Demiryolu taşımacılığı için kompozit malzemeler alanında yabancı araştırmalar yaklaşık yarım yüzyıldır devam etmektedir.Çin'de demiryolu taşımacılığının ve yüksek hızlı demiryolunun hızla gelişmesi ve bu alanda yerli kompozit malzemelerin uygulanması tüm hızıyla devam etmesine rağmen, yabancı demiryolu taşımacılığında yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerin güçlendirilmiş elyafı daha çok cam elyaftır ve bu da diğer malzemelerden farklıdır. Çin'deki karbon fiber kompozitlerinki.Bu yazıda da belirtildiği gibi, TPI Composites Company'nin gövde için geliştirdiği kompozit malzemelerin %10'undan azı karbon fiber, geri kalanı ise cam elyaftır, böylece hafifliği sağlarken maliyeti de dengeleyebilir.Karbon fiberin yoğun kullanımı kaçınılmaz olarak maliyet zorluklarına yol açmaktadır, bu nedenle bojiler gibi bazı önemli yapısal bileşenlerde kullanılabilir.
Termoset kompozit üreticisi Norplex-Micarta, 50 yılı aşkın bir süredir trenler, hafif raylı fren sistemleri ve yükseltilmiş elektrikli raylar için elektrik yalıtımı da dahil olmak üzere demiryolu taşımacılığı uygulamalarına yönelik malzemeler üreten istikrarlı bir iş yürütüyor.Ancak bugün şirketin pazarı nispeten dar bir nişin ötesine geçerek duvarlar, çatılar ve zeminler gibi daha fazla uygulamaya doğru genişliyor.
Norplex-Micarta'nın iş geliştirme direktörü Dustin Davis, demiryolu ve diğer toplu taşıma pazarlarının önümüzdeki yıllarda kendi şirketinin yanı sıra diğer kompozit üreticileri ve tedarikçileri için giderek daha fazla fırsat sağlayacağına inanıyor.Bu beklenen büyümenin çeşitli nedenleri vardır; bunlardan biri, toplu taşımacılık için daha katı yangın, duman ve gazdan korunma (FST) gereklilikleri getiren Yangın standardı EN 45545-2'nin Avrupa'da benimsenmesidir.Kompozit üreticileri fenolik reçine sistemlerini kullanarak gerekli yangın ve duman koruma özelliklerini ürünlerine dahil edebilirler.
Ayrıca otobüs, metro ve tren operatörleri kompozit malzemelerin gürültülü titreşimi ve kakofoniyi azaltmadaki avantajlarını fark etmeye başlıyor.Davis, "Eğer metroya bindiyseniz ve metal bir plakanın tıkırdadığını duymuşsanız" dedi.Panel kompozit malzemeden yapılmışsa sesi kesecek ve trenin daha sessiz olmasını sağlayacaktır."
Kompozitin daha hafif olması, yakıt kullanımını azaltmak ve menzilini genişletmek isteyen otobüs işletmecileri için de onu çekici kılıyor.Pazar araştırma firması Lucintel, Eylül 2018 tarihli bir raporunda, toplu taşıma ve arazi araçlarında kullanılan kompozitlere yönelik küresel pazarın, 2018 ile 2023 arasında yıllık yüzde 4,6 oranında büyüyeceğini ve 2023 yılına kadar 1 milyar dolarlık potansiyel değere sahip olacağını öngördü. Dış, iç, kaput ve aktarma organları parçaları ve elektrikli bileşenler de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalardan fırsatlar gelecektir.
Norplex-Micarta artık Amerika Birleşik Devletleri'ndeki hafif raylı sistem hatlarında test edilmekte olan yeni parçalar üretiyor.Ayrıca şirket, sürekli fiber malzemeli elektrifikasyon sistemlerine odaklanmaya devam ediyor ve bunları daha hızlı kürleşen reçine sistemleriyle birleştiriyor.Davis, "Maliyetleri azaltabilir, üretimi artırabilir ve FST fenoliklerin tüm işlevselliğini pazara sunabilirsiniz" diye açıkladı.Kompozit malzemeler benzer metal parçalara göre daha pahalı olsa da Davis, üzerinde çalıştıkları uygulamayı belirleyen faktörün maliyetin olmadığını söylüyor.
Hafif ve alev geciktirici
Avrupalı demiryolu operatörü Duetsche Bahn'ın 66 ICE-3 Express vagonundan oluşan filosunun yenilenmesi, kompozit malzemelerin müşterilerin özel ihtiyaçlarını karşılama yeteneklerinden biridir.Klima sistemi, yolcu eğlence sistemi ve yeni koltuklar ICE-3 vagonlarına gereksiz ağırlık kattı.Ayrıca orijinal kontrplak döşeme yeni Avrupa yangın standartlarını karşılamıyordu.Şirketin ağırlığı azaltmaya ve yangından korunma standartlarını karşılamaya yardımcı olacak bir zemin kaplama çözümüne ihtiyacı vardı.Cevap hafif kompozit döşemedir.
