יותר ויותר חומרים מרוכבים מוצאים את דרכם למערכות רכבת ותחבורה המונים

בנוסף, מפעילי אוטובוסים, רכבת תחתית ורכבת מתחילים להבין את היתרונות של חומרים מרוכבים בהפחתת רטט רועש וקקופוניה."אם אי פעם היית ברכבת התחתית ושמעת לוחית מתכת מקרקשת," אמר דייוויס.אם הפאנל עשוי מחומר מרוכב, הוא ישתיק את הסאונד ויהפוך את הרכבת לשקט יותר".

משקלו הקל יותר של הקומפוזיט הופך אותו גם לאטרקטיבי למפעילי אוטובוסים המעוניינים לצמצם את צריכת הדלק ולהרחיב את הטווח שלו.בדו"ח מספטמבר 2018, חזתה חברת מחקרי השוק Lucintel כי השוק העולמי לחומרים מרוכבים המשמשים לתחבורה המוני ורכבי שטח יצמח בקצב שנתי של 4.6 אחוזים בין 2018 ל-2023, עם שווי פוטנציאלי של מיליארד דולר עד 2023. הזדמנויות יגיעו ממגוון יישומים, כולל חלקי חוץ, פנים, מכסה מנוע ומערכת הינע, ורכיבים חשמליים.

Norplex-Micarta מייצרת כעת חלקים חדשים הנבדקים כעת בקווי הרכבת הקלה בארצות הברית.בנוסף, החברה ממשיכה להתמקד במערכות חשמול עם חומרי סיבים רציפים ומשלבת אותם עם מערכות שרף מתאפיינות מהירות יותר."אתה יכול להפחית עלויות, להגדיל את הייצור ולהביא את הפונקציונליות המלאה של FST phenolic לשוק", הסביר דייוויס.בעוד חומרים מרוכבים יכולים להיות יקרים יותר מחלקי מתכת דומים, דייוויס אומר שהעלות אינה הגורם הקובע את היישום שהם לומדים.

קל ומעכבי בעירה
השיפוץ של מפעילת הרכבות האירופית Duetsche Bahn של 66 קרונות ICE-3 Express הוא אחת היכולות של חומרים מרוכבים כדי לענות על הצרכים הספציפיים של הלקוחות.מערכת המיזוג, מערכת הבידור לנוסעים והמושבים החדשים הוסיפו משקל מיותר לקרונות הרכבת ICE-3.בנוסף, ריצוף הדיקט המקורי לא עמד בתקני האש האירופיים החדשים.החברה הייתה זקוקה לפתרון ריצוף שיעזור להפחית משקל ולעמוד בתקני הגנה מפני אש.ריצוף מרוכב קל משקל הוא התשובה.

Saertex, יצרנית בדים מרוכבים שבסיסה בגרמניה, מציעה מערכת חומרי LEO® לריצוף שלה.דניאל סטמפ, ראש שיווק עולמי בקבוצת Saertex, אמר כי LEO הוא בד שכבות, לא מכוסה, המציע תכונות מכניות גבוהות יותר ופוטנציאל קל משקל גדול יותר מבדים ארוגים.המערכת המרוכבת ארבעת הרכיבים כוללת ציפויים מיוחדים עמידים בפני אש, חומרים מחוזקים בפיברגלס, SAERfoam®(חומר ליבה עם גשרים משולבים של פיברגלס תלת מימדיים), ושרף ויניל אסטר LEO.

SMT (שבסיסה גם בגרמניה), יצרנית חומרים מרוכבים, יצרה את הרצפה באמצעות תהליך מילוי ואקום באמצעות שקיות ואקום סיליקון לשימוש חוזר מתוצרת אלן הרפר, חברה בריטית."חסכנו בערך 50 אחוז מהמשקל מהדיקט הקודם", אמר סטמפ."מערכת ה-LEO מבוססת על למינציה של סיבים רציפים עם מערכת שרף לא ממולאת בעלת תכונות מכניות מעולות... בנוסף, הקומפוזיט אינו נרקב, מה שמהווה יתרון גדול במיוחד באזורים בהם יורד שלג בחורף ו- הרצפה רטובה."הרצפה, השטיח העליון וחומר הגומי עומדים בסטנדרטים החדשים של מעכב בעירה.

