M!anyagok mechatronikai alkalmazásai*

Átírás

1 M!anyagok mechatronikai alkalmazásai* Stransky, Reinhard ** ; Dr. Bernnat, Anka ** ; Reinfrank, Karl-Michael ** ; Völkel, Mark ** ; Zeicher, Volker ** A Continental kett!s tengelykapcsolós sebességváltók szabályozásai poliamid 66-ból készülnek, amely kifejezetten jól áll ellen a forró és nagyon agresszív váltóolajnak Annak ellenére, hogy az autópiac eladási görbéi egyértelm!en lefelé haladtak a gazdasági válság miatt, az egy autóba szerelend" elektronika mennyisége várhatóan továbbra is n". A MERCER MANAGEMENT CONSULTING évi felmérése alapján, az autókba beépített elektromos és elektronikus rendszerek évi 6%-kal növekednek (1. ábra) ben Roland Berger a BASF-fel együttm!ködve hasonló következtetésekre jutott. Vizsgálataik szerint 2015-re egy járm! értékének kb. 30%-át az elektromos és elektronikai alkatrészek fogják kitenni (egyharmad elektromos és kétharmad elektronikai arányban). Az elektronikai rendszerek növekedni fognak a kis autók egyre nagyobb szegmensében is, különösen ott, ahol a nagyobb biztonságot szolgálják. Manapság a járm!vekkel kapcsolatos innovációk nagy része elektronikus szabályozáson alapszik, és szinte már a kábelköteg vált az autók legnagyobb alkatrészévé. Az utasok biztonsága és kényelme mellett a kibocsátás és az üzemanyag-fogyasztás csökkentése is központi kérdés, az alkatrészek megbízhatósága pedig különösen fontos. Ha mindezen követelményeknek meg akarunk felelni, akkor a m!anyagok egyre fontosabb szerephez jutnak. El"nyeik abban rejlenek, hogy kis tömegük mellett szabadon tervezhet" a kialakításuk, és több funkciót lehet egy alkatrészbe integrálni. Emiatt a m!anyag alkatrészek aránya az elektromos és elektronikai rendszerekben nagyobb mértékben n", mint a járm!vek más területein. Míg a 60-as években az autóknak elektromos rendszerük volt, de semmi elektronikájuk, ma a legkorszer!bb autókba akár 70 különféle elektronikai rendszer is kerülhet. A BOSCH szerint az ESC (elektronikus menet - stabilizátor) használata pl. folyamatosan emelkedett az utóbbi években. Az ilyen aktív biztonsági rendszerekkel felszerelt új autók aránya különösen a NAFTA régióban n"tt meg, és arányuk ma már meghaladja az európait. Várhatóan a jöv"ben is magas lesz a növekedési ráta, mert a 2012-es modellekt"l kezdve az USA-ban kötelez" lesz minden új autóba elektronikus menetstabilizátort szerelni. Európa is szigorított a szabályozáson, és t"l tette kötelez"vé ezt az új autókban, illetve 2012-t"l az új modellekben. Ázsiában is várható ennek rohamos terjedése. A 2. ábra szemlélteti azokat az eszközöket vagy modulokat az autók elektronikájában, melyeket m!anyagok nélkül nem lehet el"állítani. Ezek az alkatrészek: 1. ábra. Az autóipari elektronikus és elektromos rendszerek világpiaca majdnem 6%-kal n!tt (adatok millió Euróban) (forrás: Mercer Management Consulting, 2006) M!anyagok alkalmazása *A közleményt a BASF céget képvisel" párizsi Heide Lavarde hirdet"iroda bocsátotta rendelkezésünkre. A Kunstststoffe évi 6. számának oldalán megjelent cikket fordította és sajtó alá rendezte dr. Macskási Levente okleveles vegyészmérnök **BASF SE, Ludwigshafen évfolyam 9. szám 349

