کامپوزیت گزیه ای مناسب برای صنعت خودرو سازی

افزایش مدل، بهبود عملكرد به همراه حفظ امنیت، كیفیت و سوددهی، از مواردی است كه در صنعت خودروی امروز مورد توجه قرار می‌گیرد.
با توجه به موارد فوق، توسعه مواد و فرایندهای تولید جدید ضروری بنظر می‌رسد.توسعه علم مواد طی ۲۰ سال گذشته فرصتهای بسیاری را برای صنعت ایجاد كرده است. معرفی مواد جدید این امكان را فراهم ساخته است كه صنعت بتواند با افزایش محصول، بهینه كردن عملكرد و در بسیاری از موارد، بهبود امنیت و روشهای مدیریت محیط زیست، درهای توسعه را به روی خود بگشاید.
عمده‌ترین عوامل محرك ایجاد تكنولوژی‌‌های جدید عبارتند از قیمت، امنیت، كیفیت، ایجاد سبك جدید، اقتصاد سوخت، عملكرد بهینه، راحتی و قابلیت بازسازی. بدون شك امروزه‌فشار زیادی از طرف مصرف‌كنندگان بر تولیدكنندگان خودرو برای كاهش مصرف سوخت وارد می‌شود. مهمترین روش كاهش مصرف سوخت، كاهش وزن خودرو است. ۱۰ درصد كاهش وزن خودرو، حدود ۵/۵ درصد مصرف سوخت را كاهش می‌دهد. به بیان دیگر، ۹۱ كیلوگرم كاهش در وزن خودرو، بازدهی سوخت را به میزان تقریباً ۴۳/۰ كیلوگرم بر لیتر افزایش می‌دهد.
اگر چه خواست مشتری و قوانین دولتی محركهایی برای ایجاد تكنولوژی جدید می‌توانند باشند، اما رقابت نیز تعیین‌كننده است. بیشترین عامل رقابتی، تولید خودرویی است كه هم خواسته‌‌های مشتریان را برآورده كند و هم استانداردهای وضع شده را ولی با ارزانترین قیمت. ذكر این نكته ضروری است كه كاهش قیمت فقط شامل مواد بكار رفته نمی‌شود بلكه روشهای تولید، و چرخه‌‌های بازیابی را نیز شامل می‌شود.
كامپوزیت از جمله مواد جدیدی است كه می‌تواند خواستهای خودروسازان را در موارد فوق برآورده كند. اما یكی از موانع بكارگیری كامپوزیتها در صنعت خودرو، هزینه بالای مورد نیاز در بخش تحقیق و توسعه مربوط به آن می‌باشد.
نكته دیگر آنكه خودروها یکی از منابع آلاینده محیط زیست می‌باشند که چه در حین مصرف (تولید گازهای گلخانه‌ای) و چه پس از دوره عمر (قطعات غیرقابل بازیافت) باعث آلودگی محیط زیست می‌گردند. بر این اساس سیاست‌های توسعه‌ای کشورهای پیشرفته به نحوی شکل گرفته که صنایع خودروسازی را در جهت توسعه و کاربرد کامپوزیت‌های قابل بازیافت تشویق نماید.
امروزه صنعت خودروسازی از تکنولوژی کامپوزیت (مواد مركب)، در جهت کاهش وزن و افزایش عمر خودروها استفاده می‌کند و انتظار می‌رود در خودروهای آینده کامپوزیت‌ها بخش بزرگی از خودرو را تشکیل دهند. با این حال این تکنولوژی در کشور ما چندان توسعه نیافته است.
در کشور ما به علت تحولات جهانی در صنعت خودرو، توجه به تکنولوژی کامپوزیت افزایش یافته است. اما هنوز استفاده از قطعات کامپوزیتی در صنایع خودروسازی کشور بیشتر جنبه تقلیدی دارد تا استفاده آگاهانه و هدفمند. به همین دلیل برخی از کارشناسان معتقدند استفاده از کامپوزیت در صنعت خودروی کشور ما جذابیت خود را از دست داده و گزینه مناسبی نمی‌باشد.