SMT ייצרה יותר מ-32,000 רגל רבוע של פאנלים, שהותקנו בכשליש משמונה רכבות ה-ICE-3 עד כה.במהלך תהליך השיפוץ, גודלו של כל פאנל עובר אופטימיזציה כדי להתאים לרכב מסוים.ה-OEM של ה-ICE-3 סדאן כל כך התרשם מהריצוף המרוכב החדש, עד שהוא הזמין גג מרוכב כדי להחליף חלקית את מבנה גג המתכת הישן בקרונות הרכבת.

לך רחוק יותר
פרוטרה, מעצבת ויצרנית מקליפורניה של אוטובוסים חשמליים אפס פליטת פליטה, משתמשת בחומרים מרוכבים בכל גופיה מאז 2009. בשנת 2017, החברה קבעה שיא על ידי נסיעה של 1,100 מיילים חד-כיווניים ב-Catalyst טעון הסוללה שלה. אוטובוס ®E2.האוטובוס הזה כולל גוף קל משקל מתוצרת יצרנית הקומפוזיט TPI Composite.

* לאחרונה, TPI שיתפה פעולה עם Proterra כדי לייצר אוטובוס חשמלי משולב הכל-באחד."באוטובוס או משאית טיפוסית יש שלדה, והמרכב יושב על השלדה הזו", מסביר טוד אלטמן, מנהל שיווק אסטרטגי ב-TPI.עם עיצוב המעטפת הקשיחה של האוטובוס, שילבנו את השלדה והמרכב יחדיו, בדומה לעיצוב של מכונית ה-all-in-one". מבנה בודד יעיל יותר משני מבנים נפרדים בעמידה בדרישות הביצועים.
גוף פרוטרה בעל מעטפת יחידה בנוי ייעודי, מתוכנן מאפס להיות רכב חשמלי.זו הבחנה חשובה, אמר אלטמן, כי הניסיון של יצרני רכב ויצרני אוטובוסים חשמליים רבים היה לנסות ניסיונות מוגבלים להתאים את העיצובים המסורתיים שלהם למנועי בעירה פנימית לכלי רכב חשמליים."הם לוקחים פלטפורמות קיימות ומנסים לארוז כמה שיותר סוללות. זה לא מציע את הפתרון הטוב ביותר מכל נקודת מבט"."אמר אלטמן.
לאוטובוסים חשמליים רבים, למשל, יש סוללות מאחור או על גבי הרכב.אבל עבור פרוטרה, TPI מסוגלת להרכיב את הסוללה מתחת לאוטובוס."אם אתה מוסיף משקל רב למבנה הרכב, אתה רוצה שהמשקל הזה יהיה קל ככל האפשר, הן מנקודת מבט של ביצועים והן מנקודת מבט בטיחותית", אמר אלטמן.הוא ציין שיצרני אוטובוסים ומכוניות חשמליים רבים חוזרים כעת ללוח השרטוטים כדי לפתח עיצובים יעילים וממוקדים יותר עבור כלי הרכב שלהם.

TPI חתמה על הסכם לחמש שנים עם פרוטרה לייצור עד 3,350 גופי אוטובוס מרוכבים במתקני TPI באיווה וברוד איילנד.

צריך להתאים אישית
תכנון גוף האוטובוס של Catalyst דורש ש-TPI ו-Proterra לאזן כל הזמן את החוזקות והחולשות של כל החומרים השונים, כך שיוכלו לעמוד ביעדי העלות תוך השגת ביצועים מיטביים.אלטמן ציין כי הניסיון של TPI בייצור להבי רוח גדולים שאורכם כ-200 רגל ומשקלם 25,000 פאונד מקל עליהם יחסית לייצר גופי אוטובוס באורך 40 רגל ששוקלים בין 6,000 ל-10,000 פאונד.

TPI מסוגלת להשיג את החוזק המבני הנדרש על ידי שימוש סלקטיבי בסיבי פחמן ושמירתם כדי לחזק את האזורים הנושאים את העומס הגדול ביותר."אנחנו משתמשים בסיבי פחמן איפה שאתה יכול בעצם לקנות מכונית", אמר אלטמן.בסך הכל, סיבי פחמן מהווים פחות מ-10 אחוזים מחומר החיזוק המרוכב של הגוף, והשאר הוא פיברגלס.

