Πτυχιακή Εργασία ΘΕΜΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΡΝΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Ι.Χ. ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ

Transcript

1 Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Καβάλας Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Τομέας Ενέργειας και Περιβάλλοντος Πτυχιακή Εργασία ΘΕΜΑ ΥΛΙΚΑ ΚΑΙ ΜΟΝΤΕΡΝΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΛΑΙΣΙΩΝ Ι.Χ. ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ Σπουδαστές: 1) ΤΣIΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ ΑΕΜ ) ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ ΑΕΜ 4931 Επιβλέπων: Ιωάννης Θ. Αραμπατζής ΚΑΒΑΛΑ IANOYAΡΙΟΣ 2013

2 Π ρ ό λ ο γ ο ς Η παρούσα Πτυχιακή Εργασία πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Τμήματος Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας, υπό την επίβλεψη και καθοδήγηση του Καθηγητή μας κ. Ιωάννη Αραμπατζή, τον οποίο και ευχαριστούμε για τις πολύτιμες συμβουλές και υποδείξεις του. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη των νέων υλικών και των μεθόδων κατασκευής των πλαισίων των Ι.Χ. επιβατικών αυτοκινήτων και να εξεταστεί εάν τα νέα υλικά που αντικαθιστούν τα παλαιά προσφέρουν καλές ιδιότητες και την απαιτούμενη αντοχή στα μέρη του αυτοκινήτου που χρησιμοποιούνται. Με την ευκαιρία αυτή θέλουμε, επίσης, να ευχαριστήσουμε όλους εκείνους που επί σειρά ετών βρίσκονται πλάι μας, για την ανεξάντλητη υπομονή τους και την αμέριστη συμπαράσταση στο έργο μας. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα ii

3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΕΞΩΦΥΛΛΟ i ΠΡΟΛΟΓΟΣ ii ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ iii ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ vi ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΦΡΟΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ LM FOAMS: ΑΦΡΟΙ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΤΗΓΜΑΤΩΝ ΡΜ FOAMS: ΑΦΡΟΙ ΑΠΟ ΜΕΤΑΛΛΙΚΕΣ ΠΟΥΔΡΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΦΡΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΑΝΤΟΧΗ ΤΩΝ ΔΟΜΏΝ ΣΑΝΤΟΥΙΤΣ - ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΦΡΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΝΑΥΣΙΠΛΟΪΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ 25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ 2.1. ΑΣΦΑΛΙΣΤΙΚΑ ΜΕΤΡΑ H ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΕΙΔΩΝ ΔΟΚΙΜΕΣ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ OΙ ΑΕΡΟΣΑΚΟΙ ΣΥΜΠΛΗΡΩΝΟΥΝ ΤΙΣ ΖΩΝΕΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΠΙΣΤΕΥΕΤΕ ΟΤΙ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΑΥΞΗΘΕΙ Η ΤΑΧΗΤΥΤΑ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ ΤΩΝ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ΣΤΑ ΚΡΑΣ-ΤΕΣΤ, ΟΠΩΣ ΓΙΑ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΓΙΝΕΤΑI ΣΤΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΤΟΥ EURO NCAP*; ΣΤΙΣ ΔΟΚΙΜΕΣ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ ΤΟΥ EURO NCAP ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΣΥΧΝΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΣΕ ΟΤΙ ΑΦΟΡΑ ΣΤΗΝ ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ, ΔΗΛΑΔΗ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΤΩΝ ΠΕΖΩΝ ΕΞΟΜΟΙΩΝΕΤΕ ΣΤΙΣ ΔΟΚΙΜΕΣ ΠΡΟΣΚΡΟΥΣΗΣ ΤΗ ΒΥΘΙΣΗ ΤΟY ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα iii

4 ΑΜΑΞΩΜΑΤΟΣ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΕΙ ΑΠΟ ΤΗΝ ΕΝΤΟΝΗ ΕΠΙΒΡΑΔΥΝΣΗ ΤΟΥ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟΥ; ΕΙΝΑΙ ΠΙΟ ΕΥΚΟΛΗ Η ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΤΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΣΕ 28 ΕΝΑ ΧΩΡΟΔΙΚΤΥΩΜΑ; ΠΟΙΕΣ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΤΑΣΕΙΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΤΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΗΣ 28 ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ; ΠΡΟΣ ΤΟ ΠΑΡΟΝ ΒΛΕΠΟΥΜΕ ΜΟΝΟΝ ΕΝΑ KΑΠΟΙΟΣ ΣΥΝΑΔΕΛΦΟΣ ΣΑΣ ΕΙΧΕ ΑΜΦΙΣΒΗΤΗΣΕΙ ΑΚΟΜΗ ΚΑΙ 28 ΤΗΝ ΑΝΑΓΚΗ ΥΠΑΡΞΗΣ ΤΟΥ ΑΕΡΟΣΑΚΟΥ ΣΥΝΟΔΗΓΟΥ TΙ ΘΑ ΣΥΜΒΟΥΛΕΥΑΤΕ ΤΟΥΣ ΟΔΗΓΟΥΣ ΠΟΥ ΘΕΛΟΥΝ 28 ΝΑ ΚΙΝΗΘΟΥΝ ΜΕ ΑΣΦΑΛΕΙΑ; 2.5. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΚΑΙ ΟΙ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ 31 ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ 2.7 ΑΛΟΥΜΙΝIΟ ΕΝΑΝΤΙΟΝ ΧΑΛΥΒΑ ΑΟΥΝΤΙ Α8 ΑΠΟΔΕΙΞΗ ΟΤΙ Η ΜΑΖΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ 33 ΕΙΝΑΙ ΔΥΝΑΤΗ ΑΟΥΝΤΙ Α2 ΑΛΟΥΜΙΝΕΝΙΟ ΑΜΑΞΩΜΑ ΠΡΟΣΙΤΟ ΣΕ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟΥΣ ΚΑΛΑ, ΠΩΣ ΕΙΝΑΙ ΔΥΝΑΤΟΝ ΝΑ ΑΝΤΕΧΕΙ ΟΣΟ ΚΑΙ ΤΟ ΑΤΣΑΛΙ; ΛΕΖΑΝΤΕΣ KINHTHPAΣ ANAPTHΣH ΠΛAIΣIO POMΠOT ΓPAMMH ΠAPAΓΩΓHΣ 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΑΦΡΩΔΗ ΜΕΤΑΛΛΑ-ΝΕΑ ΑΦΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ 3.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΦΡΟΙ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΣΕ ΥΓΡΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΜΕΤΑΛΛΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΣΕ ΥΓΡΟΠΟΙΗΜΕΝΑ ΜΕΤΑΛΛΑ 38 ΜΕ ΔΙΟΧΕΤΕΥΣΗ ΑΕΡΙΟΥ (CYMAT / METCOMB) ΕΥΤΗΚΤΙΚΗ ΣΤΕΡΕΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΟΥ ΑΕΡΙΟΥ 40 (GASAR/LOTUS). 3.4 ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΜΕΣΩ 40 ΠΡΟΣΧΗΜΑΤΙΣΜΕΝΩΝ ΑΦΡΙΖΟΝΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΝΤΩΝ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΑΠΟ ΤΗΓΜΑ ΜΙΓΜΑΤΟΣ 40 ΚΟΝΕΩΝ (FOAMINAL/ALULIGHT) ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΜΕ ΤΗΞΗ 2 ΣΤΑΔΙΩΝ ΜΙΓΜΑΤΟΣ 41 ΚΟΝΕΩΝ (THIXOFOAM) ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΣΕ ΤΗΓΜΑ ΜΕΤΑΛΛΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΡΙΝΙΣΜΑ 41 ΤΩΝ ΥΔΡΙΔΙΩΝ (FORMGRIP/FORMCARP) ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΑΦΡΟΥ ΜΕΣΩ ΤΩΝ ΠΑΡΑΓΟΜΕΝΩΝ ΑΕΡΙΩΝ ΚΑΤΑ 42 ΤΗ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΑΦΡΩΝ 42 ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα iv

5 3.6 ΑΦΡΩΔΕΙΣ ΖΩΝΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΑΦΡΩΔΕΙΣ ΖΩΝΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ...ΛΙΓΑ ΛΟΓΙΑ ΠΑΡΑΠΑΝΩ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΟΣ ΠΙΝΑΚΑΣ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΑΦΡΩΔΗ ΑΜΑΞΩΜΑΤΑ ΑΦΡΩΔΗ ΨΥΓΕΙΑ ΚΑΙ INTERCOOLER ΒΛΗΜΑΤΑ VS ΑΦΡΟΙ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΑΥΞΗΤΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ ΑΦΡΩΔΗ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΑΦΡΟΙ ΆΝΘΡΑΚΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΑΠΟ ΑΦΡΟ! ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ- ΛΥΣΗ ΣΤΟ 53 ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ 3.14 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ _ ΕΠΙΛΟΓΟΣ 55 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΖΗΜΙΕΣ ΑΥΤΟΦΕΡΟΜΕΝΗΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ 4.1. ΔΙΑΤΟΜΕΣ ΚΥΡΙΩΝ ΜΕΡΩΝ ΑΥΤΟΦΕΡΟΜΕΝΩΝ ΑΜΑΞΩΜΑΤΩΝ ΣΚΑΡΙΦΗΜΑΤΙΚΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΙΑΤΟΜΕΣ ΚΥΡΙΩΝ ΜΕΡΩΝ ΦΕΡΟΥΣΑΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΛΕΠΤΟΜΕΡΕΙΕΣ ΛΥΟΜΕΝΩΝ ΣΥΝΔΕΣΕΩΝ ΖΗΜΙΕΣ ΠΛΑΙΣΙΟΥ ΑΜΑΞΩΜΑΤΟΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗ ΖΗΜΙΩΝ ΣΕ ΣΚΑΡΙΦΗΜΑ ΑΠΟΤΥΠΩΣΕΙΣ ΖΗMΙΩΝ MΕΤΑ ΑΠΟ MΕΤΡΗΣΕΙΣ 65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΜΑΣ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΤΕΛΕΙΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΩΣ Η ΕΞΥΠΝΑΔΑ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΔΑΜΑΣΕΙ ΤΗΝ ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΗ ΔΥ- ΝΑΜΗ Η ΕΜΠΕΙΡΙΑ ΜΑΣ ΣΑΣ ΠΡΟΣΤΑΤΕΥΕΙ ΤΑ ΘΥΜΑΤΑ ΤΩΝ ΤΡΟΧΑΙΩΝ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ MERCEDES BENZ ΤΟ FIA INSTITUTE ΕΞΕΛΙΞΕ ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΥΞΗΜΕΝΗΣ 71 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΕΠΙΒΑΤΩΝ ΣΕ ΠΛΑΓΙΕΣ ΣΥΓΚΡΟΥΣΕΙΣ 5.5. ΑΥΤΟΦΕΡΟΜΕΝΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΚΑΙ ΖΩΝΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΠΕΖΩΝ ΚΑΙ ΠΡΩΤΟΠΟΡΙΑ 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ AUDI SPACE FRAME (ASF) ΑΦΡΩΔΕΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΑΝΑΛΩΣΙΜΩΝ 77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΥΠΑΡΧΕΙ ΚΑΙ Η ΕΛΛΑΔΑ ΠΟΥ ΔΗΜΙΟΥΡΓΕΙ 86 ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα v

