Zasady obiegu zamkniętego w projektowaniu lekkich pojazdów elektrycznych
Materiały kompozytowe na bazie polimerów i hybrydowe komponenty metalowo-kompozytowe od dawna są przedmiotem badań pod kątem wykorzystania ich do obniżenia masy pojazdów. Jednak nawet mimo znacznego postępu, jaki miał miejsce w ciągu ostatnich dwudziestu lat, zakres zastosowania tych materiałów w produkcji elementów konstrukcyjnych ogranicza się głównie do niskoseryjnej produkcji pojazdów wysokiej klasy, z kilkoma wyjątkami. Najważniejszymi przeszkodami są wysokie koszty materiałów i produkcji, wolne tempo wytwarzania oraz kwestie dotyczące niezawodności i wytrzymałości tych materiałów.
Zastosowanie zasad obiegu zamkniętego
Znaczącymi osiągnięciami na tym polu może pochwalić się zespół finansowanego ze środków UE projektu LEVIS, poświęconego rozwojowi technologii i promowaniu zrównoważonego rozwoju w sektorze motoryzacyjnym. Prace zespołu koncentrowały się zarówno na doskonaleniu istniejących technologii, jak i na opracowywaniu nowych rozwiązań oraz przygotowywaniu ich do płynnego wdrożenia w przemyśle. W centrum zainteresowania naukowców znalazło się przede wszystkim zwiększenie wykorzystania biomateriałów oraz materiałów nadających się do recyklingu i pochodzących z recyklingu. Ponadto skupili się oni na tworzeniu nowych podejść do gospodarowania produktami wycofanymi z eksploatacji. W ramach projektu LEVIS powstały również narzędzia i metodologie uwzględniające praktyki ekoprojektu oraz przeprowadzone zostały analizy cyklu życia pod kątem kosztów i wpływu na środowisko. „Osiągnęliśmy znaczący postęp w dziedzinie zrównoważonych materiałów i procesów produkcyjnych. W ramach projektu LEVIS opracowaliśmy materiały i komponenty nadające się do recyklingu dzięki wykorzystaniu włókien węglowych pozyskanych z surowców biologicznych lub recyklingu. Ponadto zastosowanie zasad gospodarki o obiegu zamkniętym na etapie projektowania pozwoliło wydłużyć żywotność elementów konstrukcyjnych, jednocześnie umożliwiając skuteczny demontaż i odzysk materiałów”, zauważa José Ramón Valdés, koordynator projektu.
Otwarcie drogi do masowej produkcji
Zespół projektu wykorzystał innowacyjne metody produkcji do wytworzenia i walidacji demonstracyjnych wersji czterech elementów: wahacza zawieszenia, akumulatora, obudowy akumulatora ze zintegrowaną szyną oraz belki poprzecznej z uchwytem kolumny kierownicy. W odniesieniu do tych części osiągnięto całkowitą redukcję masy wynoszącą około 30 % we wszystkich przypadkach. Jeśli chodzi o procesy produkcyjne, naukowcom udało się z powodzeniem zwiększyć ich skalę, przy czym główny nacisk położono na optymalizację parametrów przetłoczonego formowania żywicy, formowania wtryskowego, tłoczenia i pultruzji. Ponadto prace obejmowały analizę i optymalizację konfiguracji połączeń aluminiowo-kompozytowych dla belek wewnętrznych i bocznych obudowy akumulatora, a także dla złącza stalowo-kompozytowego łączącego uchwyty kolumny kierownicy z belką poprzeczną samochodu.
Zaawansowane algorytmy poprawiają integralność strukturalną i przewidywanie trwałości
Z myślą o uzupełnieniu wiedzy teoretycznej zespół projektu LEVIS zademonstrował zaawansowane protokoły symulacji umożliwiające poprawę integralności strukturalnej i przewidywanie trwałości komponentów. Obejmowały one wieloskalowe modele łączące procesy, strukturę materiałów i ich właściwości, a także model zmęczeniowy, który ocenia to zjawisko w oparciu o degradację sztywności na podstawie uszkodzeń matrycy. Naukowcy opracowali zaawansowaną metodologię symulacji procesu przetłoczonego formowania żywic termoplastycznych, poszerzając dotychczasową wiedzę na temat zależności między parametrami procesu, wytrzymałością i właściwościami materiału. Z kolei modele mikromechaniczne umożliwiły obliczenie homogenicznych właściwości mechanicznych i termicznych materiałów kompozytowych, zapewniając kluczowe dane wejściowe na potrzeby symulacji na poziomie komponentów. Ponadto algorytmy monitorowania stanu konstrukcji zostały zweryfikowane pod kątem wykrywania trybów awarii.
Niezliczone korzyści
Co ważne, w ramach projektu udało się wdrożyć odpowiednie strategie demontażu, recyklingu i ponownego wykorzystania nowych części samochodowych. Technologia demontażu na żądanie, umożliwiająca rozdzielanie struktur wielomateriałowych, wykazała skuteczność odspajania na poziomie 98 %, głównie dzięki termicznie rozszerzanym cząstkom zwiększającym wydajność i zmniejszającym zużycie energii podczas procesu separacji. Z kolei optymalizacja odzysku w drodze niskotemperaturowej pirolizy pozwoliła zminimalizować utratę masy materiału do zaledwie 3 %, a także zachować 85 % wytrzymałości na rozciąganie odzyskanego tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym. Ocena cyklu życia wykazała, że wpływ pojazdów elektrycznych na zmianę klimatu można zmniejszyć w większości przypadków, w tym o ponad 25 % w przypadku komponentów akumulatora. Natomiast analiza kosztów w cyklu życia wykazała, że wszystkie trzy demonstracje przyczyniły się do obniżenia kosztów w porównaniu z wartościami odniesienia. W dwóch z nich osiągnięto cel projektu, jakim była redukcja o 20 %. „W badaniu dotyczącym zmniejszenia masy oszacowano, że redukcja masy nieosłoniętego nadwozia wyniosła 31 %, a współczynnik globalnego ocieplenia obniżył się o 5,46 %”, podkreśla Ramón Valdés. „Wskaźnik zużycia energii został poprawiony o 5,46 %, co pozwoliło na zmniejszenie masy silnika o 9 kg, zaś masy ogniw akumulatora – o 16 kg, przy jednoczesnym zwiększeniu osiągów pojazdu i efektywności energetycznej”.
Słowa kluczowe
LEVIS, pojazd elektryczny, zasady obiegu zamkniętego, lekki, nadający się do recyklingu, tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym
