Сегодня экономия энергии является одним из главных приоритетов автопроизводителей. Лазерная сварка может помочь. Лазеры могут использоваться для обработки тонких легких компонентов из волокнистых композитных материалов, а также для производства более эффективных двигателей и более мощных аккумуляторов. 23-26 мая на выставке Laser 2011 ученые Fraunhofer представят новые производственные технологии.
Эпоха пожирателей газа, которые гремят по улицам и загрязняют воздух, закончилась. Сегодня автомобили, сходящие с конвейера , чище, тише и - с точки зрения рабочего веса - более эффективны, чем когда-либо прежде. Тем не менее, разработка продолжается. Все более строгие экологические нормы и постоянно растущие расходы на топливо увеличивают спрос на автомобили, которые еще больше снижают их воздействие на окружающую среду. Но производители часто не могут удовлетворить требования клиентов: кузова автомобилей должны быть безопасными, но легкими, а двигатели - прочными, но эффективными. Год за годом должны разрабатываться и строиться новые модели, которые могут претендовать на звание лучших, более эффективных и интеллектуальных, чем предыдущие.
Гонка со временем и конкурентами предъявляет высокие требования к производителям и их поставщикам. Лазеры могут помочь им выиграть гонку. Устойчивый к износу и универсальный, лазерный свет является идеальным инструментом при производстве транспортных средств. Лазеры можно использовать для соединения, сверления, структурирования, резки или придания формы любому материалу. Можно спроектировать поверхности для двигателей и трансмиссий, которые создают меньшее трение и расходуют меньше топлива. Лазеры - это не только решающий ключ к более быстрому, эффективному и экономичному производству, но и к энергосберегающим автомобилям. На выставке Laser 2011 ученые Fraunhofer продемонстрируют, как мы можем использовать лазеры для экономии времени, денег и энергии.
Программа похудания в автомобилестроении
Лишние килограммы стоят энергии. Их необходимо ускорять и замедлять каждый раз, когда вы едете - в течение всего срока службы автомобиля. Для снижения веса производители все чаще обращаются к использованию армированных волокном пластиков, которые на 30–50 процентов легче металла. Однако недостатком является то, что эти новые материалы трудно обрабатывать. Пластмассы, армированные волокном, хрупкие, что означает, что режущие и сверлильные инструменты быстро изнашиваются, а традиционные методы сборки, используемые для металлических компонентов, часто не подходят. «Лазеры представляют здесь идеальную альтернативу», - объясняет д-р Арнольд Гиллнер из Института лазерных технологий им. Фраунгофера.ILT в Аахене. «Лазеры могут резать армированные волокном пластмассы без износа и могут также соединять их. С помощью соответствующих лазеров мы можем резать и удалять компоненты с минимальными тепловыми побочными эффектами. Лазеры также могут использоваться для сварки легких компонентов - жизнеспособная альтернатива традиционная технология склеивания. Мы даже можем соединять армированный волокном пластик с металлом с помощью лазерной сварки. Лазер делает поверхность металла шероховатой, в то время как пластик, кратковременно нагретый, проникает в поры металла и затвердевает. Результаты очень стабильны ».