2 2. ábra. Elektronikus eszközök az autókban az elektronikus szabályozás és az aktuátorok (pl. relék és motorok), csatlakozók, érzékel"k és világítástechnika. A mechatronikai alkatrészek iránti növekv" érdekl"- dés egyike a ma irányzatainak az autókban alkalmazott elektromos/elektronikus rendszerek terén. Ugyanakkor a beszerelésre szánt hely egyre csökken, és az alkatrészeknek is a lehet" legkönnyebbeknek kell lenniük. Ennek következtében egyre vékonyabb falakat kell tervezni a csatlakozókba és érzékel"kbe, illetve n"ttek az anyagtulajdonságokra vonatkozó elvárások is, pl. a hidrolitikus stabilitás és lézeres hegeszthet"ség. Továbbá igény van olyan anyagokra is, melyek ellenállnak a kálcium-kloridnak és bioüzemanyagoknak, és számos h"sokkot kibírnak ciklikus vizsgálat esetén. Mindezen okok miatt a leggyakrabban használt anyagcsoport a poliamidok és a poli(butilén-tereftalát). A közlemény azokat az anyagokat hivatott bemutatni az Ultramid (PA) és Ultradur (PBT) termékcsaládból, melyeket a BASF ezen irányzatokhoz és kihívásokhoz megfelel"nek talált. Mechatronika A modern, kompakt, integrált mechatronikai rendszerek különböznek a hagyományos rendszerekt"l, amelyekben az érzékel"k, aktuátorok és intelligens elektronikák funkcionális csoportjait közvetlenül a szabályozott elemre, vagy hozzá nagyon közel építették be. Ilyen nagymértékben integrált alkatrészeket csak nagy teljesítmény! m!szaki m!anyagokból lehet létrehozni. Csak a nagy merevség! és szilárdságú, szabadon alakítható anyagok, melyek ellenállnak a vegyi anyagoknak és a h"mérsékletnek, védhetik meg az elektronikát, miközben az aktuátorokat és érzékel"ket nagyon kis helyen tömörítik az alkatrészen belül. A huzalozásra fordított munka, a kábelek és csatlakozók száma jelent"sen csökkenthet", már nincs szükség csatlakozó felületekre, az alkatrész kis méret!, könny! és megbízható. Régebben a mechatronika fejl"dését az elektronikai és gépgyártás ágazat igényelte, ma már az autóipari szektor adja a hajtóer"t hozzá. A sebességváltó szabályozása tipikusan olyan mechatronikai alkatrész, melyet folyamatosan fejlesztenek. Az Ultradur B4300 G6 típust a VOLKSWAGEN által ban bevezetett kett"s tengelykapcsolós sebességváltó szabályozásánál használják, melyet még ma is gyártanak. Ez a speciális PBT megfelel" forró olajnak ellenálló alkatrészekhez, és akár két tucat érzékel" és aktuátor, illetve a kapcsolódó csatlakozók is elhelyezhet"k egyetlen alkatrészben. Ugyanakkor a szabályozási rendszerek kialakítási koncepciójának továbbfejlesztésekor a következ" generációs kett"s tengelykapcsolós sebességváltókhoz a h"stabilizált Ultramid A3WG6-ot használták (lásd a címfotót). Mivel a sebességváltó-olajok agresszívebbek és kevésbé szabványosak, mint a motorolajok, továbbá sokszor nagyon forróak lehetnek, a sebességváltó rendszerek folyamatos m!ködése nagy igénybevételt jelent. A régi és az újabb szabályozó modellek méretstabilitási és vegyszerállósági követelményeit biztonságosan teljesítik a használt anyagtípusok. Különleges mechatronikai alkatrészek gyárthatók lézerrel aktiválható polimerb"l, pl. Ultramid T 4381 LDS. Ez a polimer olyan adalékokat tartalmaz, melyek lézerrel