6 Πίνακας Σχημάτων Σχήμα 1. Μέθοδος παραγωγής alcanlnorsk hydro 10 Σχήμα 2. Τεχνολογία παραγωγής alporas 10 Σχήμα 3. Διαστολή με ένα αέριο που εκλύεται 12 Σχήμα 4. Παραγωγή αφρού αλουμινίου με την τεχνολογία mepura 13 Σχήμα 5. Παραγωγή αφρού αλουμινίου με πολύπλοκο σχήμα 14 Σχήμα 6. Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης 16 Σχήμα 7. Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης με κλειστά κελιά 17 Σχήμα 8. Τύποι σωλήνων 17 Σχήμα 9. Μέτρο ελαστικότητας 18 Σχήμα 10: Συγκόλληση με Laser 21 Σχήμα 11: Διατομή AFS 23 Σχήμα 12 Πρωτότυπο σώμα αυτοκινήτου από αφρό αλουμινίου 23 Σχήμα 13. Ηχοαπορροφητικά υλικά σε γέφυρες 25 Σχήμα 14. Υγροποιημένα μέταλλα (Cymat / Metcomb). 38 Σχήμα 15. Παραγωγή αφρών Alporas 39 Σχήμα 16. Αφροί τύπου ALPORAS με κλειστές κυψέλες 40 Σχήμα 17. Δύναμη Συμπίεσης Ποσοστό Συμπίεσης Απόδοση 44 Σχήμα 18. Εσωτερική ενίσχυση με μεταλλικό αφρό 46 Σχήμα 19. μέγιστη υποχώρηση της κολόνας 47 Σχήμα 20. Αφρώδεις εναλλάκτες 48 Σχήμα 21. Συμβατικός εναλλάκτης 49 Σχήμα 22. Αυξητικοί αφροί 51 Σχήμα 23. Εμποτισμός αφρού με ένα μίγμα ρητινών 53 Σχήμα 24. Μεταλλικοί αφροί 55 Σχήμα 25. Ζηµιές αυτοφερόµενου αµαξώµατος 56 Σχήμα 26. ιατοµές κύριων µερών αυτοφερόµενου αµαξώµατος 57 Σχήμα 27. Σύνθλιψη αυτοφερόµενου αµαξώµατος 58 Σχήμα 28. Κάµψη αυτοφερόµενου αµαξώµατος 58 Σχήμα.29 Παραµόρφωση αµαξώµατος από πλαγιοµετωπική σύγκρουση 59 Σχήμα 30. Παραµόρφωση µετά από περιστροφή 59 Σχήμα 31. Μορφές ανεξαρτήτων πλαισίων αµαξωµάτων 61 Σχήμα 32. Μορφές διατοµών πλαισίων 62 Σχήμα 33. Σύνδεση πλαισίου και αµαξώµατος 63 Σχήμα 34. Στρεβλώσεις πλαισίου στο οριζόντιο επίπεδο σε σκαρίφηµα 64 Σχήμα 35. Έλεγχος µετατόπισης των µηκίδων ενός πλαισίου 66 Σχήμα 36. Ανάρτηση ελεγκτήρων ευθυγράµµισης πλαισίων 69 Σχήμα 37: Τι μπορεί να κάνει κανείς 75 Σχήμα 38: Πρώτες μορφές του AUDI 77 Σχήμα 39: Η δομή του Αudi Srace Frame 78 Σχήμα 40: Αμάξωμα από αλουμίνιο στο Audi A8 79 Σχήμα 41: Kατασκευαστικές λεπτομέρειες του Αudi Srace Frame 81 Σχήμα 42: Το μηχανικό πλαίσιο του Powler με και χωρίς μηχανικά μέρη 84 Σχήμα 43: Μέσα μέρος του καπό του νέου Αudi A8 85 Σχήμα 44: Το νέο Αudi A8 85 ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα vi

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ενα κινούμενο όχημα είναι γεμάτο ενέργεια. Εάν ξαφνικά συγκρουστεί με κάτι, όλη αυτή η ενέργεια πρέπει να διοχετευθεί κάπου και το καλύτερο μέρος είναι μακριά από τους επιβάτες. Γι αυτό και τα σύγχρονα αυτοκίνητά είναι σχεδιασμένα να απορροφούν την ενέργεια σε όλα τα σωστά σημεία. Αυτό πετυχαίνεται από ειδικές ζώνες παραμόρφωσης στο μπροστινό και πίσω μέρος ώστε να απορροφούν όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια από τη σύγκρουση. Η υπόλοιπη ενέργεια διασκορπάται στο αμάξωμα. Αυτή η δομή απορρόφησης ενέργειας έχει ως αποτέλεσμα την προστασία της καμπίνας των επιβατών. Το βασικότερο πρόβλημα είναι η μεταβαλλόμενη (μη σταθερή) συμπεριφορά των μεταλλικών μερών των οχημάτων κατά την κατάρρευσή τους λόγω της σύγκρουσης. Τα συνήθη δηλαδή μεταλλικά προφίλ έχουν σημαντική αντοχή στη συμπίεση, αλλά από τη στιγμή της έναρξης της κατάρρευσης και έπειτα, απορροφούν πολύ μικρά ποσά ενέργειας. Έτσι λοιπόν τα πολύ ενισχυμένα μεταλλικά προφίλ δεν μπορούν να απορροφήσουν σημαντικά ποσά ενέργειας στις μικρής και μέσης σφοδρότητας συγκρούσεις (όπου ουσιαστικά δεν παραμορφώνονται) ενώ τα πολύ αδύναμα μεταλλικά προφίλ επιτρέπουν την διάλυση της ζώνης παραμόρφωσης του οχήματος όταν η σύγκρουση είναι λίγο περισσότερο σφοδρή από το ιδανικό. Βέβαια δοκιμάζονται συνεχώς νέες λύσεις, πχ πλαστικά υλικά, κυψελωτά υλικά και νέα προφίλ ελεγχόμενης παραμόρφωσης οι οποίες έχουν πολύ βελτιωμένη συμπεριφορά.. Εδώ λοιπόν έρχονται οι αφροί αλουμινίου να δώσουν τη λύση στο πρόβλημα των συγκρούσεων παρουσιάζοντας ταυτόχρονα μηδενικά μειονεκτήματα. Οι μεταλλικοί λοιπόν αφροί έχουν την ιδιότητα να παραμορφώνονται σταθερά απαιτώντας κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης πολύ μεγάλες πιέσεις. Όταν προσπαθήσουμε με μια πρέσα να συμπιέσουμε ένα αφρώδες μεταλλικό τεμάχιο διαπιστώνουμε πως η παραμόρφωση ξεκινά όταν εφαρμοστεί αρκετά μεγάλη δύναμη, κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης και μέχρι να συμπιεστεί το τεμάχιο κατά 60% περίπου, η ασκούμενη δύναμη παραμένει σταθερά υψηλή. Ενώ έπειτα από το 60% της παραμόρφωσης ο αφρός αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν συμπαγές μέταλλο. Την ίδια στιγμή το βάρος τους είναι ελάχιστο, μπορούν να χυτευτούν πολύ εύκολα και με οποιαδήποτε μορφή ενώ ανάλογα με το πορώδες και τη σύσταση του βασικού τους μετάλλου, μεταβάλλεται και η απαιτούμενη πίεση συμπίεσης. Με τη μέθοδο αυτήν, που εξελίσσεται διαρκώς και τα αποτελέσματά της βελτιώνονται συνεχώς μέχρι τις μέρες μας, έγινε δυνατή σημαντική εξοικονόμηση βάρους με ταυτόχρονη αύξηση της ακαμψίας των αυτοφερόμενων πλαισίων. Η αυξημένη ακαμψία συντελεί στην καλύτερη συνεργασία πλαισίου-αναρτήσεων, με αποτέλεσμα και τη βελτίωση της οδικής συμπεριφοράς ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 7

