanje metalne ploče, rekao je Davis.Ako je ploča napravljena od kompozitnog materijala, utišat će zvuk i učiniti vlak tišim."
Manja težina kompozita također ga čini privlačnim autobusnim prijevoznicima zainteresiranim za smanjenje potrošnje goriva i proširenje njegovog asortimana.U izvješću iz rujna 2018., tvrtka za istraživanje tržišta Lucintel predvidjela je da će globalno tržište kompozita koji se koriste u masovnom prijevozu i terenskim vozilima rasti po godišnjoj stopi od 4,6 posto između 2018. i 2023., s potencijalnom vrijednošću od milijardu dolara do 2023. Prilike će doći iz raznih primjena, uključujući vanjske, unutarnje, dijelove motora i pogonskog sklopa te električne komponente.
Norplex-Micarta sada proizvodi nove dijelove koji se trenutno testiraju na linijama lake željeznice u Sjedinjenim Državama.Osim toga, tvrtka se nastavlja fokusirati na sustave elektrifikacije s kontinuiranim vlaknastim materijalima i kombinira ih sa sustavima smola koji se brže stvrdnjavaju."Možete smanjiti troškove, povećati proizvodnju i donijeti punu funkcionalnost FST phenolic na tržište", objasnio je Davis.Iako kompozitni materijali mogu biti skuplji od sličnih metalnih dijelova, Davis kaže da cijena nije odlučujući čimbenik primjene koji proučavaju.
Lagan i otporan na plamen
Obnova voznog parka europskog željezničkog operatera Duetsche Bahn od 66 vagona ICE-3 Express jedna je od mogućnosti kompozitnih materijala za ispunjavanje specifičnih potreba kupaca.Sustav klimatizacije, sustav za zabavu putnika i nova sjedala dodali su nepotrebnu težinu vagonima ICE-3.Osim toga, originalni pod od šperploče nije zadovoljavao nove europske protupožarne standarde.Tvrtka je trebala rješenje za podove kako bi smanjila težinu i ispunila standarde zaštite od požara.Lagani kompozitni podovi su odgovor.
Saertex, proizvođač kompozitnih tkanina sa sjedištem u Njemačkoj, nudi LEO® sustav materijala za svoje podove.Daniel Stumpp, globalni voditelj marketinga u Saertex Grupi, rekao je da je LEO slojevita, nenaborana tkanina koja nudi bolja mehanička svojstva i veći potencijal male težine od tkanih tkanina.Četverokomponentni kompozitni sustav uključuje posebne premaze otporne na vatru, materijale ojačane staklenim vlaknima, SAERfoam® (materijal jezgre s integriranim 3D mostovima od staklenih vlakana) i LEO vinil esterske smole.
SMT (također sa sjedištem u Njemačkoj), proizvođač kompozitnih materijala, napravio je pod postupkom vakuumskog punjenja koristeći silikonske vakuumske vrećice za višekratnu upotrebu britanske tvrtke Alan Harper."Uštedjeli smo oko 50 posto težine prethodne šperploče", rekao je Stumpp."LEO sustav temelji se na laminatima od kontinuiranih vlakana sa sustavom smole bez punila s izvrsnim mehaničkim svojstvima... Osim toga, kompozit ne trune, što je velika prednost, posebno u područjima gdje zimi pada snijeg i pod je mokar."Pod, gornji tepih i gumeni materijal zadovoljavaju nove standarde za usporavanje plamena.
SMT je proizveo više od 32.000 četvornih stopa panela, koji su ugrađeni u oko trećinu od osam ICE-3 vlakova do danas.Tijekom procesa obnove, veličina svake ploče se optimizira kako bi odgovarala određenom automobilu.OEM limuzine ICE-3 bio je toliko impresioniran novim kompozitnim podom da je naručio kompozitni krov kako bi djelomično zamijenio staru metalnu krovnu konstrukciju u vagonima.
Idi dalje
Proterra, kalifornijski dizajner i proizvođač električnih autobusa s nultom emisijom, koristi kompozitne materijale u svim svojim karoserijama od 2009. Godine 2017. tvrtka je postavila rekord vozeći 1100 jednosmjernih milja na svom Catalystu s baterijskim punjenjem ®E2 sabirnica.Taj autobus ima laganu karoseriju proizvođača kompozita TPI Composite.
* Nedavno je TPI surađivao s tvrtkom Proterra na proizvodnji integriranog sve-u-jednom kompozitnog električnog autobusa."U tipičnom autobusu ili kamionu postoji šasija, a karoserija se nalazi na vrhu te šasije", objašnjava Todd Altman, direktor strateškog marketinga u TPI-u.S čvrstim dizajnom autobusa, zajedno smo integrirali šasiju i karoseriju, slično dizajnu automobila sve u jednom." Jedna struktura je učinkovitija od dvije odvojene strukture u ispunjavanju zahtjeva performansi.
