Почему мы скоро увидим пластиковые автомобили на улицах города

Ключевым преимуществом пластиков над металлом является легкость: в среднем, пластиковые детали весят на 25-30% меньше, нежели стальные. А уменьшение веса автомобиля позволяет снизить потребление топлива.

Фото: REUTERS

Сталь широко используется во всех областях промышленности начиная со времен второй индустриальной революции. Однако пик ее потребления уже миновал, и сегодня все чаще сталь заменяют другими материалами.

Тенденцию отказа от металла можно проследить и на примере использования пластиков в автомобилестроении. Начиная с 1970-х годов, доля металлических частей в автомобиле неуклонно снижается: если ранее обычный автомобиль на 79% состоял из стали, то на сегодняшний день доля металла в автомобиле — около 55%. Пластмассы, напротив, показывают устойчивый рост: с 6% в начале 1970-х  до 18% к 2020 году, а резины — с 2% до 7%. Сначала может показаться, что пластики используются лишь в отделке салона, однако их можно найти в кузове, в подвеске и даже в двигателе машины.

Сегодня в легковом автомобиле применяется 150-200 кг пластмасс, но уже к 2020 году это количество может возрасти до 300 кг, что будет сопровождаться уменьшением веса автомобиля.

По оценкам экспертов, мировой спрос на конструкционный пластик для применения в автомобильном производстве уже в ближайшем будущем будет расти на 7% в год. Можно с уверенностью сказать, что автомобиль будущего будет содержать гораздо больше полимеров, чем сейчас. Это обусловлено рядом причин, которые я постараюсь описать ниже.

Чем выгодно внедрение пластиков в автомобилестроении?

Безусловно, внедрение инноваций объясняется экономической целесообразностью. Ключевым преимуществом пластиков над металлом является легкость: в среднем пластиковые детали весят на 25-30% меньше, нежели стальные. Уменьшение веса автомобиля, в свою очередь, позволяет снизить потребление топлива. Поэтому данный тренд имеет понятную практическую подоплеку для автомобилестроительных концернов. Производители стараются снижать вес кузова автомобилей, чтобы компенсировать увеличение количества деталей, связанных с безопасностью, а также электронных приборов.

Применение углеродного волокна и композитов с полимерной матрицей позволяет снизить его на 25-70%. Например, болиды «Формулы-1» состоят преимущественно из пластиковых и композитных материалов, и именно применение пластиков позволяет существенно уменьшить вес, улучшить динамические характеристики и увеличить скорость гоночных автомобилей. Меньшее потребление бензина, в свою очередь, делает машины с использованием пластмассовых композитов более экологичными.

Но количество полимеров растет не только в болидах. В городских автомобилях тоже становится все больше пластиковых частей.

Причин тому несколько. Во-первых, опять же, легкость, экономия топлива и, как следствие, экологичность. На Западе спрос на машины с большим потреблением горючего в целом снижается. Люди все чаще покупают автомобили-гибриды, которые наносят меньший вред окружающей среде. Lightweight revolution — стремление максимально снизить вес автомобиля за счет применения различного рода инноваций — также способствует борьбе с загрязнением атмосферы.

Например, такие тренды поддерживаются в Европе на государственном уровне, поэтому автомобильные компании готовы дальше работать в этом направлении. Сегодня глобальная индустрия автомобилестроения сталкивается с ужесточением требований к уровню выбросов углекислого газа: например, Европарламент проголосовал за сокращение средних выбросов CO2 автомобилями до 95 граммов на километр в 2021 году с переходным периодом в год и введением «суперкредитов». В 2015 году правила ЕС ограничивали средние выбросы в 130 г/км и устанавливали рекомендательную норму 95 г/км на 2020 год.  Однако ответственные автопроизводители самостоятельно начали проявлять инициативу по достижению максимальной энергоэффективности транспортных средств намного раньше, поэтому ученые уже в течение долгого времени снижают вес автомобиля при помощи инновационных материалов.

В российском автопроме процесс замены металлических частей пластиковыми идет значительно медленнее. Например, количество пластиков в автомобилях российских марок не превышает 10% от общей массы автомобиля. Такое отклонение от тренда обусловлено двумя факторами. Во-первых, в России нет такого масштаба производства конструкционных пластиков. Из всех полимеров, которые производятся на территории России, лишь 5% предназначены для автомобилестроения. Во-вторых, сказывается консервативный подход в разработке новых моделей машин.