Almanya merkezli kompozit kumaş üreticisi Saertex, zemin kaplaması için LEO® malzeme sistemi sunuyor.Saertex Group'un küresel pazarlama müdürü Daniel Stumpp, LEO'nun dokuma kumaşlara göre daha yüksek mekanik özellikler ve daha fazla hafiflik potansiyeli sunan katmanlı, kıvrımsız bir kumaş olduğunu söyledi.Dört bileşenli kompozit sistem, özel yangına dayanıklı kaplamalar, fiberglas takviyeli malzemeler, SAERfoam® (entegre 3D fiberglas Köprülere sahip bir çekirdek malzeme) ve LEO vinil ester reçineleri içerir.
Kompozit malzeme üreticisi SMT (yine Almanya merkezli), İngiliz şirketi Alan Harper tarafından üretilen yeniden kullanılabilir silikon vakum torbalarını kullanarak vakumlu doldurma işlemiyle zemini oluşturdu.Stumpp, "Önceki kontrplağın ağırlığının yaklaşık yüzde 50'sini kurtardık" dedi."LEO sistemi, mükemmel mekanik özelliklere sahip, dolgusuz reçine sistemine sahip sürekli fiber laminatlara dayanmaktadır... Ayrıca kompozitin çürümemesi, özellikle kışın kar yağan ve kış aylarında kar yağan bölgelerde büyük bir avantajdır. zemin ıslak."Zemin, üst halı ve kauçuk malzemenin tamamı yeni alev geciktirici standartlara uygundur.
SMT bugüne kadar sekiz ICE-3 treninin yaklaşık üçte birine monte edilen 32.000 metrekareden fazla panel üretti.Yenileme süreci sırasında her panelin boyutu belirli bir araca uyacak şekilde optimize ediliyor.ICE-3 sedanın OEM'i yeni kompozit döşemeden o kadar etkilendi ki, vagonlardaki eski metal çatı yapısının kısmen yerine kompozit çatı siparişi verdi.
Daha ileri git
Kaliforniya merkezli sıfır emisyonlu elektrikli otobüs tasarımcısı ve üreticisi Proterra, 2009'dan bu yana tüm gövdelerinde kompozit malzemeler kullanıyor. Şirket, 2017 yılında pil şarjlı Katalizörüyle tek yön 1.100 mil kat ederek rekor kırdı. ®E2 veri yolu.Bu otobüs, kompozit üreticisi TPI Composite tarafından üretilen hafif bir gövdeye sahiptir.
* Yakın zamanda TPI, entegre hepsi bir arada kompozit elektrikli otobüs üretmek için Proterra ile işbirliği yaptı.TPI Stratejik Pazarlama Direktörü Todd Altman, "Tipik bir otobüs veya kamyonda bir şasi vardır ve gövde bu şasinin üzerinde yer alır" diye açıklıyor.Otobüsün sert kabuk tasarımıyla, hepsi bir arada otomobilin tasarımına benzer şekilde şasi ve gövdeyi birbirine entegre ettik." Performans gereksinimlerini karşılamada tek bir yapı, iki ayrı yapıdan daha etkilidir.
Proterra tek kabuklu gövdesi amaca yönelik olarak üretilmiş olup, sıfırdan elektrikli bir araç olarak tasarlanmıştır.Altman, bunun önemli bir ayrım olduğunu söyledi, çünkü birçok otomobil üreticisinin ve elektrikli otobüs üreticisinin deneyimi, içten yanmalı motorlara yönelik geleneksel tasarımlarını elektrikli araçlara uyarlamak için sınırlı girişimlerde bulunmaktı."Mevcut platformları alıp mümkün olduğu kadar çok pili paketlemeye çalışıyorlar. Bu, hiçbir açıdan en iyi çözümü sunmuyor.""dedi Altman.
Örneğin birçok elektrikli otobüsün aküleri aracın arkasında veya üstünde bulunur.Ancak Proterra için TPI, bataryayı veriyolunun altına monte edebiliyor.Altman, "Aracın yapısına çok fazla ağırlık ekliyorsanız, bu ağırlığın hem performans hem de güvenlik açısından mümkün olduğunca hafif olmasını istersiniz" dedi.Pek çok elektrikli otobüs ve otomobil üreticisinin artık araçları için daha verimli ve hedefe yönelik tasarımlar geliştirmek üzere çizim tahtasına geri döndüğünü belirtti.