Karoserija Proterra s jednom školjkom je namjenski izrađena, dizajnirana od nule da bude električno vozilo.To je važna razlika, rekao je Altman, jer je iskustvo mnogih proizvođača automobila i električnih autobusa bilo ograničeno pokušavanje prilagodbe njihovih tradicionalnih dizajna motora s unutarnjim izgaranjem električnim vozilima."Uzimaju postojeće platforme i pokušavaju spakirati što više baterija. Ne nudi najbolje rješenje ni s jedne točke gledišta."“ rekao je Altman.
Mnogi električni autobusi, primjerice, imaju baterije u stražnjem dijelu ili na vrhu vozila.Ali za Proterru, TPI može montirati bateriju ispod autobusa."Ako dodajete veliku težinu strukturi vozila, želite da ta težina bude što lakša, kako sa stajališta performansi tako i sa stajališta sigurnosti", rekao je Altman.Napomenuo je da se mnogi proizvođači električnih autobusa i automobila sada vraćaju na ploču za crtanje kako bi razvili učinkovitije i ciljanije dizajne za svoja vozila.
TPI je sklopio petogodišnji ugovor s tvrtkom Proterra o proizvodnji do 3350 kompozitnih autobusnih karoserija u TPI-jevim pogonima u Iowi i Rhode Islandu.
Treba prilagoditi
Projektiranje kućišta autobusa Catalyst zahtijeva da TPI i Proterra konstantno usklađuju snage i slabosti svih različitih materijala kako bi mogli ispuniti troškovne ciljeve uz postizanje optimalnih performansi.Altman je primijetio da TPI-jevo iskustvo u proizvodnji velikih lopatica za vjetar koje su duge oko 200 stopa i teške 25.000 funti čini relativno jednostavnom za njih proizvodnju karoserija autobusa od 40 stopa koje teže između 6.000 i 10.000 funti.
TPI može postići potrebnu strukturnu čvrstoću selektivnom upotrebom ugljičnih vlakana i njihovim zadržavanjem za ojačavanje područja koja nose najveće opterećenje."Mi koristimo karbonska vlakna tamo gdje možete kupiti automobil", rekao je Altman.Sveukupno, ugljična vlakna čine manje od 10 posto kompozitnog materijala za ojačanje karoserije, dok je ostatak stakloplastika.
TPI je odabrao vinil estersku smolu iz sličnog razloga."Kada gledamo epokside, oni su izvrsni, ali kada ih stvrdnete, morate podići temperaturu, pa morate zagrijati kalup. To je dodatni trošak", nastavio je.
Tvrtka koristi kalupljenje za prijenos smole uz pomoć vakuuma (VARTM) za proizvodnju kompozitnih sendvič struktura koje pružaju potrebnu krutost jednoj ljusci.Tijekom proizvodnog procesa, neki metalni priključci (kao što su navojni priključci i ploče za navoj) ugrađeni su u tijelo.Autobus je podijeljen na gornji i donji dio koji se zatim lijepe.Radnici kasnije moraju dodati male kompozitne ukrase kao što su obloge, ali broj dijelova je djelić metalnog autobusa.
Nakon slanja gotove karoserije u tvornicu za proizvodnju autobusa Proterra, proizvodna linija teče brže jer ima manje posla."Ne moraju raditi sve zavarivanje, brušenje i proizvodnju, a imaju vrlo jednostavno sučelje za povezivanje karoserije s pogonskim sklopom", dodao je Altman.Proterra štedi vrijeme i smanjuje režijske troškove jer je potrebno manje proizvodnog prostora za monokotičnu ljusku.
Altman vjeruje da će potražnja za kompozitnim karoserijama autobusa nastaviti rasti kako se gradovi okreću električnim autobusima kako bi smanjili zagađenje i smanjili troškove.Prema Proterri, baterijska električna vozila imaju najnižu cijenu životnog ciklusa (12 godina) u usporedbi s dizelskim, stlačenim prirodnim plinom ili dizelskim hibridnim autobusima.To bi mogao biti jedan od razloga zašto Proterra kaže da prodaja električnih autobusa na baterije sada čini 10% ukupnog transportnog tržišta.
Još uvijek postoje neke prepreke širokoj primjeni kompozitnih materijala u karoseriji električnih autobusa.Jedan je specijalizacija za različite potrebe kupaca autobusa."Svaki prijevoznik voli nabaviti autobuse na drugačiji način -- konfiguracija sjedala, otvaranje otvora. To je veliki izazov za proizvođače autobusa, a mnoge od tih konfiguracijskih stavki mogle bi ići nama.""Rekao je Altman. "Proizvođači integriranih karoserija žele imati standardnu izradu, ali ako svaki kupac želi visok stupanj prilagodbe, to će biti teško postići." TPI nastavlja raditi s Proterrom na poboljšanju dizajna autobusa za bolje upravljanje fleksibilnost koju zahtijevaju krajnji kupci.