8 ΑΦΡΟΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον για τους μεταλλικούς αφρούς έχει αυξηθεί ι- διαίτερα. Ο κυριότερος λόγος για αυτή την αύξηση είναι κυρίως για εφαρμογές όπου χρειαζόμαστε μειωμένο βάρος υλικών. Γενικά τα τελευταία 40 χρόνια έχουν γίνει πολλές προσπάθειες για να φτιαχτούν δομές μεταλλικών αφρών, οι οποίες όμως δεν βρήκαν εφαρμογή λόγω του υψηλού κόστους. Επίσης ένα άλλο πρόβλημα ήταν το ότι δεν μπορούσαν να παραχθούν δομές με αναπαραγόμενες ιδιότητες. Αυτό μπορεί να οφειλόταν παραδείγματος χάριν στην χαμηλή αφριστικότητα του λειωμένου μετάλλου, στην μεγάλη διασπορά, στο μέγεθος των πόρων ή στην συρρίκνωση κατά την στερεοποίηση. Μετά από εκτεταμένη έρευνα, ανακαλύφθηκαν καινούργιες τεχνολογίες παραγωγής μεταλλικών αφρών οι οποίες έχουν μειώσει στο ελάχιστο ή έχουν εξαλείψει αυτά τα προβλήματα, με αποτέλεσμα την παραγωγή αφρών υψηλής ποιότητας. Οι μεταλλικοί αφροί έχουν χαρακτηριστικές ιδιότητες όπως, χαμηλό βάρος, ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και ήχου, επίσης είναι άφλεκτοι. Υπάρχουν φυσικά πολλές εφαρμογές στις οποίες χρησιμοποιούνται οι μεταλλικοί αφροί, όπως στην αυτοκινητοβιομηχανία στη μηχανολογία, στις οικοδομές, στις οικιακές συσκευές και στην βιομηχανία των χημικών. Προς το παρόν οι αφροί αλουμινίου παράγονται από λίγες εταιρίες ανά τον κόσμο, σε μικρή κλίμακα και για συγκεκριμένες εφαρμογές. 1.2 ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ ΣΤΗΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ Α- ΦΡΩΝ Η παραγωγή μεταλλικών αφρών έγινε για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1940 από τον Benjamin Sosnickι. Η μέθοδος του εκμεταλλευόταν το γεγονός ότι σε κράματα που οι διαφορετικές φάσεις έχουν μεγάλη διαφορά στο σημείο τήξης και βρασμού, οι φάσεις μπορούν να τάκουν και να βράσουν ανεξάρτητα η μια από την άλλη. Η διαδικασία έχει ως εξής: ένα πολυφασικό κράμα θερμαίνεται, με την σύσταση του κράματος να είναι τέτοια ώστε το ένα συστατικό να βράζει ενώ το άλλο μόλις έχει αρχίσει να λιώνει. Το κράμα κατά την διάρκεια της θέρμανσης βρίσκεται μέσα σε ένα αυτόκλειστο( εφαρμογή υψηλής πίεσης), έτσι ώστε το μέταλλο στην αέρια φάση να μην μπορεί να φύγει από το υγρό μέταλλο. Μείωση της πίεσης οδηγεί σε ξαφνικό βρασμό του κράματος, το οποίο στην συνέχεια μπορεί να ψυχθεί και να δώσει ένα στερεό γεμάτο από κλειστούς πόρους. Οι προτεινόμενες χρήσεις αξιοποιούσαν την βελτιωμένη αντοχή σε κρούση του κράματος καθώς και την θερμομόνωση και ηχομόνωση. Προφανώς μόνο λίγα κράματα ήταν κατάλληλα για αυτή τη διαδικασία, αφού μια από τις φάσεις έπρεπε να έχει εξαιρετικά χαμηλό σημείο βρασμού με αποτέλεσμα η σύνθεση του κράματος να περιλαμβάνει στοιχεία όπως ο ψευδάργυρος, το κάδμιο και ο υδράργυρος, στοιχεία σχετικά πτητικά και εκρηκτικά. Η όλη διαδικασία ήταν αρκετά δαπανηρή και έδινε μικρή ποσότητα μη κανονικού αφρού που περιείχε μερικά επικίνδυνα μέταλλα Ίσως για αυτούς τους λόγους αυτή η διαδικασία δεν χρησιμοποιήθηκε ποτέ ευρέως. Στα τέλη της δεκαετίας του 1950 έγινε και η παραγωγή μεταλλικών αφρών με α- ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 8

9 νοιχτούς πόρους. Το 1959 έγινε μια μεγάλη καινοτομία στην παραγωγή των μεταλλικών αφρών από τους ερευνητές της United Aircraft Corporation. Στην καινούργια αυτή μέθοδο αναμιγνύουμε ένα κονιοποιημένο μέταλλο μαζί με ένα υλικό σε σκόνη που χρησιμεύει στην παραγωγή αερίων. Το υλικό που θα παράγει το αέριο πρέπει να το διαλέξουμε προσεκτικά ώστε κοντά στην θερμοκρασία τήξης του μετάλλου να αποσυντίθεται και να παράγει μεγάλη ποσότητα αερίου. Ένα μειονέκτημα της μεθόδου αυτής ήταν ότι παρουσίαζε προβλήματα κατά την διαδικασία της ψύξης του αφρού. Το 1963 οι Hardy και Peisker παρουσίασαν μια καινούργια μέθοδο στην οποία προσθέτανε κατευθείαν τον αφριστικό παράγοντα στο τήγμα του μετάλλου. Αυτή η μέθοδος ήταν πολύ πιο φθηνή από εκείνη που χρησιμοποιούσε κονιοποιημένο μέταλλο. Σε γενικές γραμμές όμως η παραγωγή των μεταλλικών αφρών ήταν ακριβή, μη αξιόπιστη και γινόταν περισσότερο στα εργαστήρια των Πανεπιστημίων για εκπαιδευτικούς σκοπούς. Οι προερχόμενοι από τήξη αφροί επικράτησαν στην εμβρυακή αγορά με διάφορες εταιρίες ανά τον κόσμο να προσφέρουν καινοτόμα προϊόντα. Ακόμα και σήμερα η αγορά των μεταλλικών αφρών είναι περιορισμένη λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής αφρών υψηλής ποιότητας. Σήμερα σχεδόν όλη η ερευνητική δραστηριότητα επικεντρώνεται στους αφρούς αλουμινίου (λόγω της χαμηλής πυκνότητας, της αντίστασης σε διάβρωση και ενός σχετικά χαμηλού σημείου τήξης το οποίο τους δίνει υψηλή κατεργασιμότητα). Παρ' όλα αυτά έχουν κατασκευαστεί και αφροί από σίδερο, νικέλιο και μόλυβδο. Οι αφροί του νικελίου χρησιμοποιούνται σαν χημικά φίλτρα ενώ οι άλλοι έχουν αμφίβολη ποιότητα και απασχολούν τους ερευνητές πιο πολύ ερευνητικά. 1.3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Αν και πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για την παραγωγή των μεταλλικών α- φρών, δεν είναι όλες κατάλληλες για βιομηχανική παραγωγή. Οι τεχνολογίες παραγωγής των μεταλλικών αφρών μπορούν λοιπόν να χωριστούν σε αυτές που ξεκινάνε με το μέταλλο σε υγρή μορφή ή σε σκόνη LM foams: Αφροί μεταλλικών τηγμάτων Οι παρακάτω μέθοδοι έχουν σαν κοινό γνώρισμα το ότι ξεκινάνε με την τήξη του μετάλλου που θέλουμε να αφροποιήσουμε. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 9

10 α) Τεχνολογία παραγωγής Alcan/Norsk Hydro Σχήμα 1. Μέθοδος παραγωγής alcanlnorsk hydro Στο πιο πάνω σχήμα φαίνεται η μέθοδος παραγωγής AlcanlNorsk Hydro, η οποία εισάγει αέρια άμεσα στο υγρό μέταλλο. Στην αρχή προστίθεται στο υγρό Al, SiC ή Al 2 O 3 (10 με 15%) για να αυξήσει το ιξώδες του. Στη συνέχεια ένα αέριο (άζωτο ή αργό) εισάγεται στο τήγμα υπό ανάδευση χρησιμοποιώντας μια περιστρεφόμενη προπέλα. Τέλος το επιπλέον υγρό απομακρύνεται συνεχώς από την επιφάνεια του τήγματος. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν να παραχθούν χελώνες αφρού σημαντικού μεγέθους (π.χ. 0,lx1x10rn). Με αυτή την τεχνολογία το τελικό προϊόν είναι ένα πορώδες φύλλο με πορώδες που κυμαίνεται από 80% έως 97%. β) Τεχνολογία παραγωγής Alporas Σχήμα 2. Τεχνολογία παραγωγής alporas ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 10

11 Η εταιρία Shinko Wire (Osaka, Japan) έχει αναπτύξει μια άλλη μέθοδο, η οποία περιλαμβάνει την προσθήκη ασβεστίου (1,5%) στο τήγμα του αλουμινίου για την αύξηση του ιξώδους. Το ασβέστιο εισάγεται στο τήγμα του αλουμινίου στους 680 C, στην συνέχεια το τήγμα αναδεύεται για έξι λεπτά σε κανονικό περιβάλλον. Το πυκνότερο τήγμα του αλουμινίου μεταγγίζεται σε ένα καλούπι χύτευσης και αναδεύεται μαζί με ένα πρόσθετο σκόνης ΤiH 2 (αφριστικός παράγοντας) χρησιμοποιώντας μια περιστρεφόμενη προπέλα. Ο αφριστικός παράγοντας αποσυντίθεται κάτω από την επίδραση της θερμοκρασίας και εκλύει αέρια υδρογόνου (μια ικανοποιητική ποσότητα υδριδίου είναι συνήθως 1,6%). Ως εκ τούτου, ο αφρός διαστέλλεται και γεμίζει το καλούπι μέσα σε 15 λεπτά. Ψύχεται με την βοήθεια ανεμιστήρων μέσα στο καλούπι και στερεοποιείται σαν χελώνα με πορώδες που κυμαίνεται από 89% έως 93%. Μία χυτή χελώνα A1poras έχει διαστάσεις mm 2 και βάρος 160 kg. Η χελώνα κόβεται σε φύλλα με το επιθυμητό πάχος. γ)άλλες τεχνολογίες παραγωγής Η διαδικασία GASAR βασίζεται στην σχέση της διαλυτότητας του υδρογόνου με την πίεση. Το μέταλλο τήκεται σε ένα αυτόκλειστο, στην συνέχεια αυξάνουμε την πίεση με αποτέλεσμα ένα υψηλό ποσό υδρογόνου να διαλύεται στο τήγμα. Αυτό το υπέρκορο τήγμα μεταγγίζεται σε καλούπι το οποίο βρίσκεται μέσα στο αυτόκλειστο. Στην συνέχεια κάνουμε κατευθυνόμενη στερεοποίηση σε χαμηλή πίεση. Το αέριο υδρογόνο παγιδεύεται σε μακρόστενους πόρους στο μέτωπο της στερεοποίησης. Το μέγιστο πορώδες είναι χαμηλό (5-75%). Άλλες τεχνολογίες βασίζονται στην δημιουργία αντιγράφου. Για να φτιάξουν ένα καλούπι αυτές οι τεχνολογίες ξεκινάνε με ένα δικτυωμένο αφρό πολυουρεθάνης, που βυθίζεται σε ένα πολτό θερμοανθεκτικού υλικού. Μετά από ξήρανση αφαιρείται το πολυμερές και το χυτό μέταλλο εκχύνεται στο τελικό καλούπι Στην συνέχεια παίρνουμε τον παραγόμενο αφρό αφαιρώντας το από το καλούπι χρησιμοποιώντας νερό υπό πίεση. Ο μεταλλικός αφρός που παίρνουμε έχει ακριβώς την ίδια δομή με τον αρχικό αφρό πολυουρεθάνης. Ένα τυπικό πορώδες κυμαίνεται μεταξύ 80% έως 97%. Αυτή η διαδικασία διαφέρει από τις προηγούμενες γιατί παράγει αφρό με ανοιχτούς πόρους. Επίσης είναι δυνατή η παραγωγή αφρών με την έκχυση του τήγματος σε έναν όγκο πληρωτικού υλικού με την μορφή ανόργανων κόκκων ή κούφιων σφαιρών ΡΜ foams: Αφροί από μεταλλικές πούδρες Σε αυτές τις τεχνολογίες η διαδικασία παραγωγής έχει μεγάλη σημασία και βασίζεται στην χρήση αφριστικού παράγοντα. Στην θέση του αφριστικού παράγοντα μπορούν να παγιδευτούν στο πρόδρομο υλικό και αδρανή αέρια. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 11