alakíthatók és aktiválhatók, így a következ" lépésekben fém vezet"pályák készíthet"k a m!anyag háromdimenziós felületére egy elektrokémiai folyamat segítségével. Így PCB és kábelek nélkül is vezet"vé tehet"ek a m! - anyag alkatrészek az elektronikai áramkörök számára. Kiváló példák erre a 3D-s MID-ek (fröccsöntött összeköt" elemek, azaz áramköri vezet"k), mint pl. az, amelyeket Németországban az autóipar vagy a dél-koreai mobiltelefon gyártók használnak (3. ábra). Az Ultra - mid T LDS családba tartozó polimer részben kristályos, részben aromás er"sített PA 6/6T. Az ólommentes hegesztéshez szükséges jó h"állóság (olvadáspont 295 C), és a magas h"deformálódási h"mérséklet terhelés alatt (265 C 0,45 MPa nyomásnál) a legfontosabb követelmények az anyagra nézve. A 3D MDI-k innovatív példák a polimer funkcionális integrációjára. Ezenfelül további lehet"ségeket rejtenek a jöv"beni miniatürizáláshoz. Lézerhegesztés A lézeres (transzmissziós) hegesztés az autóipari elektronika olyan kötéstechnológiája, mely egyre inkább az évfolyam 9. szám

3 3. ábra. Ultramid T 4381 LDS lézerrel alakítható polimer, melyet mechatronikai alkatrészekben (bal oldal) és mobiltelefonok polimer antennachipjeiben (jobb oldal) is használnak 4. ábra. A finoman megmunkált, vékonyfalú Ultradur B4300 G4 LS High Speed anyagból készült polimerház a Bosch legújabb kormányozási szögérzékel!jéhez. A nagy folyási sebesség" PBT lézerrel gravírozható, 20% üvegszál er!sítés" változata érdekl"dés középpontjába kerül, mivel ezzel a módszerrel a m!anyag alkatrészek anélkül összekapcsolhatók, hogy érintkeznének, illetve por vagy mechanikai terhelés keletkezne. Nemcsak tisztább, mint a ragasztás, hanem a rezgések által az elektronikában okozott károk is megel"zhet"k vele, ami a többi technológiánál gyakran el"fordul. Ezenfelül az alkatrészek különösen megbízhatóan tömíthet"k lézeres hegesztéssel. A lézeres hegesztés során egy lézert átereszt" alkatrészt kapcsolnak egy lézert elnyel"höz, mely megolvad, és így jön létre a kötés. Mivel minden fekete anyag bizonyos mértékig elnyeli a lézerfényt, a kihívást a lézert átereszt" anyagok fejlesztése jelenti. A lézeres hegesztéshez olyan speciális anyagok kellenek, melyek jól, és még fontosabb, hogy egyenletesen engedik át a lézerfényt. A jól ismert fekete, lézert átereszt" Ultramid A3WG6LT (PA66) mellett létezik egy olyan Ultradur is, mely garantálja a folyamatbiztonság magas fokát. A lézert átereszt" PBT a speciális típusok választékát növeli a jöv"beni piaci igényeknek megfelel"en. Kis falvastagság Kisebb és könnyebb ez az irányzat egyre vékonyabb falvastagságot eredményez az elektronikai alkatrészek terén. Pl. ahhoz, hogy mérettartó és megfelel"en kitöltött csatlakozók készüljenek a fröccsöntési folyamat során, optimalizált, nagy folyóképesség! anyagok szükségesek. A jobb folyási tulajdonságok hasznosak a normál falvastagságú alkatrészek esetén is, mert csökkentik a gyártási id"t, így költséget takarítanak meg. A nagy folyóképesség!, er"sített, nanoadalékos Ultradur High Speed (nagy sebesség!) anyagmin"ségek (4. ábra) sikerét követve most el"ször er"sítés nélküli változatuk is piacra került. Az Ultradur B4520 High