آنها معتقدند کامپوزیت با اهداف کلانی که ما در صنایع خودرو به دنبال آن هستیم، یعنی پیشرفت و رسیدن به سطح قابل رقابت با شرکتهای خودروسازی خارجی، سنخیتی ندارد و نیاز واقعی صنعت خودرو ما در حال حاضر کامپوزیت نیست. آینده کامپوزیت در خودروسازی ایران معلوم نیست حتی ممکن است ظرف ۵ سال آینده استفاده از کامپوزیتها محدودتر از این هم شود؛ به عنوان مثال اوایل داشبوردها SMC بودند اما در حال حاضر از ABS ساخته می‌شوند. قطعه تقویتی سپر خودرو سمند نیز درحال حاضر GMT است در حالی که قبلا از ناودانی ساخته می‌شد و ارزانتر بود. تنها مزیت GMT سبک بودن آن است و از نظر طول عمر و دوام در مقایسه با فولاد ضعیفتر است.
توسعه تکنولوژی‌های نوینی نظیر تکنولوژی کامپوزیت در ایران بسیار زمانبر است زیرا راهی است که کشورهای پیشرفته حدود ۲۰ سال پیش شروع کرده‌اند و حال به نتیجه رسیده‌اند. ممکن است ظرف چند سال آینده تکنولوژی برتر و جدیدی جایگزین شود در حالی که ما هنوز در اول راه هستیم و باید این روش را نیز رها کنیم و به دنبال آن تکنولوژی جدید برویم.
در کشورهای بزرگ صنعتی بعد از استفاده بهینه و بهره‌برداری از دستگاه آنها را از رده خارج می‌کنند و وقت و هزینه صرف تعمیر و نگهداری آن نمی‌کنند بلکه آنرا به کشورهایی نظیر کشور ما می‌فروشند.
یکی دیگر از مشکلات عمده صنعت کامپوزیت تهیه مواد اولیه است که باید عمدتاً از خارج کشور وارد شوند و تولیدکنندگان داخلی قادر به تولید آن نیستند.با اینکه تا چند سال قبل استفاده از کامپوزیتهای SMC وGMT در کاربردهای اتاقک موتور(Under-the-hood) از مقبولیت خاصی برخوردار بودند، امروزه بدلیل حجم سرمایه‌گذاری بالا، بالا بودن دورریز مواد و غیره جایگاه خود را بشدت از دست داده‌اند و تکنولوژی‌های رقیب مانند آمیزه‌کاری مستقیم(Direct-compounding) جای آنها را گرفته‌اند. امروزه به ندرت می‌توان در توسعه خودروهای جدید، قطعات کامپوزیتی به مفهوم متداول آن را یافت و سمت و سوی صنعت خودرو در زمینه استفاده از کامپوزیتها به موارد خاص سوق پیدا کرده است. تکنولوژی برتر دنیا در زمینه کامپوزیت، تکنولوژی ترکیبی (Hybrid Technology) است، در این تکنولوژی یک تقویت کننده (Insert) فلزی را در داخل قالب قرار می‌دهند و پلیمر مذاب را روی آن تزریق می‌کنند. قیمت ارزانتر، کاهش وزن و عدم نیاز به جاسازی محل مونتاژ قطعات از مزایای این روش است.
اما مشکل اصلی گرانی تکنولوژی‌های جدید می‌باشد که انتقال آنها را مشکل می‌کند؛ از سوی دیگر این تکنولوژی تنها در کشورهایی تولید می‌شود که دارای پیشینه زیادی در این زمینه می‌باشند و صحبت کردن از تولید این تکنولوژی در ایران به این زودی‌ها امکان پذیر نیست.ما تنها از دستاوردهای کشورهای دیگر استفاده می‌کنیم و تولید تکنولوژی نداریم و یا اگر داریم بسیار محدود است. شاخص‌های مورد نیاز برای رشد و توسعه تکنولوژی را جایی تعیین می‌کنند که پایه‌های تکنولوژی در آنجا رشد کرده و محکم شده است. در کشور ما که در آغاز راه است، تعیین شاخصها بر عهده دانشگاه است؛ و بنابراین همکاری تنگاتنگ دانشگاه و صنعت در این زمینه لازم و ضروری است.
دکتر شریعت­پناهی، عضو هیات علمی دانشگاه تهران، در گفتگو با دفتر مطالعات توسعه تکنولوژی دانشگاه صنعتی امیرکبیر، به مزایا و معایب قطعات کامپوزیتی خودرو اشاره کرده و به تشریح موانع گسترش این تکنولوژی در صنعت خودروی ایران پرداخته است:
دكتر شریعت‌پناهی عمده‌ترین دلیل عدم اشتیاق خودروسازان داخلی به استفاده از تکنولوژی‌های نو را ماهیت غیررقابتی بازار و دولتی یا نیمه‌دولتی بودن این صنعت دانست و یادآور شد که صنایع معمولاً به یکی از دلایل سه‌گانه زیر در زمینه تکنولوژی‌های نو سرمایه‌گذاری می‌کنند:
۱. تقاضای بازار: بدین معنی که تولیدکننده برای حفظ سهم خود از بازار ناگزیر است به خواستها و سلیقه‌های مشتری تن در دهد و برای این کار نیازمند استفاده از فناوری‌های جدید برای ایجاد و یا ارتقای ویژگی‌های مورد نظر مشتری است.