12 α) Διαστολή με ένα αέριο που εκλύεται από έναν αφριστικό παράγοντα (IF ΑΜ, MEPURA) Σχήμα 3. Διαστολή με ένα αέριο που εκλύεται Οι τεχνολογίες που βασίζονται στην χρήση αφριστικού παράγοντα (όπως φαίνεται και στο πιο πάνω σχήμα: (παραγωγή αφρού αλουμινίου με την τεχνολογία IF ΑΜ) ξεκινούν με την μίξη μιας μεταλλικής σκόνης (καθαρό μέταλλο, κράμα ή μείγμα πούδρας) με έναν αφριστικό παράγοντα (για το αλουμίνιο και τα κράματά του συνήθως 0,4-0,6% κατά βάρος TiH 2. Τα πιο συνηθισμένα κράματα που χρησιμοποιούμε για να φτιάξουμε αφρούς είναι τα κατεργάσιμα κράματα της σειράς lxxx (καθαρό αλουμίνιο), 2xxx (AI-Cu) και 6xxx (ΑΙ-Mg-Si) ή τα κράματα χύτευσης π.χ. AlSi7 και AlSi12. Τα τελευταία έχουν εξαιρετική αφριστικότηtα λόγο του χαμηλού σημείου τήξης και των καλών ιδιοτήτων αφροποίησης. Το μείγμα συμπιέζεται σε ένα πυκνό, ημιτελικό προϊόν. Στην IF ΑΜδιαδικασία το υλικό συμπιέζεται με μονοαξονική συμπίεση, χρησιμοποιώντας έλαση ή διέλαση ανάλογα με το απαιτούμενο σχήμα. Η διαδικασία MEPURA χρησιμοποιεί μια τεχνολογία συνεχούς διέλασης για την συμπίεση του μίγματος. Το επόμενο βήμα είναι μια θερμική κατεργασία κοντά στο σημείο τήξης της μεταλλικής μήτρας και πάνω από την θερμοκρασία αποσύνθεση του αφριστικού παράγοντα. Σε αυτή την θερμοκρασία ο παράγοντας αφροποίησης αποσυντίθεται και εκλύει αέριο υδρογόνο. Το αέριο οδηγεί στην διόγκωση του υλικού με αποτέλεσμα μια δομή με υψηλό πορώδες και κλειστούς πόρους. Η διαδικασία της αφροποίησης σταματάει με ψύξη αρκετά κάτω από το σημείο τήξης. Το πορώδες κυμαίνεται από 60% έως 85%. Η ποιότητα του τελικού αφρού εξαρτάται από διάφορους παράγοντες π.χ. συνθήκες συμπίεσης (τεχνολογία, βαθμός παραμόρφωσης, θερμοκρασία, πίεση, χρόνος), ποιότητα της πούδρας (τύπος και μέγεθος κόκκων, κράμα, συνθήκες μίξης), παράμετροι αφροποίησης (θερμοκρασία, ρυθμός θέρμανσης, χρόνο ψύξης, ατμόσφαιρα) και την γεωμετρία του ημιτελούς προϊόντος. Η πυκνότητα του αφρού ελέγχεται με την μεταβολή της περιεκτικότητας σε αφριστικό παράγοντα, της θερμοκρασίας και του ρυθμού θέρμανσης. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 12

13 β)παραγωγή αφρού αλουμινίου με την τεχνολογία MEPURA Σχήμα 4. Παραγωγή αφρού αλουμινίου με την τεχνολογία mepura Για να επιτύχουμε το επιθυμητό σχήμα του αφρού είναι απαραίτητο να εισάγουμε το πρόδρομο (ημιτελικό) υλικό μέσα σε ένα καλούπι. Διαφορετικά το αποτέλεσμα θα ή- ταν ένα κομμάτι μεταλλικού αφρού με ακαθόριστο σχήμα, Κάνοντας την αφροποίηση μέσα σε κλειστά καλούπια μπορούμε να πάρουμε σχεδόν όλα τα σχήματα. Κατά την διαδικασία της αφροποίησης μπορούν να ενωθούν κομμάτια αφρού με κομμάτια μετάλλου Π.χ. μπορούμε να γεμίσουμε σωλήνες με αφρό αλουμινίου με διάφορους τρόπους, Μια άλλη μέθοδος είναι η παραγωγή φύλλων σάντουιτς που περιέχουν αφροποιημένο μέταλλο στο εσωτερικό τους. Μπορούμε να παράγουμε τα σάντουιτς κολλώντας τα φύλλα σε ένα φύλλο αφρού ή με έλαση φύλλων αλουμινίου ή σιδήρου που έ- χουν τοποθετηθεί πάνω και κάτω από ένα αφροποιήσημο πρόδρομο υλικό. Με την τελευταία μέθοδο παράγουμε σάντουιτς με μεταλλικούς δεσμούς στις επαφές μετάλλουαφρού. Το πρόδρομο σάντουιτς μπορεί να μορφοποιηθεί πριν από την αφροποίηση Π.χ. με βαθιά κοίλανση. γ)παραγωγή αφρού αλουμινίου με αρκετά πολύπλοκο σχήμα. Αρκετά πολύπλοκα σχήματα μπορούν να παραχθούν αν εισάγουμε ένα διογκωμένο, υγρό αφρό σε ένα κατάλληλο καλούπι και κάνουμε εκεί τη τελική διόγκωση. Τα τελικά προϊόντα έχουν πυκνότητες μεταξύ 0,5 gr/cm 3 και 1 gr/cm 3. Το πρώτο βήμα αυτής της τεχνολογίας μπορεί να συγκριθεί με αυτό της διαδικασίας MEPURA π.χ. μίξη πούδρας αλουμινίου με τον αφριστικό παράγοντα και συνεχής διέλαση σε ένα συμπαγές αφροποιήσημο πρόδρομο υλικό. Μόνο που σε αυτή την περίπτωση το πρόδρομο υλικό θερμαίνεται σε ένα θάλαμο αφροποίησης έως το σημείο τήξης του κράματος. Αυτό οδηγεί στην δημιουργία υγρού αφρού, ο οποίος χυτεύεται με ένα ελεγχόμενο τρόπο σε ένα μεταλλικό καλούπι ή σε ένα καλούπι άμμου. Αυτό επιτρέπει την παραγωγή σε με- ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 13

14 γάλη ή σε μικρή κλίμακα και την δημιουργία πρωτοτύπων σε ικανοποιητικό κόστος. Τέτοια κομμάτια αφρού μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν πυρήνες στην χύτευση υπό πίεση του αλουμινίου. Σχήμα 5 Παραγωγή αφρού αλουμινίου με πολύπλοκο σχήμα δ) Τεχνολογίες παραγωγής που χρησιμοποιούν ένα παγιδευμένο αέριο Σε αυτή την τεχνολογία ένας θάλαμος που κλείνει ερμητικά γεμίζεται με την πούδρα του αλουμινίου. Στην συνέχεια ένα αέριο π.χ. αργό εισέρχεται υπό πίεση στην πούδρα και γεμίζει όλα τα κενά ανάμεσα στους κόκκους της. Όταν θερμανθεί το πιο πάνω μίγμα, οι κόκκοι της πούδρας λιώνουν και κολλάνε μεταξύ τους και παγιδεύουν ανάμεσά τους το υπάρχον αέριο. Η παραχθείσα χελώνα υφίσταται έλαση και θερμαίνεται, έτσι το παγιδευμένο αέριο εκτονώνεται και παράγει ένα μεταλλικό αφρό (McDonell Douglas). 1.4 ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΑΦΡΩΝ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ Οι αφροί αλουμινίου είναι ισοτροπικά αφρώδη υλικά με αρκετά ασυνήθιστες ιδιότητες, που τους κάνουν κατάλληλους για ειδικές εφαρμογές. Χάρη στην χαμηλή τους πυκνότητα 0,3 gr/cm 3-0,8 gr/cm 3 οι αφροί μπορούν να επιπλέουν στο νερό (στην περίπτωση που έχουμε κλειστούς πόρους). Οι αφροί παρουσιάζουν χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Η αντοχή τους είναι χαμηλότερη από την αντοχή του συμπαγούς αλουμινίου και μειώνεται με την μείωση της πυκνότητας. Οι αφροί είναι σταθεροί σε θερμοκρασίες μικρότερες από το σημείο τήξης του μετάλλου από το οποίο αποτελούνται. Επίσης είναι άφλεκτοι και μη τοξικοί. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 14

15 Στις περισσότερες τεχνολογίες παραγωγής αφρών οι ιδιότητες τους διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό και εξαρτώνται από τις παραμέτρους της παραγωγής. Δίνονται μερικά παραδείγματα στον πίνακα 1. Πίνακας 1. Ιδιότητες αφρών ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Εξαιτίας της κυψελωτής δομής οι αφροί έχουν διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με τα μέταλλα. Αυτό έχει σαν άμεση συνέπεια να μην μπορούν να ελεγχθούν με τα γνωστά συμβατικά τεστ, π.χ. τεστ εφελκυσμού. Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα τα δίνει η δοκιμή θλίψης που μας δίνει ένα τυπικό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης που χωρίζεται σε 3 μέρη. Έχει βρεθεί ότι αυτή η συμπεριφορά είναι τυπική για τους αφρού ς με ανοιχτούς ή κλειστούς πόρους. Το διάγραμμα δείχνει μια γραμμική αύξηση της παραμόρφωσης στην αρχή της επιβολής της τάσης και ένα κομμάτι σχεδόν αμετάβλητης τάσης στην μέση, που ακολουθείται από μια απότομη αύξηση της τάσης παραμόρφωσης. Το πρώτο στάδιο δεν είναι συνέπεια μόνο της ελαστικής παραμόρφωσης, όπως στην περίπτωση των μετάλλων, αλλά και της πλαστικής παραμόρφωσης. Στους αφρούς μη αντιστρεπτή παραμόρφωση μπορεί να συμβεί και σε χαμηλή τάση. Το σχεδόν ευθύγραμμο κομμάτι εμφανίζεται λόγο μιας ομογενούς πλαστικής παραμόρφωσης. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 15