Speed teljesen új módon egyesíti a jó folyási tulajdonságokat a merevséggel és a szívóssággal ban bizonyítást nyert, hogy a koncepció kiterjeszthet" az els" Ultramid High Speed termékek poli - amidjaira is. Ez az els" termékcsalád, melyet kifejezetten motorblokkok házához fejlesztettek ki h"állóságának köszönhet"en. A következ" fázisban hamarosan egy további Ultramid High Speed családot vezetnek be, melynek els" tagja az új Ultramid A3EG7 High Speed lesz, amely el"djeihez hasonlóan jó folyási tulajdonságú PA 66. Ez azért el"nyös, mert így kisebb a fröccsnyomás és a záróer", megbízhatóbb a darab kitöltése, kevesebb a selejt még bonyolult geometriák esetén is. Mindemellett kifejezetten alkalmas elektronikai alkatrészekhez: az A3EG típusok enyhe színe lehet"vé teszi, hogy az ügyfelek a lehet" legszélesebb színskálát használva színezzék azokat. Hidrolitikus és h!sokkal szembeni ellenállóképesség Az elektromos és elektronikai alkatrészek, pl. szabályozó rendszerek házai, érzékel"k és csatlakozók hidrolizisállósági követelményei egyre n"nek, párhuzamosan a US CAR TEST (amerikai autótesztelési szabvány) növekv" jelent"ségével. A poliamidból készült alkatrészek összességében jól teljesítenek a US CAR TEST vizsgálatokon. Ugyanakkor mérettartósságuk miatt az elektronikai iparban népszer!, általános PBT típusok a hidrolitikus vizsgálaton nem viselkednek jól. A PBT hidrolízise során megfordul az a polikondenzációs reakció, mellyel gyártották. A polimer degradálódik és törékennyé válik. A PBT anyagok hidrolitikai megfelel"ségének vizsgálatára ciklikus teszteket végeznek 40 C és +150 C között, nedves körülmények mellett. A tesztek el"tt 85 C-on 85% relatív páratartalomnál hosszú id"tartamú kondicionálás történik, vagy gyorsított kondicionálás 110 C-on 100% relatív páratartalom mellett. E feltételek között a két új, kifejezetten hidrolitikailag ellenálló BASF PBT típus (Ultradur B évfolyam 9. szám 351

4 G6 HR és Ultradur B4330 G6 HR) számottev"en jobban teljesít, mint a standard típusok. E két anyaggal az alkatrészek élettartama extrém hidrolitikai körülmények mellett is jelent"s mértékben javítható. Ezenfelül az Ultradur B4330 G6 HR a piacon kapható, hagyományos termékekkel összevetve jobban ellenáll alkáli környezetben. Megfigyelhet" mostanában az a trend, hogy egyre szigorúbb a h"sokkal szembeni ellenálló képesség vizsgálata, szemben a h"mérsékletváltozás hatását mér" tesztekkel. Ezek olyan ciklikus vizsgálatok, melyek során az alkatrészt széls"séges h"mérsékletértékek között mozgatják, pl. 40 C és +140 C között. Mivel a hidrolitikailag stabil Ultradur B4330 G6 HR kifejezetten szívós, így biztosítja a szükséges mechanikai tulajdonságokat ahhoz, hogy megbízhatóan ellenálljon a h"sokknak, még fémmel kombinálva is. 6. ábra. Az Ultramid T KR 4355 G7 részben aromás poliamid 35% üvegszállal megfelel a Bosch üzemanyagtartály nyomásérzékel!kkel szemben támasztott követelményeinek Kálcium-kloriddal és bioüzemanyagokkal szembeni ellenálló képesség A bioüzemanyagok új kihívásokat támasztanak az üzemanyag-ellátó rendszer elektronikai elemeinek házával szemben. A modern üzemanyagokkal érintkezésbe lép" anyagoknak nemcsak a