۲- مقررات دولتی: که صدور مجوز ورود محصول به بازار را منوط به رعایت استانداردهای خاصی نظیر استانداردهای زیست محیطی و یا ایمنی می‌نماید.
۳- نیاز به کسب و یا حفظ برتری تکنولوژیک: به ویژه در عرصه‌های استراتژیک (نظیر صنعت نفت) و یا عرصه‌های دفاعی.عامل تقاضای بازار در كشور ما خودروسازان را به سمت تكنولوژی‌های نوین سوق نمی‌دهد. متاسفانه به‌دلیل شرایط اقتصادی جامعه، بخش اعظم مشتریان خودرو در جامعه ما که برای امرار معاش و یا برای تامین استانداردهای اولیه زندگی به خودرو نیاز دارند، قادر به پرداخت بهای اضافی برای برخورداری از تکنولوژی بالاتر نیستند و ترجیح می‌دهند خودرویی با ویژگیها و امکانات ابتدایی‌تر ولی با قیمت و هزینه‌های نگهداری کمتر خریداری کنند.
از سوی دیگر تفهیم این واقعیت که پرداخت بهای بیشتر برای محصولی که از تکنولوژی جدیدتری (نظیر کامپوزیت‌ها) بهره می‌برد، در درازمدت و از طریق صرفه‌جویی در مصرف سوخت به نفع مشتری خواهد بود، نیازمند فعالیت فرهنگی گسترده‌ای می‌باشد. ولی حتی در صورت تفهیم نکته فوق، باز هم تنگناهای مالی، مشتری را وادار خواهد داشت که به هزینه سوخت مصرفی به چشم بازپرداخت یک وام کم‌بهره و طویل‌المدت بنگرند و باز هم رغبتی به خرید خودروی با تکنولوژی بالاتر ولی گرانتر نشان ندهند، به این ترتیب روشن می‌شود که چرا در کشور ما تقاضای بازار عامل محرکی برای خودروسازان در استقبال از تکنولوژی کامپوزیت نیست.
مقررات التزام‌آور دولتی و زیست محیطی خوب است ولی شركت‌ها باید در انتخاب تكنولوژی آزاد باشند.
دکتر شریعت‌پناهی در مورد عامل دوم یعنی مقررات دولتی، به تجربه نسبتاً موفق اجباری شدن رعایت مقررات زیست محیطی در زمینه میزان مجاز آلاینده‌های خودرو اشاره کرد و اظهار داشت که جدی‌بودن دولت در اعمال این مقررات، خودروسازان را واداشته است تا به سراغ تکنولوژی‌های مختلف کاهش آلاینده‌ها بروند و اگر نظیر همین مقررات در زمینه‌های دیگری نظیر مصرف سوخت خودروها و یا قابلیت بازیافت آنها نیز وضع و اعمال شود، خودروسازان خودبخود به سراغ تکنولوژی‌هایی که آنان را در دستیابی به استانداردهای اجباری شده یاری دهد، خواهند رفت.نکته مهم در این میان آن است که دولت و موسسات سیاستگذار وابسته به آن نباید به دنبال یافتن و اجباری کردن راه‌حلهای کارشناسی باشند، بلکه وظیفه آنها باید به وضع و نظارت بر اجرای قوانین بازی محدود گردد. این که هر خودروساز چگونه و با استفاده از کدام تکنولوژی موفق به گذراندن مقررات می‌شود، مساله‌ای است که شرکت‌ها باید درباره آن تصمیم بگیرند و همین آزادی عمل است که زمینه خلاقیت و دستیابی به فناوریهای مختلف را فراهم می‌سازد.
بررسی عامل حفظ برتری تكنولوژیك
در زمینه عامل سوم نیز دکتر شریعت‌پناهی یادآور شد که با توجه به فاصله چشمگیر صنایع کشور با صنایع کشورهای پیشرفته، تعیین برتری تکنولوژیک در زمینه صنعت خودرو به عنوان عامل محرک خودروسازان برای روآوردن به تکنولوژیهای نو، ایده واقع‌بینانه‌ای نیست و در عمل هم کارساز نخواهد بود.
