По прогнозам экспертов, в скором времени автомобили будут на 75% состоять из полимерных материалов. Однако речь идет в основном о кузовных деталях. В области двигателя и трансмиссии металл пока не сдает позиций.
Но прогресс не остановить! Разработчики приводных систем (NAS) из исследовательского центра Фраунхофера (Германия), совместно со специалистами Sumitomo Bakelite Co. Ltd. (Япония) разработали облегченный корпус блока цилиндра ДВС на основе армированных волокном композиционных материалов.
Идея применения композиционных материалов вместо металла на первый взгляд проста, но на практике все оказывается намного сложнее. Композиты должны выдерживать экстремальные вибрации, температуры и высокое давление на протяжении долгого срока службы. Они должны обладать необходимой жесткостью и твердостью, а также устойчивостью к воздействию топлива, масел и этиленгликоля из охлаждающей жидкости. Пластик должен обладать коэффициентом теплового расширения, близким к показателям металла, и хорошей адгезией к самому металлу.
В 1980-х были созданы пластики, практически соответствующие этим требованиям. Но серийное производство автомобильных моторов из полимеров в те времена так и не началось. Главная причина — широкое использование ручного труда, что вело к увеличению себестоимости. Для массового производства это было недопустимо. Элементы, выдерживающие высокие температуры и нагрузки, могли быть изготовлены лишь в штучных экземплярах. Нынешние технологии позволяют решить эту проблему.
Блок одноцилиндрового четырехтактного опытного мотора (за основу взят мотоциклетный двигатель BMW-650) отлит из волоконно-армированного пластика. Этот материал пригоден для литья под давлением, и при этом весит блок на 20 % меньше, чем алюминиевый аналог. В особо нагруженных местах он армирован стальными вставками. Гильза цилиндра — стальная. Причем стоимость его изготовления при массовом производстве близка к «алюминиевой».
Но эксперименты показали, что при коэффициенте теплового расширения пластмассовых компонентов, превышающем этот показатель деталей из металла, — они начинали отслаиваться друг от друга. Поэтому исследовательский центр SBHPP компании Sumitomo Bakelite разработал специальный, армированный стекловолокном композиционный материал на основе фенопластов (композиция на 45% состоит из смолы и на 55% — из волокна). Отмечается, что при использовании углеродного волокна (карбона) прочность получается еще больше, но чрезмерно возрастает цена. По коэффициенту расширения материал оказался близким к металлу. В гранулированном виде он поступает в литейную машину, и далее блок отливается из него под давлением. Литейная форма была разработана при помощи компьютерного моделирования. Производственный процесс позволяет быстро получать готовое изделие, практически не требующее дополнительной обработки, в то время как детали из алюминиевого сплава должны проходить множество дополнительных операций. Тем самым новая технология открывает дорогу композиционным материалам для массового производства автомобильных и мотоциклетных двигателей.