16 Σχήμα 6. Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης Το τρίτο στάδιο οφείλεται στην κατάρρευση των κελιών. Οι απέναντι τοίχοι των κελιών αρχίζουν να αγγίζουν ο ένας τον άλλο. Η τάση που οι αφροί με ανοιχτούς και με κλειστούς πόρους εμφανίζουν πλατό είναι περίπου η ίδια όταν συγκρίνουμε αφρούς με την ίδια πυκνότητα και με την ίδια μήτρα. Οι ιδιότητες των αφρών επηρεάζονται επίσης και από την επιφάνειά τους. Οι α- φροί που δοκιμάζονται χωρίς την πιο πυκνή εξωτερική επιφάνεια (π,χ, έχει αφαιρεθεί με κοπή) έχουν χαμηλότερη αντοχή, Η εξήγηση για αυτή την συμπεριφορά είναι ότι η εξωτερική επιφάνεια λειτουργεί σαν μέσο σκλήρυνσης όπως και στην δομή του σάντουιτς, Η ίδια συμπεριφορά χαρακτηρίζει και τους σωλήνες που στο εσωτερικό τους έχουν α- φρό αλουμινίου. Η κατεύθυνση του αφρού δεν παίζει κάποιο ρόλο, γιατί ουσιαστικά οι αφροί είναι ισοτροπικά υλικά. Στους μεταλλικούς αφρούς μπορούμε να κάνουμε θερμικές κατεργασίες αλλά είναι δύσκολο και υπάρχουν αρκετά προβλήματα με αποτέλεσμα να μην μπορούμε να αυξήσουμε σημαντικά την αντοχή. Μερικά προβλήματα είναι η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και το ότι δεν μπορεί να επιτευχθεί ο ίδιος ρυθμός ψύξης σε όλο το υλικό. Σαν μέσο ψύξης χρησιμοποιείται πεπιεσμένος αέρας που δίνει όμως αργούς ρυθμούς ψύξης σε σχέση με το νερό, το οποίο όμως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μέσο ψύξης γιατί καταστρέφει τα κελιά. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 16

17 1.4.2 ΑΝΤΟΧΗ ΤΩΝ ΔΟΜΏΝ ΣΑΝΤΟΥΙΤΣ - ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Όπως προαναφέρθηκε η εξωτερική επιφάνεια αυξάνει την αντοχή των αφρών. Χρησιμοποιώντας μεταλλικά φύλλα σιδήρου ή αλουμινίου που περιβάλουν τον αφρό μπορούμε να αυξήσουμε την αντοχή του αφρού δημιουργώντας μια δομή σάντουιτς. Επίσης μπορούμε να επιτύχουμε μεγαλύτερη αντοχή και ακαμψία στους σωλήνες αν τους γεμίσουμε με αφρό αλουμινίου. Σχήμα 7. Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης με κλειστά κελιά Σχήμα 8. Τύποι σωλήνων ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 17

18 Στο προηγούμενο σχήμα φαίνονται τα αποτελέσματα της δοκιμής θλίψη ς σε διάφορους σωλήνες που περιέχουν ή δεν περιέχουν αφρό αλουμινίου στο εσωτερικό τους. Στην περίπτωση των σωλήνων με τον αφρό αλουμινίου η τάση του πλατό είναι μεγαλύτερη, όπως επίσης και η περιοχή κάτω από το πλατό. Αυτό σημαίνει ότι αυτοί οι σωλήνες είναι καλύτεροι για εφαρμογές που απαιτείται απορρόφηση ενέργειας κρούσης. Μπορούν δηλαδή να χρησιμοποιηθούν σαν απορροφητές ενέργειας σύγκρουσης στα αυτοκίνητα. Γεμάτοι σωλήνες με μικρότερη διάμετρο μπορούν να απορροφήσουν την ίδια ενέργεια με σωλήνες με μεγαλύτερη διάμετρο, δηλαδή μπορούμε να έχουμε το ίδιο όφελος καταλαμβάνοντας λιγότερο χώρο. Aυτό ενδιαφέρει ιδιαίτερα την αυτοκινητοβιομηχανία. Ο αφρός του αλουμινίου προστατεύει τον σωλήνα από μια πρόωρη κατάρρευση ή πλαστική παραμόρφωση. Αν στην συνέχεια ο σωλήνας λυγίσει ή παραμορφωθεί με κάποιο τρόπο ο αφρός συμπιέζεται - με αποτέλεσμα να μετριάζει την περαιτέρω παραμόρφωση. Μερικά παραδείγματα σωλήνων με γέμιση αφρού αλουμινίου φαίνονται στο παραπάνω σχήμα ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Σχήμα 9. Μέτρο ελαστικότητας ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 18

19 Το μέτρο ελαστικότητας, σε συνδυασμό με την γεωμετρία είναι ένα σημαντικό μέσο χαρακτηρισμού ενός τελικού προϊόντος, από το οποίο μπορούμε να εκτιμήσουμε την αντοχή του. Το ειδικό μέτρο ελαστικότητας (Ε/ρ) του αφρού αλουμινίου είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό του πυκνού αλουμινίου. π.χ. το ειδικό μέτρο ελαστικότητα ς για ένα αφρό Α1 99,5% είναι 6GPa cm 3 /gr (δηλαδή Ε=2,4GPa για μια πυκνότητα αφρού d=0,4gr/cm 3 ενώ το ειδικό μέτρο ελαστικότητας για το πυκνό αλουμίνιο είναι 25GPa cm 3 /gr (δηλαδή Ε = 67GPa για μια πυκνότητα d=2,7gr/cm 3. Όπως φαίνεται στο πιο πάνω σχήμα το μέτρο ελαστικότητας των αφρών αυξάνει με την αύξηση της πυκνότητας. Αυτό ισχύει για όλους τους αφρούς ανεξαρτήτως από το αν έχουμε ξεκινήσει από τήγμα ή πούδρα. Άρα μπορούμε να προσαρμόσουμε το μέτρο ελαστικότητας ανάλογα με την εφαρμογή μεταβάλλοντας την πυκνότητα του αφρού, ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Οι φυσικές και χημικές ιδιότητες των αφρών διαφέρουν από αυτές των πυκνών μετάλλων. Αυτό όμως μπορεί να λειτουργήσει θετικά σε κάποιες περιπτώσεις ανάλογα με την εφαρμογή. α) Αγωγιμότητα. Η ηλεκτρική και η θερμική αγωγιμότητα των αφρών είναι γενικά χαμηλότερη από αυτή των πυκνών μετάλλων. Ο λόγος είναι ότι το μεταλλικό κομμάτι του αφρού (τοιχώματα κελιών) καταλαμβάνει πολύ μικρότερο όγκο σε σύγκριση με τους γεμάτους αέρια πόρους. Επίσης τα τοιχώματα των κελιών είναι επικαλυμμένα με ένα στρώμα οξειδίου, το οποίο όπως είναι γνωστό δεν είναι αγώγιμο. Είναι λογικό λοιπόν η αγωγιμότητα να αυξάνεται με την αύξηση της πυκνότητας του αφρού. Η θερμική αγωγιμότητα εκτιμάται ότι είναι δέκα φορές μικρότερη στους αφρούς απ' ότι στα πυκνά μέταλλα. Επίσης με μια κατεργασία οξείδωσης η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να μειωθεί κι άλλο. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι ίδιος για τους αφρούς όπως και για τα πυκνά μέταλλα, δηλαδή οι αφροί σε υψηλές θερμοκρασίες δεν χάνουν το σχήμα τους απλά διογκώνονται ελάχιστα. Εξαιτίας της χαμηλής θερμικής τους αγωγιμότητας οι αφροί μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μονωτικά υλικά. β) Ηχομονωτικές ιδιότητες Ένα άλλο πλεονέκτημα των αφρών είναι η εξαιρετική ικανότητά τους να απορροφούν τον ήχο. Στους αφρούς τα ηχητικά κύματα ανακλώνται από την ακανόνιστη δομή των πόρων. Η κυματική τους ενέργεια προκαλεί κάποιες μικρές παραμορφώσεις στα τοιχώματα των κελιών και μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η ένταση των ανακλώμενων ηχητικών κυμάτων. Τα αποτελέσματα διαφόρων ερευνών έχουν δείξει ότι η απορρόφηση (ηχομονωτική ικανότητα) αυξάνεται όταν έχουμε ομογενείς πόρους. Επίσης βελτίωση παρατηρείται όσο αυξάνουν οι συνδέσεις μεταξύ των πόρων. Φαίνεται ότι οι αφροί με ανοιχτούς πόρους είναι πιο αποτελεσματικοί στην απορρόφηση των ήχων. Οι μελέτες του συντελεστή απορρόφησης ήχου του Alporas δείχνουν ότι το Alporas που έχει γίνει με έλαση έχει ένα υψηλό συντελεστή απορρόφησης ήχου, ισοδύναμο με αυτό του γυαλιού ή του ξύλου. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 19