Разрыв можно сократить следующими способами: развитием собственного производства полимерных деталей или переориентацией отечественных автомобилестроительных компаний на производство новых марок машин, которые будут соответствовать западным стандартам проектирования в сфере использования полимерных комплектующих.

Инновационные пластики

Крупнейшие автомобилестроительные компании сотрудничают с химическими концернами, чтобы активно внедрять новейшие разработки в производство. Например, концерн специальной химии Lanxess изготавливает детали для автомобилей Porche, Skoda: от частей подвески до коробки передач и деталей двигателя.

Ежегодно крупные немецкие химические концерны инвестируют огромные суммы в создание новых пластмасс, которые будут применяться в автомобилестроении. Сейчас при производстве автомобилей используется более 100 видов пластика: они различаются по степени жесткости и сопротивления, а также по весу.

Например, из полипропилена делаются некоторые части двигателя, колпаки колес и приборная панель; полиуретан применяется в сиденьях, полиэтилен — в ковриках, полиамид — в шестернях, рычагах включения привода, корпусах предохранителей, бензобака и аккумулятора. Привычный в быту поливинилхлорид (ПВХ), из которого делают натяжные потолки и линолеум, используется для изготовления проводки. Поликарбонат, один из наиболее ударопрочных термопластов, может заменить большинство металлических частей автомобиля. Для таких инвестиций есть множество причин. Несколько из них я перечислю ниже.

Многие скептически относятся к пластиковым композитам, так как думают, что этот материал неустойчив и ненадежен. Можно заверить, что это мнение ошибочно, так как высокопрочные армированные пластики имеют более высокие коэффициенты жесткости, сопротивления и термоустойчивости, нежели металл. Например, некоторые полиамиды во время краш-тестов показывают лучшие результаты по сравнению с листовой сталью. Однако стоит сказать, что и минусы у них есть: составные части из полиамида являются более дорогими по сравнению с металлическими.

Говоря о дополнительной жесткости, надо отметить, что пластики можно армировать: применение армированных волокон увеличивает прочность конструкции и обеспечивает термостойкость деталей. Например, армированные волокна используются для изготовления деталей приборов, которые подвергаются тепловым воздействиям.

Помимо lightweight revolution еще одним преимуществом пластиков над сталью является долговечность материалов: они не подвержены коррозии, а также обладают большой термоустойчивостью. Использование звукопоглощающих композитных материалов в отделке салона также улучшает шумоизоляцию.

Помимо всех перечисленных выше факторов использование пластиков также обеспечивает простор для различных конструкционных и дизайнерских решений. Термопластичные полимеры поддаются переработке, из них можно получить детали различной формы и цвета. Таким образом, внедрение пластиков может сильно изменить и внешний вид автомобиля будущего. Также пластик и пластмассовые композиты хорошо подходят для массового производства. Уже сегодня получает распространение 3D-принтинг различных деталей, в ближайшее время аддитивные технологии постепенно будут внедряться в производство.

Преграды на пути массового внедрения пластика в автомобилестроение

Несмотря на, казалось бы, радужные перспективы применения пластиков в автомобилестроении, по-прежнему существует ряд аспектов, которые препятствуют их повсеместному внедрению. В основном они связаны с ценовым фактором: пластиковые детали дороже в изготовлении, нежели разные типы металла, которые используются в автомобилестроении. Кроме того, технологический процесс создания высококачественных пластиков на порядок сложнее производства деталей из сплавов. Полный переход на пластиковые материалы повлечет за собой необходимость в замене промышленного оборудования, что обойдется производителям деталей для автомобилей существенными затратами. Также недостатком для компаний, производящих автомобили, является небольшой опыт работы с пластиками. Вот почему они не спешат форсировать события.

Для конечного пользователя, конечно, вопрос цены всегда имеет одно из первостепенных значений: в последние годы мировые цены на нефть существенно снизились, что позволяет им купить автомобиль с большим количеством потребляемого топлива, потратив меньше денег в краткосрочной перспективе. В таких условиях большой соблазн не задумываться о долгосрочной выгоде и экологии. Так, цены на нефть становятся своеобразной преградой на пути энергосберегающих инноваций. Несомненно, проектирование автомобилей со сложным сочетанием материалов — непростой процесс, кроме того, массовое принятие новых разработок всегда потребует времени.

Несмотря на все трудности, доля пластиков в современных автомобилях неуклонно растет. Чтобы полностью реализовать потенциал этих технологий необходимо более интенсивное сотрудничество автомобилестроительных и химических концернов, которые производят подобные детали и обладают соответствующим опытом.

  • Оцени статью:
  • Проголосовало: 3
  • Балл: 4.3