Снижение веса также может быть достигнуто с помощью высокопрочных металлических материалов. Однако их трудно обработать. «Соединение комбинаций различных материалов позволяет нам оптимально использовать конкретные свойства отдельных материалов. Но во многих случаях это оказывается трудным», - объясняет д-р Аня Течел, заместитель директора Института материалов и балочных технологий им. Фраунгофера IWS в г. Дрезден. Ее команда верит в лазеры: «Благодаря нашим недавно разработанным интегрированным лазерным инструментам мы теперь можем даже сваривать комбинации материалов без трещин или трещин». На выставке Laser 2011 ученые Fraunhofer впервые представят новую сварочную головку, способную не только фокусироваться с исключительной точностью, но и перемещаться вперед и назад по шву с высокой частотой для перемешивания расплавленных материалов. Когда они затвердеют,
Лазер заменяет химию
Лазеры также экономят время и деньги при разработке инструментов. Формы, используемые, например, для производства пластмассовых приспособлений и рулевых колес, должны быть структурированы, чтобы придать готовому компоненту визуально и тактильно привлекательную поверхность. Большинство производителей автомобилей заказывают у своих поставщиков дизайн, поверхность которого обычно имеет вид кожи. До сих пор отрицательный узор, используемый для создания дизайна, вытравливался из стальных инструментов, используемых при литье под давлением - утомительный и трудоемкий процесс. «С помощью лазеров на стальной поверхности можно не только быстрее формировать узор, но и расширять возможности для разнообразия», - объясняет Кристиан Арнц из Института производственных технологий им. Фраунгофера IPT. «Мы можем перенести любой возможный дизайн прямо из CAD-модели на поверхность инструмента: То, что позже станет канавкой в пластике, сохраняется как гребень, а окружающий материал испаряется. Этот процесс эффективен, полностью автоматизирован и очень разнообразен ».
Экономия энергии с двигателями с низким коэффициентом трения
Лазерные технологии также востребованы при оптимизации двигателей. Инженеры стремятся максимально снизить трение, чтобы повысить эффективность. «Это верно не только для разрабатываемых в настоящее время электродвигателей, но и для классических двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей, а также трансмиссий и подшипников», - говорит Арнольд Гиллнер из ILT. Особенно желательны керамические покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками, поскольку они не только устойчивы к износу, но и имеют гладкую поверхность, что снижает трение. Металлические компоненты с покрытием до сих пор были чрезмерно дорогими, поскольку их производили в плазменных камерах, в которых керамика испарялась и наносилась на поверхность компонентов. Ученые Фраунгофера теперь разработали менее дорогой и быстрый метод, при котором детали покрываются керамическими наночастицами, затем обработали лазером. Этот процесс отделки уже применялся для зубчатых колес и подшипников.
Лазеры можно использовать даже для внесения определенных изменений в свойства деталей двигателя. «На трение между стенкой цилиндра и поршнем приходится значительная часть энергопотребления двигателя. Вот почему мы стараемся свести его к минимуму. Это особенно важно для двигателей с современными автоматическими функциями старт-стоп, которые требуют частого зажигания, "говорит Гиллнер. «Чтобы защитить их, мы должны обеспечить, чтобы цилиндр всегда был покрыт масляной пленкой. Лазерная технология может помочь уменьшить трение с помощью специальных процессов структурирования, которые улучшают адгезию масла». Таким образом, исследователи Fraunhofer стремятся увеличить срок службы двигателя и снизить потребление энергии.
Программа для электромобилей
Лазеры могут даже повысить эффективность и срок службы электрических батарей. Это хорошая новость для производителей и владельцев электромобилей, поскольку батареи по-прежнему очень дороги. Инженеры и ученые Fraunhofer в настоящее время работают над различными решениями, которые сделают батареи более долговечными и менее дорогими. Один из подходов - увеличить площадь поверхности электродов с помощью соответствующего покрытия, чтобы повысить их эффективность. Другой подход предполагает анализ и оптимизацию производственных процессов. Производители производят батареи с одним анодом и одним катодом, которые затем подключают. В теории это звучит довольно просто, но на практике сплавление медных анодов с алюминиевыми катодами создает хрупкие соединения, которые легко ломаются. Это представляет проблему для автомобилей, которые иногда ездят по булыжным или грунтовым дорогам. С помощью лазеров исследователям из ILT удалось сформировать прочные соединения между электродами, не создавая при этом хрупких сплавов. Исследователи из IWS в Дрездене разработали альтернативное решение, в котором лазер нагревает поверхности, а ролики прижимают их друг к другу. «Используя покрытие валков с помощью лазеров и индукционный предварительный нагрев, мы смогли создать очень стабильные соединения с высокой электропроводностью при минимальных потерях мощности», - сообщает Аня Течел. «Готовые батареи очень эффективны. А поскольку в тепло преобразуется лишь небольшое количество электроэнергии, эти батареи не требуют такого сильного охлаждения».