gázolajjal, hanem a metanollal és etanollal szemben is ellenállóknak kell lenniük. Ezek az anyagok az üzemanyagtartályban találhatók annak következtében, hogy alkoholt adnak a normál gáz - olajhoz (bioüzemanyag). Ezenfelül az alváz alkatrészei érintkezésbe léphetnek a cinkkel bevont karosszériával, amelyen bizonyos körülmények esetén víz hatására cinkklorid só alakulhat ki. Az üzemanyag-vezetékek gyors leoldású csatlakozói (5. ábra), vagy a tank nyomásérzékel"i (6. ábra) emiatt Ultramid T-b"l készülnek, amelynek szintén nagy a h"állósága. Ugyanakkor a fröcsköl" vízállóságra vonatkozó követelmények is fokozatosan n"nek. Az USA-ban és Japánban egyre elterjedtebb a kálciumot is tartalmazó útszóró sók használata, így a polimerek kálcium-kloriddal szembeni ellenállása is felmerült igényként. Az Ultramid T min"ségek erre a sóra nézve is stabil. A poliamidtól eltér"en a PBT alapból ellenáll a kálcium-kloridnak. Fém-polimer kompozitok Az olyan mechatronikai alkatrészek esetén, amelyekben a fém és polimer szoros kompozitot alkot, a tömítést biztosítani kell. A nedvesség- vagy olajbeszivárgás miatti nem megfelel" m!ködés kockázata folyamatosan n", mivel az elektronikai alkatrészek száma is emelkedik. Ez a kockázat Ultramid Seal-Fit segítségével csökkenthet". Ez az er"sítetlen, átlátszó kopoliamid az elektronikai alkatrészek vezet"pályáinak tömítésére szolgál úgy, hogy ráfröccsöntik az anyagra. Egyaránt jól tapad fémekhez és poliamidokhoz, így alternatívája lehet a hagyományos, bonyolult koncepcióknak, amelyekhez szilikon adalék, forró olvadék vagy impregnáció/el"bevonatolás is szükséges. Folyamattechnológiai szempontból hasznos, hogy 5. ábra. Üzemanyag-vezetékek gyors kioldású csatlakozói (A Raymond) nagy teljesítmény" Ultramid T KR-b!l (PA 6/6T) 7. ábra. Gázzáró mechatronikai kompozit alkatrész fémb!l és polimerb!l, mely két lépésben állítható el! Ultramid Seal-Fit segítségével, egyszer" fröccsöntési folyamattal évfolyam 9. szám

5 az Ultramid Seal-Fit fröccsönthet" ugyanúgy, mint a klasszikus házanyagok. A vezet" pályák Ultramid Seal- Fittel történ" el"fröccsöntése ezért közvetlenül folytatható a házanyag ráfröccsöntésével. Mivel a hagyományos folyamat esetén is szükséges az el"fröccsöntés, a házanyagot egyszer!en a hatékonyabb tömít" anyagra kell cserélni, és így már nem szükségesek az el"kezelések (7. ábra). Következtetések Az autókban az üzemanyag-megtakarítás, környezetvédelem és biztonság kritikus kérdései szorosan kapcsolódnak a nagy teljesítmény! elektronikához. A modern elektronika viszont megoldásokat igényel fémek és polimerek csatlakoztatására. Az autók elektromos és elektronikai rendszereinek kényes területén dönt" jelent"ség! fejlesztések születhetnek, ha az alkatrészek funkcióinak értelmezése nagy anyagtulajdonság ismerettel találkozik. Ez csak úgy jöhet létre, ha intenzíven együttm!ködik a termékfejleszt" és a polimer specialista. A szakért"k célja az, hogy kombinálják az intelligens mechanikai kivitelt az elektromos energia vagy elektronikai jelek megbízható átvitelével. Ez azt jelenti, hogy b"ven akad még lehet"ség már jól bevált és innovatív anyagok, illetve koncepciók fejlesztésére évfolyam 9. szám 353