20 1.4.5 ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Οι αφροί αλουμινίου είναι άφλεκτοι. Κάτω από την επίδραση θερμότητας δεν ε- κλύουν τοξικά αέρια. Η συμπεριφορά στην διάβρωση είναι ανάλογη της συμπεριφοράς των πυκνών κραμάτων αλουμινίου. ΣΗΜΑΝΤΙΚΉ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Όλες οι ιδιότητες των αφρών εξαρτώνται από την συγκεκριμένη δομή του υλικού. Αυτή η δομή αναπτύσσεται στην διάρκεια της παραγωγικής διαδικασίας και εξαρτάται άμεσα από αυτή. Οι αφροί που παράγονται με διαφορετική τεχνολογία έχουν διαφορετικές ιδιότητες ακόμα και αν έχουν παραχθεί από το ίδιο κράμα. Επομένως είναι χρήσιμο για μια εφαρμογή να κάνουμε πρώτα μια λίστα με τις απαιτούμενες ιδιότητες και μετά να διαλέξουμε την τεχνολογία παραγωγής και το κράμα. 1.5 ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΦΡΩΝ Οι αφροί αλουμινίου μπορούν να υποστούν διάφορες κατεργασίες χωρίς πρόβλημα. Οι παραγόμενες χελώνες αφρού μπορούν να κοπούν και να τρυπηθούν. Σε ένα αφρό είναι εύκολο να ανοίξουμε τρύπες ή να τον καρφώσουμε. Εξαίρεση αποτελούν οι αφροί που περιέχουν σωματίδια SiC ή Α1 2 Ο 3 λόγω της σκληρότητας αυτών των σωματιδίων. Οι αφροί αλουμινίου εύκολα χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με άλλα υλικά. Χρησιμοποιώντας χημικές κόλλες μπορούμε να κολλήσουμε τους αφρούς αλουμινίου μεταξύ τους ή με άλλα υλικά. Οι αφροί μπορούν να συνδεθούν με πυκνά υλικά με μηχανικό τρόπο. Η συγκόλληση είναι δυνατή, αλλά μπορεί να προκαλέσει προβλήματα διάβρωσης εξαιτίας της απομάκρυνσης του πυκνού στρώματος του οξειδίου. Επίσης μπορούμε να κάνουμε συγκόλληση με λέιζερ. Αυτή η τεχνολογία είναι συμφέρουσα γιατί εισάγει χαμηλό ποσοστό ενέργειας στον αφρό, με άμεση συνέπεια η δομή του αφρού να είναι σταθερή. Το πληρωτικό υλικό τοποθετείται μπροστά από την κεφαλή του λέιζερ κατά μήκος της διεύθυνσης της συγκόλλησης. Ειδικά για τις συγκολλήσεις αφρών έχουμε καλύτερα αποτελέσματα όταν δουλεύουμε με παλμικό λέιζερ και με λέιζερ συνεχόμενης ακτινοβολίας. Τα πειράματα δείχνουν ότι αυτή η συγκόλληση έχει καλά αποτελέσματα για την συνένωση αφρών αλουμινίου με φύλλα μετάλλου. Συγκριτικά με δείγματα, στα οποία η συνένωση έγινε με χρήση κόλλας η ανθεκτικότητα της συγκόλλησης ήταν μεγαλύτερη. Μπορούμε να βάψουμε τους αφρού ς αλουμινίου με οργανικές ή ανόργανες βαφές. Η βαφή δεν θα επηρεάσει την ικανότητα του αφρού να απορροφά τους ή- χους. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 20

21 Σχήμα 10. Συγκόλληση με Laser 1.6 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Υπάρχουν πολλές πιθανές εφαρμογές για τους μεταλλικούς αφρούς όπως ελαφριές κατασκευές, ηχομόνωση, θερμομόνωση και εφαρμογές απορρόφησης ενέργειας. Όπως αναφέρεται και πιο πάνω, οι αφροί αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές στην αυτοκινητοβιομηχανία και στην αεροδιαστημική, αλλά και στην εφαρμοσμένη μηχανική και σε κατασκευές. Η χρήση αφρών μπορεί να ικανοποιήσει την α- παίτηση πολλών κλάδων της βιομηχανίας για ελαφριές κατασκευές. Συγκριτικά με τα συνθετικά υλικά (πλαστικά, αφρούς πολυουρεθάνης) οι αφροί αλουμινίου έχουν κάποια ιδιαίτερα προτερήματα: την καλή αντοχή στην θερμότητα, μεγαλύτερη αντοχή, είναι ά- φλεκτοι και μπορούν να ανακυκλωθούν εύκολα. Έως τώρα οι αφροί αλουμινίου έχουν μικρή εφαρμογή, κυρίως για επίδειξη και δοκιμές, αλλά διάφορες ιδέες εξετάζονται και μερικές εμπορικές χρήσεις γίνονται ήδη. Επειδή οι μεταλλικοί αφροί είναι σχετικά ακριβοί, η χρήση τους παρακινείται από το άθροισμα των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους. Βέβαια αναμένεται ότι η τιμή τους θα πέσει στα επόμενα χρόνια όσο θα αυξάνει η μαζική παραγωγή ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Σήμερα υπάρχει μια τάση για την μείωση του βάρους των αυτοκινήτων. Κυρίως οφείλεται στις ανησυχίες για την προστασία του περιβάλλοντος και τις καινούργιες νομοθετικές ρυθμίσεις που απαιτούν λιγότερη μόλυνση του περιβάλλοντος. Μια άλλη τάση είναι η βελτίωση της παθητικής προστασίας των αυτοκινήτων, που κυρίως επηρεάζεται ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 21

22 από την επιλογή των υλικών και τον σχεδιασμό. Επίσης σημαντικός παράγοντας είναι και η ανακύκλωση των υλικών. Έχοντας υπόψη αυτά, τις καλές ηχομονωτικές ιδιότητες και την δυνατότητα α- πορρόφησης της ενέργειας οι αφροί αλουμινίου μπορούν κάλλιστα να χρησιμοποιηθούν στα επιβατικά αυτοκίνητα. Τρεις είναι οι κύριες εφαρμογές των μεταλλικών αφρών στα αυτοκίνητα: Η απορρόφηση ενέργειας, οι ελαφριές κατασκευές και η μόνωση. 1. Η πρώτη εφαρμογή γίνεται κατανοητή στην περίπτωση των μπροστινών και πλαγίων προφυλακτήρων. Είναι γεγονός πως πολλά από τα σημερινά αυτοκίνητα περιέχουν παραμορφώσιμα εξαρτήματα στην δομή τους. Αυτά τα εξαρτήματα που βρίσκονται στην περιοχή πρόσκρουσης, πρέπει να απορροφήσουν την ενέργεια κρούσης έτσι ώστε η κρούση να μην φτάσει στον θάλαμο των επιβατών. Αυτές οι κατασκευές προστασίας (π.χ. μπροστινός ή πλαϊνός προφυλακτήρας, φτερά, κατασκευές των τόξων ασφαλείας δίπλα στην πόρτα ή άλλα εξαρτήματα που κινδυνεύουν να παραμορφωθούν ή να συνθλιβούν σε μια κρούση ή που πρέπει να απορροφήσουν μεγάλα ποσά ενέργειας) μπορούν να γεμίσουν με αφρό αλουμινίου. Στα φορτηγά οι αφροί αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αυξήσουν την ακαμψία των προστατευτικών μερών της κάτω πλευράς. Με την βοήθεια αυτών των εξαρτημάτων μπορούμε να δημιουργήσουμε μια ελεγχόμενη, προγραμματισμένη παραμόρφωση στην ζώνη κρούσης των αυτοκινήτων με την μέγιστη δυνατή απορρόφηση ενέργειας. Αυτό είναι πολύ σημαντικό ιδίως στην περίπτωση των καινούριων, μικρών αυτοκινήτων της πόλης, όπου τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται για την απορρόφηση ενέργειας πρέπει να καταλαμβάνουν το μικρότερο δυνατό όγκο. 2. Η καλή σχέση ανάμεσα στο βάρος και την σκληρότητα στους αφρούς, τους ε- πιτρέπει να χρησιμοποιηθούν και στο αμάξωμα ή σε άλλα δομικά μέρη, σε περιοχές του αυτοκινήτου που απαιτούν μεγάλη σταθερότητα. Μερικά παραδείγματα είναι τα μη οργανικά εξαρτήματα πάνω στον κινητήρα και οι οροφές. Όλα αυτά τα μέρη δεν πρέπει να υφίστανται καμία ελαστική παραμόρφωση από τα αέρια ρεύματα. Οι δονήσεις πρέπει να αποφεύγονται. Οι αφροί αλουμινίου λόγω των καλών μονωτικών τους ιδιοτήτων είναι μια καλή λύση για αυτά τα μέρη του αυτοκινήτου. 3. Στην τρίτη ομάδα ανήκουν εφαρμογές που χρησιμοποιούν τις καλές ηχοθερμομονωτικές ιδιότητες των αφρών αλουμινίου. Οι ηχομονωτικές ιδιότητες κάνουν τους αφρούς χρήσιμους για την ηχομόνωση του τμήματος της μηχανής του αυτοκινήτου. Ο στόχος σε αυτή την περίπτωση είναι να μην έχουμε μεταφορά των θορύβων στον θάλαμο των επιβατών και στο περιβάλλον. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 22

23 Σχήμα 11. Διατομή AFS Μια ενδιαφέρουσα ιδέα έχει αναπτυχθεί από την Κarmann στην Γερμανία. Το AFS είναι ένα φύλλο αλουμινίου γεμάτο με αφρό αλουμινίου. Παράγεται από ένα πρόδρομο αφροποιήσιμο υλικό και δυο φύλλα αλουμινίου, τα οποία παίρνουν το επιθυμητό σχήμα με έλαση. Μετά από την διαδικασία της έλασης το υλικό τοποθετείται σε ένα κλίβανο για να γίνει η αφροποίηση. Το πάχος του αφρού κυμαίνεται από 8 έως 12mm ενώ τα εξωτερικά φύλλα του αλουμινίου έχουν πάχος περίπου 1mm. Το AFS είναι 50% ελαφρύτερο και 10 φορές πιο δύσκαμπτο από ένα φύλλο σιδήρου. Συγκριτικά με το πυκνό αλουμίνιο προσφέρει 95% μεγαλύτερη ηχομόνωση. Ο συνδυασμός αυτών των ιδιοτήτων κάνει τα AFS εξαιρετικά υλικά για τα σώματα των αυτοκινήτων. Εξαιτίας της υ- ψηλής αντοχής στην στρέψη και της ακαμψίας μπορούν να μειωθούν τα μέρη που πρέπει να συναρμολογηθούν σε ένα σώμα αυτοκινήτου. Σχήμα 12. Πρωτότυπο σώμα αυτοκινήτου από αφρό αλουμινίου ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 23

