Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei Dr. Czinege Imre Széchenyi István Egyetem Anyagtudományi és Technológiai Tanszék 8. Anyagvizsgálat a Gyakorlatban Konferencia Miskolc, június 1-3.

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Vázlat, alapfeltevések Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 2 A jármű –konstrukciók, –anyagok és –technológiák folyamatos fejlődésben vannak Az új anyagok új vizsgálati technikákat igényelnek Az anyag kombinációkhoz újszerű kötési módokat fejlesztenek ki Mindezen kihívásokra az anyagvizsgálóknak megfelelő válaszokat kell adni!

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC A járművek anyagválasztását meghatározó tényezők Hol lehet elérni a legnagyobb tömegcsökkentést a biztonság megőrzése mellett? Látható, hogy a karosszéria és alváz a teljes tömeg ~45%-a Ezért a karosszériára célszerű fókuszálni, mivel ebben van jelentős tömeg csökkentési potenciál Fejlesztési koncepciók –Acél: Future Steel Vehicle (FSV) –Alumínium-intenzív karosszéria –Kompozit karosszéria –Vegyes, optimalizált megoldások További lehetőségek vannak az összes szerkezeti elem szisztematikus tömegcsökkentésében Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 3 Az egyes szerkezeti elemek tömegaránya a gépkocsi összes tömegéhez képest Forrás: resources/PDF/Research/2014/2014-ducker-report

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Future Steel Vehicle (FSV) koncepció Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 4 A nagyszilárdságú acél karosszéria fejlesztési programja Előzmények: –Ultra-Light Steel Auto Body (ULSAB) 1998 –Ultra-light Steel Auto Closures (ULSAC) 2000 –ULSAB-AVC (Advanced Vehicle Concepts) 2001 Arány eltolódás a nagyobb szilárdságok felé 2020-ig Korszerű méretezés Forrás: rackcdn.com/FSV- EDAG_Phase2_Engineering _Report.pdf

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Alumínium tömeg csökkentési potenciálja Hol alkalmazható hatékonyan az alumínium? –Ajtók, fedelek –Hossztartó, padlólemez –Tetőlemez –Oldalfal A komponensek többségénél a kisebb szilárdság nem korlátozó tényező, széles választék áll rendelkezésre 16 alkatrész elemzése azt mutatja, hogy átlagosan 34% tömeg csökkenés érhető el, más források 40%-ot is jeleznek Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 5 Forrás: VENZA Aluminum BIW Concept Study, 2013

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Alumínium strukturális elemek alkalmazása Az alumínium karosszéria elemek gyártásában a technológiák optimuma jelenik meg Határozott fejlődés mutatkozik a lemez intenzív megoldások irányába Az anyagok aránya modellenként is változik 6 Forrás: Audi Ag Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Új karosszéria anyag a kompozit A jelenleg legkorszerűbb kompozit vázat a BMW alkalmazza Anyaga szénszálas kompozit A karosszéria több elemből épül fel, ezeket ragasztással kötik egymáshoz Közlések szerint a ragasztási vonalak hossza 160 m a járműben A karosszéria a törésteszteken megfelelő eredményt adott 7 BMW i3 karosszéria és komplett jármű Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Vegyes, optimalizált megoldások Több anyagminőség együttes alkalmazása (acél, alumínium, kompozit) Az elemek gyártásának optimalizálása –Extrudálás –Öntés –Lemezalakítás A legkedvezőbb anyag- és eljárás kombinációk adják a minimális tömeget Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Miből épülnek fel a jövő autói? Toyota Venza Toyota Venza fejlesztési koncepció: két fejlesztési fázis 1. FF: 21,5% tömegcsökkenés 2. FF: 38,4% tömegcsökkentés Az anyagok arányában jelentős eltolódás van a könnyűfémek irányába Forrás: reduction_final_2010.pdf Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Miből épülnek fel a jövő autói? Terepjáró tanulmány Az alumínium intenzív alkalmazásával 28% tömegcsökkenés érhető el A megoldással felére csökken az acél aránya és négyszeresre nő az alumínium részesedése A számítások és tesztek igazolják, hogy a törés elleni biztonság nem csökken A költség kissé növekszik, de ezt ellensúlyozza a fogyasztás csökkenés Forrás: resources/PDF/Research/2014/2014-ducker-report Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 10

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Miből épülnek fel a jövő autói? Elektromos járművek Az összehasonlított modellek: –ICEV: belsőégésű motoros –BEV: akkumulátoros –FCHEV: tüzelőanyag cellás hajtás A távoli (2050-es) becslés szerint a tömeg felére csökken, a könnyűfémek és a polimerek, kompozitok aránya nő A prognózis az ICEV járművek minimális arányával számol Forrás: Energy 48 (2012) Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 11