با توجه به مباحث فوق می‌توان چنین جمع‌بندی کرد که وضع مقررات اجباری از سوی دولت به‌گونه‌ای که به صورت غیرمستقیم صنایع را به استفاده از تکنولوژیهای نو تشویق نماید و نیز آموزشها و تبلیغات همگانی در خصوص ضرورت حفاظت از محیط زیست و کاستن از میزان مصرف منابع طبیعی ولو به قیمت پرداخت هزینه‌های بیشتر برای محصولات، می‌توانند دو راهکار موثر در جهت ایجاد انگیزه برای حرکت صنایع به سوی استفاده از فناوری‌های نو باشند.
ذكر دو مورد از پیشرفتهای انجام شده در شركتهای بزرگ خارجی خالی از لطف نیست:
جعبه دنده‌ای فوق‌العاده با فیبر كربنی برای خودروهای مسابقات فرمول ۱
مسابقات فرمول ۱ از تكنولوژی و بودجه بالایی بهره می‌برند، بودجه‌ای حدود ۳۰۰ تا ۴۰۰ میلیون دلار در سال و تیمهایی متشكل از صدها متخصص كه مشغول تست و پیچیده كردن خودروها هستند! رمز موفقیت تیمها در دو چیز است: نبوغ و خلاقیت.
یكی از نوآوریهای اخیر، جعبه دنده كامپوزیتی است كه توسط تیم طراحی فرمول ۱ هوندا انجام شده و جوایز مختلفی را برای تیم به همراه داشته است.
به گفته Gray Savage مدیر فنی تیم، دارای مدرك دكترای مكانیك و ۱۶ سال سابقه در طراحی خودروهای فرمول ۱، آنها جعبه دنده كامپوزیتی را "نگینی بر تاج" تیم می‌دانند. جعبه دنده تقریباً ظاهری هرمی شكل داشته، ابعاد آن ۳۰*۲۲*۴۶ سانتی‌متر بوده و دنده‌‌های فولادی را كه وظیفه انتقال قدرت دورانی به چرخهای عقب را دارند، در خود جای داده است. این جعبه دنده از ورقهای یكپارچه و غیر متمركزی كه ضخامت آنها ۳ تا ۴ میلی‌متر تغییر می‌كند، تشكیل شده و دارای دو تیغه داخلی است كه تكیه‌گاه دنده‌ها و میله‌ها هستند. اتصالات تیتانیمی خارجی كه بطور شیمیایی پیوند داده شده و پیوند قوی را ایجاد كرده‌اند، این امكان را فراهم می‌آورد تا جعبه دنده به اجزاء موتور و سیستم تعلیق و اكسل عقب جفت شوند. به دلیل بار زیادی كه به خودرو اعمال می‌شود و همینطور تنوع قطعات متصل به جعبه، جعبه دنده یك جزء اساسی در طراحی شاسی خودرو به حساب می‌آید. ایده طراحی كامپوزیت به دلیل عملكرد بی‌رمق و نامطلوب نوع آلومینیومی (البته بعضی گروه‌ها از تیتانیم و منیزیوم نیز استفاده می‌كنند) مطرح شد. بخاطر مسائل اینرسی كمی و وزن كه برای مسابقاتی در این سطح بسیار ضروری و حائز اهمیت است، برای جعبه دنده قطعات ریختگی آلومینیوم باید بسیار نازك تولید می‌شدند و در نتیجه تركهای خستگی ناشی از تنشهای پیچشی و ارتعاشی، در آنها خیلی سریع رشد می‌كرد. فلز قبلی از استحكام چقرمگی و خستگی لازم كافی برخوردار نبود.