24 Ένα παράδειγμα είναι το σώμα αυτοκινήτου από αφρό αλουμινίου που έχει φτιαχτεί σαν πρωτότυπο και φαίνεται στο πιο πάνω σχήμα. Τα μέρη από AFS σε συνδυασμό με το διαστημικό πλαίσιο αυξάνουν την ακαμψία στο σώμα του αυτοκινήτου. Η σταθερότητα αυτού του διαστημικού πλαισίου είναι 30% μεγαλύτερη χάρη στα κομμάτια από AFS. Το διαστημικό πλαίσιο είναι μεταλλικός σκελετός παρόμοιος με εκείνο γύρω από το οποίο χτίζονται τα αεροσκάφη. Τα πάνελ του σώματος του αυτοκινήτου συνδέονται σε αυτόν τον σκελετό στα σκληρά σημεία, και έτσι προσθέτουν αντοχή καθώς επίσης καθιστούν τη δομή αεροδυναμική. Το μεγαλύτερο μέρος του διαστημικούπλαισίου διαμορφώνεται από τμήματα των οποίων τα πάχη ποικίλλουν για να διανείμουν τις πιέσεις ομοιόμορφα ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΑΕΡΟΔΙΑΣΤΗΜΙΚΗ Χάρη στο χαμηλό τους βάρος οι αφροί αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην αεροδιαστημική. Παραδείγματος χάριν φύλλα σάντουιτς ή αφρού αλουμινίου μπορούν να αντικαταστήσουν τις δομές honeycomb. Αυτό θα είχε πολλά πλεονεκτήματα, όπως μειωμένο κόστος, απουσία κολλήσεων, η οποία θα βοηθούσε ώστε να παραμείνει η δομή ακέραια σε περίπτωση φωτιάς. Παρόλα αυτά αναμένονται πολλά αποτελέσματα από την έρευνα που γίνεται πάνω στην συμπεριφορά των αφρών στην κόπωση ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΝΑΥΣΙΠΛΟΪΑ Στην ναυσιπλοΐα η ανάγκη για μείωση του βάρους είναι επίσης σημαντική. Αλλά σε σχέση με την αυτοκινητοβιομηχανία, χρειάζεται και υψηλή ευελιξία στην παραγωγή των υλικών, επειδή τα πλοία δεν κατασκευάζονται σε γραμμή παραγωγής με τυποποιημένα μέρη. Γι αυτό τα πάνελ αφρού αλουμινίου πλεονεκτούν. Προϋπόθεση όμως για την χρήση τους, αποτελεί η ανάπτυξη κατάλληλων στοιχείων σύνδεσης και η έρευνα της διάβρωσης των αφρών αλουμινίου σε θαλασσινό νερό. Έρευνες που βρίσκονται σε αρχικό στάδιο έχουν δείξει ότι στους ΡΜ-αφρούς αλουμινίου με κλειστούς πόρους, διάλυμα χλωριούχου νατρίου μπορεί να εισχωρήσει μόνο επιφανειακά χωρίς να προκαλεί α- τέλειες στην δομή του υλικού ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΙΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΕΣ Στα κτήρια και στις κατασκευές υπάρχει μια μεγάλη πιθανότητα χρήσης των α- φρών αλουμινίου, κυρίως εξαιτίας της καλής αντίστασης στην διείσδυση της φωτιάς και των θερμομονωτικών ιδιοτήτων. Παραδείγματος χάριν προφίλ από αφρό αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν εξωτερικές προσόψεις κτηρίων ή σαν καλύμματα των εσωτερικών τοίχων. Και στις δυο περιπτώσεις οι αφροί βοηθάνε στην εξοικονόμηση ενέργειας χάριν στις καλές θερμομονωτικές τους ιδιότητες. Μια άλλη ιδιότητα των α- φρών αλουμινίου που μπορούμε να εκμεταλλευτούμε στις κατασκευές είναι η ηχομόνωση. Οι αφροί αλουμινίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ηχοαπορροφητικά υλικά σε σιδηροδρομικά τούνελ, κάτω από γέφυρες στις εθνικές οδούς ή μέσα σε κτήρια. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 24

25 Σχήμα 13. Ηχοαπορροφητικά υλικά σε γέφυρες Ένα άλλο πεδίο εφαρμογών είναι τα χαμηλού βάρους δομικά στοιχεία. Αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κινητές γέφυρες ή σε κατασκευές που βρίσκονται ψηλά για να μην χρησιμοποιούμε ανυψωτικά μηχανήματα (π.χ σε οροφές ή τοίχους). 1.7 ΑΝΑΚΥΚΛΩΣΗ Οι αφροί αλουμινίου ανακυκλώνονται με την ίδια ευκολία όπως και το πυκνό αλουμίνιο. Σε κάποιες περιπτώσεις όταν έχουμε πολύ χαμηλή πυκνότητα ή πολύ μεγάλα κομμάτια είναι καλύτερα αυτά να συμπιεστούν πριν την τήξη. Η ανακύκλωση γίνεται όχι μόνο για περιβαλλοντολογικούς λόγους αλλά και γιατί είναι μια επικερδής διαδικασία για την βιομηχανία του αλουμινίου. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 25

26 Κεφάλαιο Ασφαλιστικά μέτρα ΠΑΘΗΤΙΚΗ ΑΣΦΑΛΕΙΑ H άποψη που συσχετίζει την ασφάλεια των επιβατών ενός αυτοκινήτου με μία άκαμπτη μάζα σιδερικών έχει εκλείψει οριστικά. H «ελαστικότητα» των σύγχρονων αυτοκινήτων, παράλληλα με τον εξελιγμένο, πλέον, εξοπλισμό παθητικής ασφάλειας, είναι ένας συνδυασμός που, κυριολεκτικά, σώζει ζωές. Tα πρώτα τεχνολογικά βήματα, σχετικά με την παθητική ασφάλεια, έγιναν με την τοποθέτηση ζωνών ασφαλείας, αρχικά μόνο στα εμπρός και στη συνέχεια και στα πίσω καθίσματα των αυτοκινήτων. Oι πρώτες ζώνες, στην ουσία, βοηθούσαν μερικώς στην αποφυγή του «μοιραίου». O τρόπος λειτουργίας τους, όμως, δεν απέτρεπε (ίσως και να προκαλούσε) τους τραυματισμούς στον αυχένα, στους ώμους ή στο θώρακα. Mία άλλη προσπάθεια για τη βελτίωση της παθητικής ασφάλειας, που όμως δεν έμελλε να καθιερωθεί, ήταν το σύστημα Procon-ten της Αουντι. H καινοτομία του συστήματος έγκειται στην απομάκρυνση του τιμονιού από τον οδηγό σε περίπτωση σύγκρουσης. Στα περισσότερα αυτοκίνητα, σε περίπτωση μετωπικής ή πλαγιομετωπικής σύγκρουσης, ο κινητήρας μετακινείται προς τα πίσω και, αντίστοιχα, μετατοπίζει προς την ίδια κατεύθυνση και το τιμόνι. Mε το σύστημα Procon-ten, οι μηχανικοί της Αουντι συνέδεσαν τον κινητήρα και το τιμόνι με κατάλληλα τοποθετημένα συρματόσχοινα, τα οποία, τη στιγμή της πρόσκρουσης, εκμεταλλεύονται την κίνηση του κινητήρα προς τα πίσω και έλκουν το τιμόνι προς τα εμπρός, αποτρέποντας τον τραυματισμό του οδηγού πάνω σε αυτό. 2.2 H εξέλιξη των ειδών Σήμερα, οι ζώνες ασφαλείας των περισσότερων αυτοκινήτων είναι εξοπλισμένες τουλάχιστον για τα εμπρός καθίσματα με προεντατήρες. Oι προεντατήρες τοποθετούνται κάτω από τα καθίσματα και αποτελούνται από έναν πυροδοτικό μηχανισμό, συνδεδεμένο με ένα συρματόσχοινο που καταλήγει στην πόρπη της ζώνης. Tη στιγμή της πρόσκρουσης, ένας αισθητήρας επιτάχυνσης ενεργοποιεί το μηχανισμό, ο οποίος εκρήγνυται και, στην ουσία, σφίγγει τη ζώνη, με αποτέλεσμα να μην επιτρέπει καμία ε- λευθερία κινήσεων στο σώμα. Tέλος, η δυνατότητα (ανάλογα με το μοντέλο) ρύθμισης του ύψους των ζωνών, αποκλείει την πιθανότητα τραυματισμού του θώρακα. Oι αερόσακοι αποτελούν ακόμη μία τεχνολογική δημιουργία που παίζει καθοριστικό ρόλο στην παθητική ασφάλεια. Λειτουργούν με πυροδοτικό μηχανισμό ανάλογο με αυτόν των προεντατήρων, που παίρνει επίσης εντολή από τον αισθητήρα επιτάχυνσης. Αρχικά, τα αυτοκίνητα εξοπλίζονταν μόνο με αερόσακο οδηγού, αλλά σήμερα διαθέτουν έως και οκτώ (οδηγού, συνοδηγού, 4 πλευρικούς, 2 κεφαλής). Σε ό,τι αφορά το αμάξωμα, οι κατασκευαστές φροντίζουν πλέον για την αύξηση της αντοχής και στις τρεις κολόνες (εμπρός, μεσαία, πίσω), και τις εγκάρσιες δοκούς του δαπέδου. Για τις πλευρικές συγκρούσεις, πέρα από τους πλευρικούς αερόσακους, οι πόρτες ενισχύονται με διαμήκεις δοκούς και αφρώδη υλικά που απορροφούν ενέργεια. Στο εσωτερικό, τα καθίσματα, που υποχρεωτικά πλέον είναι εξοπλισμένα με προσκέφαλα, κατασκευάζονται από υλικά που τα κάνουν ιδιαίτερα ανθεκτικά σε μεγάλα φορτία. Όλα τα παραπάνω ολοκληρώνουν τον τομέα παθητικής ασφάλειας σε συνδυασμό με την αλλαγή του σχεδιασμού και των υλικών ενός αυτοκινήτου. Πιο συγκεκριμένα, τα σύγχρονα αυτοκίνητα ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 26