Istražite mogućnost
Composites nastavlja testirati jesu li njegovi materijali prikladni za nove primjene masovnog prijevoza.U Ujedinjenom Kraljevstvu, ELG Carbon Fibre, koji je specijaliziran za tehnologiju za recikliranje i ponovnu upotrebu karbonskih vlakana, vodi konzorcij tvrtki koje razvijaju lagane kompozitne materijale za okretna postolja u osobnim automobilima.Okretno postolje podupire karoseriju automobila, vodi osovinski sklop i održava njegovu stabilnost.Pomažu u poboljšanju udobnosti vožnje apsorbirajući vibracije tračnica i smanjujući centrifugalnu silu dok vlak skreće.
Jedan od ciljeva projekta je proizvesti okretna postolja koja su 50 posto lakša od usporedivih metalnih okretnih postolja."Ako je okretno postolje lakše, uzrokovat će manju štetu na stazi, a budući da će opterećenje na stazi biti manje, vrijeme održavanja i troškovi održavanja mogu se smanjiti", kaže Camille Seurat, inženjerka razvoja proizvoda u ELG-u.Dodatni ciljevi su smanjiti sile bočnih kotača na tračnice za 40% i osigurati nadzor stanja tijekom cijelog životnog vijeka.Britanski neprofitni Odbor za željezničku sigurnost i standarde (RSSB) financira projekt s ciljem proizvodnje komercijalno isplativog proizvoda.
Provedena su opsežna proizvodna ispitivanja i napravljen je niz ispitnih ploča korištenjem preprega iz kalupnog prešanja, konvencionalnog mokrog postavljanja, perfuzije i autoklava.Budući da bi proizvodnja okretnih postolja bila ograničena, tvrtka je odabrala epoksidni prepreg očvrsnut u autoklavu kao najisplativiju metodu konstrukcije.
Prototip okretnog postolja u punoj veličini dugačak je 8,8 stopa, širok 6,7 stopa i visok 2,8 stopa.Izrađen je od kombinacije recikliranih karbonskih vlakana (netkani jastučići koje osigurava ELG) i sirove tkanine od karbonskih vlakana.Jednosmjerna vlakna koristit će se za glavni element čvrstoće i postavljat će se u kalup pomoću robotske tehnologije.Odabrat će se epoksid s dobrim mehaničkim svojstvima, a to će biti novoformulirani epoksid otporan na plamen koji ima certifikat EN45545-2 za uporabu na željeznici.
Za razliku od čeličnih okretnih postolja, koja su zavarena od kormilarskih greda na dvije bočne grede, kompozitna okretna postolja bit će izrađena s različitim gornjim i donjim dijelovima koji se zatim međusobno spajaju.Kako bi se zamijenila postojeća metalna okretna postolja, kompozitna verzija morat će kombinirati spojne nosače ovjesa i kočnice te druge dodatke na istom mjestu."Za sada smo odlučili zadržati čeličnu armaturu, ali za daljnje projekte bi moglo biti zanimljivo zamijeniti čeličnu armaturu kompozitnom vrstom armature kako bismo mogli dodatno smanjiti konačnu težinu", rekao je Seurat.
Član konzorcija Grupe za senzore i kompozite na Sveučilištu u Birminghamu nadzire razvoj senzora koji će biti integriran u kompozitno postolje u fazi proizvodnje."Većina senzora će se usredotočiti na praćenje naprezanja na diskretnim točkama na okretnom postolju, dok će drugi služiti za mjerenje temperature", rekao je Seurat.Senzori će omogućiti praćenje kompozitne strukture u stvarnom vremenu, omogućujući prikupljanje podataka o opterećenju tijekom trajanja.To će pružiti vrijedne informacije o vršnom opterećenju i dugotrajnom umoru.
Preliminarne studije pokazuju da bi kompozitna okretna postolja trebala moći postići željeno smanjenje težine od 50%.Projektni tim se nada da će imati velika postolja spremna za testiranje do sredine 2019. godine.Ako prototip bude radio prema očekivanjima, proizvest će više okretnih postolja za testiranje tramvaja koje proizvodi Alstom, tvrtka za željeznički prijevoz.
Prema Seuratu, iako ima još puno posla za obaviti, prvi pokazatelji sugeriraju da je moguće izgraditi komercijalno održiva kompozitna postolja koja se mogu natjecati s metalnim postoljima u cijeni i snazi."Onda mislim da postoji puno opcija i potencijalnih primjena za kompozite u željezničkoj industriji", dodala je.(Članak pretisnut iz Carbon Fiber and Its Composite Technology dr. Qian Xin).
Vrijeme objave: 7. ožujka 2023