TPI בחרה בשרף ויניל אסטר מסיבה דומה."כשאנחנו מסתכלים על אפוקסי, הם נהדרים, אבל כשאתה מרפא אותם, אתה צריך להעלות את הטמפרטורה, אז אתה צריך לחמם את התבנית. זו הוצאה נוספת", הוא המשיך.

החברה משתמשת בצורת שרף בסיוע ואקום (VARTM) כדי לייצר מבני סנדוויץ' מרוכבים המספקים את הקשיחות הדרושה לקליפה אחת.במהלך תהליך הייצור משולבים בגוף כמה אביזרי מתכת (כגון אביזרי הברגה ופלטות הקשה).האוטובוס מחולק לחלקים עליונים ותחתונים, המודבקים לאחר מכן.על העובדים להוסיף מאוחר יותר קישוטים מרוכבים קטנים כגון יריעות, אך מספר החלקים הוא חלק קטן מהאוטובוס המתכתי.

לאחר שליחת הגופה המוגמרת למפעל ייצור האוטובוסים של פרוטרה, קו הייצור זורם מהר יותר כי יש פחות עבודה לעשות."הם לא צריכים לעשות את כל הריתוך, השחזה והייצור, ויש להם ממשק פשוט מאוד לחבר את הגוף למערכת ההינע", הוסיף אלטמן.פרוטרה חוסכת זמן ומצמצמת את התקורה מכיוון שנדרש פחות שטח ייצור עבור המעטפת המונוקוטית.

אלטמן מאמין שהביקוש לגופי אוטובוסים מרוכבים ימשיך לגדול כאשר ערים יפנו לאוטובוסים חשמליים כדי להפחית את הזיהום ולצמצם עלויות.לפי פרוטרה, לכלי רכב חשמליים סוללות יש את עלות מחזור החיים התפעולית הנמוכה ביותר (12 שנים) בהשוואה לאוטובוסים דיזל, גז טבעי דחוס או דיזל היברידיים.זו עשויה להיות אחת הסיבות שבגללה פרוטרה אומרת שמכירות אוטובוסים חשמליים המונעים באמצעות סוללות מהוות כעת 10% משוק התחבורה הכולל.

יש עדיין כמה מכשולים ליישום הרחב של חומרים מרוכבים בגוף האוטובוס החשמלי.האחד הוא ההתמחות של צרכי לקוחות אוטובוס שונים."כל רשות מעבר אוהבת לקבל אוטובוסים בדרך אחרת - תצורת מושבים, פתיחת צוהר. זה אתגר גדול עבור יצרני אוטובוסים, ורבים מפריטי התצורה האלה יכולים להגיע אלינו"."אלטמן אמר. "יצרני מרכבים משולבים רוצים להיות בעלי מבנה סטנדרטי, אבל אם כל לקוח רוצה רמה גבוהה של התאמה אישית, זה יהיה קשה לעשות את זה." TPI ממשיכה לעבוד עם פרוטרה כדי לשפר את עיצוב האוטובוס כדי לנהל טוב יותר הגמישות הנדרשת על ידי לקוחות הקצה.

בדוק את האפשרות
Composites ממשיכה לבדוק האם החומרים שלה מתאימים ליישומים חדשים להובלת המונים.בבריטניה, ELG Carbon Fibre, המתמחה בטכנולוגיה למיחזור ושימוש חוזר בסיבי פחמן, מובילה קונסורציום של חברות המפתחות חומרים מרוכבים קלים עבור בוגי במכוניות נוסעים.הבוגי תומך בגוף המכונית, מנחה את מערכת הגלגלים ושומר על יציבותו.הם עוזרים לשפר את נוחות הנסיעה על ידי ספיגת רעידות מסילה ומזעור כוח צנטריפוגלי בזמן שהרכבת מסתובבת.