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Az anyagfelhasználási arányok változásának hatásai Az acélokat, könnyűfémeket és polimer kompozitokat közel azonos arányban fogják használni a jövőben Új vizsgálati területek: –Acél lemezek: Nagyszilárdságú lemezek alakíthatósága Melegen alakított lemezek tulajdonságai (22MnB5) –Polimerek Szilárdsági, kúszási tulajdonságok Kompozitok összetétele, mechanikai tulajdonságai Átalakulások polimerekben –Elektromos hajtású járművek speciális anyagai Mágneses jellemzők Elektromos vezetőképesség Új technológiák vizsgálati igényei –Eltérő anyagminőségek kötési technológiái –Gyárthatósági vizsgálatok Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 12

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Gyártmány fejlesztés és a vizsgálatok kapcsolata Az ismert Ashby modell kiegészítése vizsgálatokkal A konstrukció (alak), anyag és megmunkálás egymással szoros kapcsolatban van A funkcionális kapcsolatokhoz rendelhetők hozzá a vizsgálatok Példa: lemezalakítás –Anyagtulajdonságok: R p0,2 ; R m ; A 80 ; n; r; –Megmunkálhatóság (technológiai próbák): Erichsen, csészehúzó vizsgálat, FLC –Alak korlátok Ráncosodás, gyárthatósági alaktényezők Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 13

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Nagyszilárdságú acéllemezek vizsgálati igényei A hidegen alakított lemezek jellemzői a szimulációs szoftverek bemeneti adatai legyenek A melegen alakított lemezek alakítás utáni tulajdonságai –Szilárdsági és anizotrópia jellemzők –Hárompontos és VDA szerinti hajlítás –Bevonatok fémtani vizsgálata melegalakítás előtt és után Forrás: ThyssenKrupp Steel Europe: Hot Forming in the Automotive Industry. Süddeutcher Verlag onpact GmbH, Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 14 AutoForm: anyagjellemzők megadásának lehetőségei

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Polimerek speciális vizsgálati igényei Vizsgálati területek: –Fizikai tulajdonságok –Morfológia –Mechanikai tulajdonságok –Reológiai vizsgálatok –Öregedési vizsgálatok Példák: –Különféle polimerek szakítódiagramjai –DSC (differenciális pásztázó kalorimetria) vizsgálattal meghatározható fázisátalakulások –Kúszás vizsgálat Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 15

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Új vizsgálati szempontok Hibrid kötési technikák A szélesebb anyagválaszték igényli az eltérő anyagok kötését (fém-polimer, acél- alumínium, …) Az új kötéstípusok vizsgálata más megközelítést igényel Példák: –Lézer-MIG kombinált hegesztés –Polimer-fém lézer hegesztése –Dörzshegesztett kötés az acél és alumínium motorháztető elemek között Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 16 Forrás: The Aluminum Joining Manual

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Új anyagvizsgálati célok Anyag adatbázisok feltöltése az új anyagok tulajdonságaival Új, az adott technológia eredményessége szempontjából jellemző tulajdonságok kutatása Példa: AlMn1Mg1 ötvözet –A szabványos szakítóvizsgálati jellemzők nem mutattak különbséget azonos anyagok adagjai között (G, N), de a feldolgozás során eltérő volt a selejt arány MIÉRT? –A két anyagban a (Fe, Mn) 3 SiAl 12 fémes vegyület részecskék száma, területaránya és átlagos területe különbözött –Ez a fémtani különbség okozhatja az eltérő alakíthatóságot Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 17

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Összefoglalás A vevői igények és környezetvédelmi szempontok a személygépkocsik tömegének csökkenése irányába hatnak A tömeg csökkentés hatékonyan az összes szerkezeti elemre irányulva valósítható meg Az elemzések az acél, alumínium és kompozit anyagok alkalmazását egyaránt lehetségesnek tartják a célok elérése érdekében, a megoldások hatékonyságban és költségben különbözhetnek Az új anyagok változó vizsgálati igényei: –Acél: nagy szilárdságú és melegen alakított lemezek vizsgálata –Alumínium: öntött, extrudált és lemez szerkezeti elemek vizsgálata –Polimerek, kompozitok: komplex tulajdonság vizsgálatok –Hibrid kötések vizsgálata Az új vizsgálatok korszerű eszközök és értékelési módok bevezetését igénylik Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 18

ANYAGVIZSGÁLAT A GYAKORLATBAN MISKOLC Köszönöm szíves figyelmüket! A kutatást a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap támogatásával megvalósuló VKSZ_ : "Stratégiai ipari ágazatok jövőbemutató gyártási technológiáihoz és termékeihez kapcsolódó térségi kutatási kompetenciáik megerősítése széleskörű együttműködésben megvalósított kutatás-fejlesztési programmal" c. projekt támogatta Korszerű jármű szerkezeti anyagok vizsgálati igényei 19