TPI, Iowa ve Rhode Island'daki tesislerinde 3.350 adede kadar kompozit otobüs gövdesi üretmek üzere Proterra ile beş yıllık bir anlaşma imzaladı.
Özelleştirmeniz gerekiyor
Catalyst veri yolu gövdesinin tasarlanması, TPI ve Proterra'nın tüm farklı malzemelerin güçlü ve zayıf yönlerini sürekli olarak dengelemesini gerektirir; böylece optimum performansa ulaşırken maliyet hedeflerini de karşılayabilirler.Altman, TPI'nın yaklaşık 200 fit uzunluğunda ve 25.000 pound ağırlığındaki büyük rüzgar kanatları üretme konusundaki deneyiminin, 6.000 ila 10.000 pound ağırlığında 40 fitlik otobüs gövdeleri üretmelerini nispeten kolaylaştırdığını belirtti.
TPI, karbon fiberi seçici olarak kullanarak ve onu en fazla yükü taşıyan alanları güçlendirmek için tutarak gerekli yapısal gücü elde edebiliyor.Altman, "Temel olarak araba satın alabileceğiniz yerlerde karbon fiber kullanıyoruz" dedi.Genel olarak karbon fiber, gövdenin kompozit takviye malzemesinin yüzde 10'undan azını oluştururken geri kalanı fiberglastır.
TPI da benzer bir nedenden dolayı vinil ester reçinesini seçti."Epoksilere baktığımızda harikalar ama kürlediğinizde sıcaklığı yükseltmeniz gerekiyor, dolayısıyla kalıbı ısıtmanız gerekiyor. Bu da ek bir masraf" diye devam etti.
Şirket, tek bir kabuğa gerekli sertliği sağlayan kompozit sandviç yapılar üretmek için vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM) kullanıyor.Üretim süreci sırasında, bazı metal bağlantı parçaları (dişli bağlantı parçaları ve kılavuz plakaları gibi) gövdeye dahil edilir.Otobüs üst ve alt parçalara bölünür ve bunlar daha sonra birbirine yapıştırılır.İşçilerin daha sonra kaporta gibi küçük kompozit süslemeler eklemesi gerekiyor, ancak parça sayısı metal otobüsün çok küçük bir kısmı.
Bitmiş gövdeyi Proterra otobüs üretim tesisine gönderdikten sonra, yapılacak iş daha az olduğundan üretim hattı daha hızlı akıyor.Altman, "Tüm kaynak, taşlama ve imalat işlemlerini yapmak zorunda değiller ve gövdeyi aktarma organlarına bağlamak için çok basit bir arayüze sahipler" diye ekledi.Proterra, monokotik kabuk için daha az üretim alanı gerektirdiğinden zamandan tasarruf sağlar ve masrafları azaltır.
Altman, şehirlerin kirliliği azaltmak ve maliyetleri düşürmek için elektrikli otobüslere yönelmesiyle kompozit otobüs gövdelerine olan talebin artmaya devam edeceğine inanıyor.Proterra'ya göre akülü elektrikli araçlar, dizel, sıkıştırılmış doğal gaz veya dizel hibrit otobüslere kıyasla en düşük işletme ömrü maliyetine (12 yıl) sahip.Proterra'nın aküyle çalışan elektrikli otobüs satışlarının artık toplam taşımacılık pazarının %10'unu oluşturduğunu söylemesinin bir nedeni bu olabilir.
Kompozit malzemelerin elektrikli otobüs gövdesinde geniş çapta uygulanmasının önünde hala bazı engeller bulunmaktadır.Bunlardan biri, farklı otobüs müşterilerinin ihtiyaçlarının uzmanlaşmasıdır."Her ulaşım otoritesi, otobüsleri farklı bir şekilde almayı sever; koltuk konfigürasyonu, bagaj kapağının açılması. Bu, otobüs üreticileri için büyük bir zorluk ve bu konfigürasyon öğelerinin çoğu bize gidebilir.""Altman şunları söyledi: "Entegre üstyapı üreticileri standart bir yapıya sahip olmak istiyor ancak her müşteri yüksek derecede kişiselleştirme istiyorsa bunu yapmak zor olacak." TPI, otobüs tasarımını daha iyi yönetmek amacıyla geliştirmek için Proterra ile çalışmaya devam ediyor son müşterilerin ihtiyaç duyduğu esneklik.