אחת המטרות של הפרויקט היא לייצר בוגיות קלות ב-50 אחוזים מבוגיות מתכת דומות."אם הבוגי קל יותר, זה יגרום פחות נזק למסילה, ומכיוון שהעומס על המסילה יהיה נמוך יותר, ניתן להפחית את זמן התחזוקה ועלויות התחזוקה", אומרת קמיל סאוראט, מהנדסת פיתוח מוצר של ELG.יעדים נוספים הם להפחית את כוחות הגלגלים מצד אל מסילה ב-40% ולספק ניטור מצב לכל החיים.מועצת הבטיחות והתקנים של בריטניה ללא מטרות רווח (RSSB) מממנת את הפרויקט במטרה לייצר מוצר בר-קיימא מבחינה מסחרית.

ניסויי ייצור נרחבים נערכו ומספר לוחות בדיקה נעשו באמצעות prepregs מלחיצת קוביות, הנחת רטובה קונבנציונלית, זלוף ואוטוקלאב.מכיוון שהייצור של הבוגי יהיה מוגבל, החברה בחרה אפוקסי prepreg שנרפא באוטוקלבים כשיטת הבנייה החסכונית ביותר.

אב-טיפוס הבוגי בגודל מלא הוא באורך 8.8 רגל, רוחב 6.7 רגל וגובה של 2.8 רגל.הוא עשוי משילוב של סיבי פחמן ממוחזרים (רפידות לא ארוגות המסופקות על ידי ELG) ובד סיבי פחמן גולמי.הסיבים החד-כיווניים ישמשו לאלמנט החוזק העיקרי ויוצבו בתבנית בטכנולוגיה רובוטית.ייבחר אפוקסי בעל תכונות מכניות טובות, אשר יהיה אפוקסי מעכב בעירה שנוסח לאחרונה ואושר EN45545-2 לשימוש ברכבת.
בניגוד לבוגי פלדה, אשר מרותכים מקורות היגוי לשתי קורות צד, בוגי מרוכבים ייבנו עם עליונים ותחתונים שונים אשר לאחר מכן יחברו יחדיו.כדי להחליף את בוגי המתכת הקיימים, הגרסה המרוכבת תצטרך לשלב את תושבת חיבור המתלים והבלמים ואביזרים נוספים באותו מיקום."לעת עתה, בחרנו לשמור על אביזרי הפלדה, אך עבור פרויקטים נוספים, אולי יהיה מעניין להחליף את אביזרי הפלדה באביזרים מסוג מרוכבים כדי שנוכל להפחית עוד יותר את המשקל הסופי", אמר Seurat.

חבר קונסורציום בקבוצת חיישנים וחומרים מרוכבים באוניברסיטת ברמינגהם מפקח על פיתוח החיישן, שישולב בבוג'י המרוכב בשלב הייצור."רוב החיישנים יתמקדו בניטור המתח בנקודות נפרדות על הבוגי, בעוד שאחרים מיועדים ללחישת טמפרטורה", אמר Seurat.החיישנים יאפשרו ניטור בזמן אמת של המבנה המרוכב, מה שיאפשר איסוף נתוני עומס לכל החיים.זה יספק מידע רב ערך על עומס שיא ועייפות ארוכת טווח.

מחקרים ראשוניים מצביעים על כך שבוגיות מרוכבות אמורות להיות מסוגלות להשיג את הפחתת המשקל הרצויה של 50%.צוות הפרויקט מקווה שיהיה בוגי גדול מוכן לבדיקה עד אמצע 2019.אם אב הטיפוס יתפקד כמצופה, הם ייצרו בוגיים נוספים לבדיקת חשמליות מתוצרת אלסטום, חברת התחבורה ברכבת.

לדברי Seurat, למרות שעדיין יש עבודה רבה לעשות, אינדיקציות מוקדמות מצביעות על כך שניתן לבנות בוגי מרוכב בעל קיימא מסחרית שיכול להתחרות עם בוגי מתכת בעלות ובחוזק."אז אני חושבת שיש הרבה אפשרויות ויישומים פוטנציאליים עבור חומרים מרוכבים בתעשיית הרכבות", הוסיפה.(מאמר הודפס מחדש מתוך סיבי פחמן והטכנולוגיה המרוכבת שלו מאת ד"ר צ'יאן שין).