اما جعبه دنده كامپوزیتی نه تنها تنشهای حاصل از انتقال توانی معادل ۹۰۰ اسب بخار را تحمل می‌كند بلكه استحكام كافی برای مقاومت در برابر بار ترمز، شتاب گرفتن و پیچ‌‌های شدید را كه توسط چرخها، اكسلها و سیستم تعلیق وارد می‌شود، دارد. علاوه بر آن جعبه دنده فوق، ضربه‌ای با سرعت ۱۴ m/s با نیروی ۷۰۰ lb Weight را باید تحمل كند و از تست لهیدگی FIA سربلند بیرون بیاید. دمای كاری آن نیز تا بیش از ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد،‌ زیرا حرارت ناشی از اصطكاك می‌تواند دمای دنده را افزایش دهد. به دلیل مواد و اطلاعات ساختاری محدود و فشار فوق‌العاده حین مسابقه، آنالیزهای عددی و تئوری صرف كافی نبود. نكته‌ قابل توجه در پروسه طراحی آن است كه، آنالیز تنش به روش اجزاء محدود و دانش قبلی و تجربه، با تستهای آزمایشگاهی تركیب شده است.
●کاربرد کامپوزیت‌های قابل بازیافت در خودروهای هایپرکار
در قرن جدید محیط زیست یکی از مهمترین مباحثی است که کشورهای پیشرفته همگام با پیشرفت و توسعه به آن می‌پردازند. اجلاس جهانی اخیر نیز که با محوریت زمین و محیط زیست در آفریقای جنوبی با حضور سران کشورهای جهان برگزار شد، بر اهمیت موضوع صحه می‌گذارد.
در راستای حفظ محیط زیست قوانین و مقررات جدیدی مطرح و تصویب می شوند که به یک مورد از آنها که توسط اتحادیه اروپا مقرر شده است اشاره می‌شود:
تولید کنندگان خودرو و مواد و دستگاه‌ها موظفند که :
۱- اتومبیل‌هایی را طراحی و تولید نمایند که قابل بازیافت و دارای مواد برگشت پذیر باشند.
۲- مواد بازیافت شده را مجدداً در تولیدات خود استفاده نمایند.هدف این دستورالعمل آن است که تا سال ۲۰۰۶ نرخ برگشت‌پذیری اتومبیل‌ها به ۸۵ درصد و تا سال ۲۰۱۵ به ۹۵ درصد برسد.با توجه به موارد فوق و بحث کاهش وزن خودرو (جهت کاهش مصرف سوخت)، استفاده از کامپوزیت‌ها در خودروها منوط به قابلیت بازیافت آنها می‌گردد. حال با توجه به جهانی شدن بازارها، بهتر است که شرکت‌ها و صنایع تولیدکننده قطعات خودرو در کشور ما نیز متوجه استانداردها و قوانین بین‌المللی باشند تا بتوانند در فرآیند جهانی حفظ محیط زیست و همچنین ورود به بازارهای بزرگتر موفق باشند.
از زمان تولید خودروهای نسل جدید، طراحان خودروی شرکت هایپرکار فرصت آن را داشته‌اند که خودرویی تولید کنند که تمامی اجزاء آن قابل بازیافت باشد. آنها توانسته‌اند خودروی هایپرکار را از موادی قابل بازیافت وکاملاً تفكیك‌پذیر بسازند. هر چقدر تفکیک اجزاء مواد مشکل‌تر باشد همان قدر بازیافت یک خودرو مشکل‌تر است.
مواد کامپوزیتی پیشرفته‌ای که برای کاربرد در این وسایل نقلیه پیشنهاد شده‌اند، بسیار متفاوت از نمونه‌های رایج است و در این میان، مسئله اصلی بازیافت مواد می‌باشد و بازیافت آنها تاسیسات و امكانات جدیدی را می‌طلبد.
●وسایل نقلیه هایپرکار دو مزیت عمده نسبت به خودروهای رایج دارند:
مزیت اول: مواد کامپوزیتی به کار برده شده در خودروهای هایپرکار بسیار بادوام هستند، زنگ نمی‌زنند، خوردگی ندارند، خش نمی‌افتند و این به خودرو اجازه می‌دهد که به روز بماند.
مزیت دوم: زمانی که اتومبیل‌های هایپرکار نیاز به بازیافت دارند، از لحاظ تجاری، امکان استفاده از فرآیندهای جدیدی نظیر پیرولیز و سولوولایز (Solvolysis) کاتالیزوری در شرایط کم دما وجود دارد. فرآیند پیرولیز کم‌دما، امکان فنی بازیافت کامپوزیت‌های پیشرفته را می‌دهد. یافتن بازار مناسب برای مواد بازیافت شده، خود بحث دیگری است.در حالی که پیش‌بینی آینده این بازارها مشکل است ولی روند کنونی، آینده خوبی را برای این بازارها پیش‌بینی می‌كند.

منابع:
www.rmi.org
www.techds.org
www.compositesworld.com

منبع : مجله گسترش صنعت