Olasılığı keşfedin
Composites, malzemelerinin yeni toplu taşıma uygulamalarına uygun olup olmadığını test etmeye devam ediyor.Birleşik Krallık'ta, karbon fiberin geri dönüşümü ve yeniden kullanılması teknolojisinde uzmanlaşan ELG Carbon Fibre, binek otomobillerdeki bojiler için hafif kompozit malzemeler geliştiren şirketlerden oluşan bir konsorsiyuma liderlik ediyor.Boji, arabanın gövdesini destekler, tekerlek takımını yönlendirir ve dengesini korur.Ray titreşimlerini emerek ve tren dönerken merkezkaç kuvvetini en aza indirerek sürüş konforunu artırmaya yardımcı olurlar.
Projenin hedeflerinden biri, benzer metal bojilerden yüzde 50 daha hafif bojiler üretmek.ELG ürün geliştirme mühendisi Camille Seurat, "Bojinin daha hafif olması, raya daha az zarar verecektir ve ray üzerindeki yük daha az olacağı için bakım süresi ve bakım maliyetleri azaltılabilecektir" diyor.Ek hedefler, yandan raya tekerlek kuvvetlerini %40 oranında azaltmak ve ömür boyu durum izleme sağlamaktır.Birleşik Krallık'ın kar amacı gütmeyen Demiryolu Güvenliği ve Standartları Kurulu (RSSB), ticari olarak uygun bir ürün üretmek amacıyla projeyi finanse ediyor.
Kapsamlı üretim denemeleri gerçekleştirilmiş ve kalıp presleme, geleneksel ıslak yerleştirme, perfüzyon ve otoklavdan elde edilen ön emprenye maddeleri kullanılarak bir dizi test paneli yapılmıştır.Bojilerin üretimi sınırlı olacağından şirket, en uygun maliyetli inşaat yöntemi olarak otoklavda kürlenen epoksi prepreg'i seçti.
Tam boyutlu boji prototipi 8,8 fit uzunluğunda, 6,7 fit genişliğinde ve 2,8 fit yüksekliğindedir.Geri dönüştürülmüş karbon fiber (ELG tarafından sağlanan dokunmamış pedler) ve ham karbon fiber kumaşın birleşiminden yapılmıştır.Tek yönlü elyaflar ana mukavemet elemanı olarak kullanılacak ve robotik teknoloji kullanılarak kalıba yerleştirilecek.Demiryollarında kullanım için EN45545-2 sertifikasına sahip, yeni formüle edilmiş, alev geciktirici bir epoksi olacak, iyi mekanik özelliklere sahip bir epoksi seçilecektir.
Direksiyon kirişlerinden iki yan kirişe kaynak yapılan çelik bojilerden farklı olarak kompozit bojiler, daha sonra bir araya getirilen farklı üst ve alt kısımlarla inşa edilecek.Mevcut metal bojileri değiştirmek için kompozit versiyonun süspansiyon ve fren bağlantı braketlerini ve diğer aksesuarları aynı konumda birleştirmesi gerekecek.Seurat, "Şimdilik çelik bağlantı parçalarını korumayı seçtik, ancak daha sonraki projelerde çelik bağlantı parçalarını kompozit tip bağlantı parçalarıyla değiştirmek ilginç olabilir, böylece nihai ağırlığı daha da azaltabiliriz" dedi.
Birmingham Üniversitesi'ndeki Sensörler ve Kompozitler Grubunun bir konsorsiyum üyesi, üretim aşamasında kompozit bojiye entegre edilecek sensörün geliştirilmesini denetliyor.Seurat, "Çoğu sensör boji üzerindeki farklı noktalardaki gerilimi izlemeye odaklanırken diğerleri sıcaklık algılamaya yöneliktir" dedi.Sensörler, kompozit yapının gerçek zamanlı izlenmesine olanak tanıyacak ve ömür boyu yük verilerinin toplanmasına olanak tanıyacak.Bu, pik yük ve uzun süreli yorgunluk hakkında değerli bilgiler sağlayacaktır.
Ön çalışmalar, kompozit bojilerin istenen %50 ağırlık azaltımına ulaşabilmesi gerektiğini göstermektedir.Proje ekibi, 2019 ortasına kadar büyük bir bojinin teste hazır olmasını umuyor.Prototip beklendiği gibi performans gösterirse demiryolu taşımacılığı şirketi Alstom'un ürettiği tramvayları test etmek için daha fazla boji üretecekler.
Seurat'a göre, hâlâ yapılacak çok iş olmasına rağmen, ilk göstergeler, maliyet ve dayanıklılık açısından metal bojilerle rekabet edebilecek, ticari olarak uygun bir kompozit boji inşa etmenin mümkün olduğunu gösteriyor."O halde demiryolu endüstrisinde kompozitler için birçok seçenek ve potansiyel uygulama olduğunu düşünüyorum" diye ekledi.(Makale Dr. Qian Xin tarafından Karbon Fiber ve Kompozit Teknolojisinden yeniden basılmıştır).
Gönderim zamanı: Mar-07-2023