27 κατασκευάζονται έτσι, ώστε σε περίπτωση σύγκρουσης το μεγαλύτερο ποσοστό κινητικής ενέργειας να μπορεί να μετατραπεί σε έργο παραμόρφωσης. Έτσι, η κατασκευή των τμημάτων των αυτοκινήτων γίνεται με τρόπο που τους δίνει τη δυνατότητα να μπορούν να απορροφούν μεγάλα ποσοστά ενέργειας, αποφεύγοντας, όσο γίνεται, τις φθορές στο χώρο των επιβατών. Tα παραπάνω εξαρτώνται από τη ζώνη ελεγχόμενης παραμόρφωσης κάθε αυτοκινήτου, η οποία, με τη σειρά της, εξαρτάται από το μέγεθός του, τους τροχούς, τους άξονες και τον κινητήρα. Όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος της ζώνης ελεγχόμενης παραμόρφωσης, τόσο μικρότερη και προοδευτικότερη θα είναι η επιτάχυνση που θα δεχτούν οι επιβάτες μέσα στην καμπίνα. 2.3 Δοκιμές πρόσκρουσης Mε βάση τις οδηγίες της Ευρωπαϊκής Ένωσης, όλα τα νέα μοντέλα πρέπει να περάσουν από δοκιμές πρόσκρουσης. H απαιτούμενη δοκιμασία περιλαμβάνει πλαγιομετωπική πρόσκρουση που καλύπτει το 40% της επιφάνειας του αυτοκινήτου, με ταχύτητα 56 χλμ./ώρα (35 μίλια/ώρα), καθώς και πλευρική πρόσκρουση με ταχύτητα 48 χλμ./ώρα (30 μίλια/ώρα). Πολλοί κατασκευαστές βέβαια θέλοντας να κατοχυρώσουν την ασφάλεια του «προϊόντος» τους κάνουν κι άλλες δοκιμές πρόσκρουσης, με πιο συνηθισμένες αυτές της ανατροπής και τις οπίσθιες, αλλά και πλαγιομετωπικές που, όμως, καλύπτουν μεγαλύτερο ποσοστό (έως 50%) της μετωπικής επιφάνειας του αυτοκινήτου. Kατά τη διάρκεια των δοκιμών, στις καμπίνες των αυτοκινήτων τοποθετούνται ειδικά ανδρείκελα (dummies) εξοπλισμένα με ηλεκτρονικά συστήματα και αισθητήρες α- κριβείας, η πρόσκρουση καταγράφεται από ειδικές κάμερες υψηλής ταχύτητας λήψης και, στη συνέχεια, αναλύεται λεπτομερώς σε ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Oι αισθητήρες που διαθέτουν τα ανδρείκελα βοηθούν τους κατασκευαστές να παίρνουν, κατά τη διάρκεια της πρόσκρουσης, τιμές επιτάχυνσης για κάθε μέλος του σώματος ξεχωριστά. Aπό αυτές τις τιμές εξαρτάται, σε μεγάλο βαθμό, ο σχεδιασμός και εξοπλισμός του αυτοκινήτου, αφού ο κατασκευαστής πρέπει να «επιτύχει» τιμές επιτάχυνσης τέτοιες που να μην υπερβαίνουν τα όρια που προβλέπουν οι ισχύουσες προδιαγραφές. Aνάλογα, έχουν κατασκευαστεί και ειδικοί εξομοιωτές με προγράμματα πρόσκρουσης, που όμως δεν θεωρούνται ακριβή υποκατάστατα πρόσκρουσης. Εντούτοις, ακόμη και αυτά τα προγράμματα βάζουν το λιθαράκι τους στον τομέα της παθητικής ασφάλειας, βοηθώντας ουσιαστικά στην καλύτερη σχεδίαση του αμαξώματος. Ορισμένα από τα παραπάνω μέτρα παθητικής ασφάλειας μπορεί σήμερα να μας εντυπωσιάζουν. Aυτό δεν σημαίνει ότι θα παραμείνουν ως επιλογές για τον εξοπλισμό των αυτοκινήτων επ άπειρον. Σε δύο δεκαετίες μπορεί οι αερόσακοι οροφής να αποτελούν μακρινό παρελθόν και τη θέση τους να έχουν πάρει νέες τεχνολογικές λύσεις που θα προστατεύουν τους επιβάτες ακόμη περισσότερο. 2.4 «Oι αερόσακοι συμπληρώνουν τις ζώνες ασφαλείας» Συνέντευξη με τον επικεφαλής Τμήματος Παθητικής Ασφάλειας, Bέρνερ Σμιτ Πιστεύετε ότι πρέπει να αυξηθεί η ταχύτητα πρόσκρουσης των αυτοκινήτων στα κρας-τεστ, όπως, για παράδειγμα, γίνεται στο πλαίσιο του Euro NCAP*; ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 27

28 Πιστεύω ότι δεν θα εξυπηρετούσε στη συμβατότητα αυτοκινήτων διαφορετικού βάρους, γιατί σε μια σύγκρουση ενός μεγάλου αυτοκινήτου με ένα μικρό οι επιβάτες του δεύτερου θα βρίσκονταν σε μειονεκτική θέση. Σημαντικότερο από την αύξηση της ταχύτητας είναι η εξέλιξη της συμβατότητας που προανέφερα σε μια σχέση περίπου 1:1, Στις δοκιμές πρόσκρουσης του Euro NCAP προκύπτουν συχνά προβλήματα σε ό,τι αφορά στην εξωτερική παθητική ασφάλεια, δηλαδή στην προστασία των πεζών. Πώς δραστηριοποιείστε σε αυτόν τον τομέα; Θα χώριζα τον τομέα της εξωτερικής παθητικής ασφάλειας σε δύο τμήματα. Αυτό που αφορά το ίδιο το αυτοκίνητο και αυτό της εν γένει σχεδίασης των δρόμων, αλλά και της κυκλοφοριακής παιδείας των πεζών. Για παράδειγμα, στην Σουηδία όλα τα παιδιά κυκλοφορούν στους δρόμους με σχολικές τσάντες με αντανακλαστικά. Βέβαια, και τα αυτοκίνητα επιδέχονται ακόμη αρκετές βελτιώσεις και δουλεύουμε εντατικά σε αυτόν τον τομέα Εξομοιώνετε στις δοκιμές πρόσκρουσης τη βύθιση του αμαξώματος που προκύπτει από την έντονη επιβράδυνση του αυτοκινήτου; Στις κανονικές δοκιμές, όχι. H κλίση του εμπρός τμήματος δεν επηρεάζει τη συμπεριφορά των ζωνών ελεγχόμενης παραμόρφωσης ή των υπόλοιπων συστημάτων παθητικής ασφάλειας. Aυτό γίνεται μόνο σε μία ειδική δοκιμή πρόσκρουσης, προσομοίωση σύγκρουσης αυτοκινήτου με φορτηγό, όπου το αυτοκίνητο έχει την τάση να χωθεί κάτω από το φορτηγό, θέτοντας σε κίνδυνο τη ζωή των επιβατών Είναι πιο εύκολη η σχεδίαση της παθητικής ασφάλειας σε ένα χωροδικτύωμα; Στο χωροδικτύωμα μπορούμε να ενισχύσουμε τα καίρια σημεία χρησιμοποιώντας κατάλληλα υλικά στην ενδεδειγμένη μορφή, βελτιώνοντας έτσι σχετικά εύκολα τη συμπεριφορά σε περίπτωση μετωπικής, πλευρικής, οπίσθιας σύγκρουσης ή ακόμη και ανατροπής Ποιες είναι οι τάσεις εξέλιξης της παθητικής ασφάλειας; Προς το παρόν βλέπουμε μόνον ένα συνεχώς αυξανόμενο αριθμό αερόσακων. Επηρεαζόμαστε πολύ από τις στατιστικές τραυματισμών. Στις αρχές της δεκαετίας του 80 είχαμε μεγάλο αριθμό τραυματισμών στις περιοχές του θώρακα και του κεφαλιού των επιβατών σε μετωπικές συγκρούσεις, που αντιμετωπίστηκαν με τις ζώνες και τους μετωπικούς αερόσακους. Kατόπιν ασχοληθήκαμε με την ενίσχυση της περιοχής των πεντάλ και την προστασία των επιβατών σε περίπτωση πλευρικής σύγκρουσης με μπάρες, πλευρικούς αερόσακους και αερόσακους κεφαλής. Eπόμενο βήμα σύμφωνα πάντα με τις στατιστικές είναι η προστασία του αυχένα των επιβατών και η ασφάλεια των πίσω επιβατών. Δεν γνωρίζω αν αυτό θα οδηγήσει σε αύξηση του α- ριθμού των αερόσακων, αλλά σίγουρα δεν θα βάλουμε κι άλλους, μόνο και μόνο για να πούμε ότι έχουμε περισσότερους αερόσακους απ ό,τι οι ανταγωνιστές. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 28

29 2.4.6 Kάποιος συνάδελφός σας είχε αμφισβητήσει ακόμη και την ανάγκη ύπαρξης του αερόσακου συνοδηγού... Δέχομαι ότι η πιθανότητα να έρθει σε επαφή ο συνοδηγός με το ταμπλό είναι μικρή, όμως ο αερόσακος έχει και άλλους ρόλους: Tην ομοιόμορφη κατανομή δύναμης στο σώμα του επιβάτη, τη συγκράτηση του κεφαλιού που τείνει να κινηθεί προς τον θώρακα και σε μικρότερο βαθμό την προστασία από τα θραύσματα γυαλιού Tί θα συμβουλεύατε τους οδηγούς που θέλουν να κινηθούν με ασφάλεια; Nα φορούν πάντοτε τη ζώνη ασφαλείας, καθώς οι μελέτες έχουν δείξει ότι η πιθανότητα τραυματισμού με ζώνη μειώνεται κατά 50%. Άλλωστε, οι αερόσακοι και όλα *Πρόκειται για την Ανεξάρτητη Ένωση Δοκιμών, όπου μετέχουν κυβερνήσεις πέντε ευρωπαϊκών κρατών, τρεις σύνδεσμοι αυτοκινήτου και η Διεθνής Ένωση Καταναλωτών. τα υπόλοιπα συστήματα ασφαλείας, στην ουσία, συμπληρώνουν τις ζώνες ασφαλείας. - N.K. 2.5 Ηλεκτρονική ασφάλεια Υψηλός δείκτης προστασίας «Μπορώ να σας παρουσιάσω το απόλυτα ασφαλές αυτοκίνητο, ακόμα και αύριο αν θέλετε, πρώτα όμως θα πρέπει να σχεδιάσουμε τον απόλυτα σωστό οδηγό» είπε κάποτε ο Μπερνάρ Ντιμά, διευθυντής συντονισμού των ερευνητικών προγραμμάτων της Renault. Αφού όμως δεν μπορούν να σχεδιάσουν τον ασφαλή οδηγό, προσπαθούν να σχεδιάσουν ασφαλή αυτοκίνητα και να τα εφοδιάσουν με ηλεκτρονικά συστήματα ενεργητικής ασφάλειας, που βοηθούν στην αποφυγή του ατυχήματος, ή και παθητικής τα οποία θα προστατεύσουν τους επιβάτες όταν συμβεί το μοιραίο. H διαφορά τους είναι ο βαθμός συμμετοχής των επιβατών. Αρκεί να φορέσουν τις ζώνες ασφαλείας και τα συστήματα παθητικής ασφάλειας αναλαμβάνουν να τους προστατεύσουν, στο πλαίσιο που έχουν σχεδιαστεί. Αυτό σε καμιά περίπτωση δεν σημαίνει ότι αποκλείεται τραυματισμός ή θάνατος. Αντίθετα, τα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας απαιτούν τη συμμετοχή του οδηγού και τη συνετή συμπεριφορά του. ABS, ESP και λοιποί συγγενείς. Ενα από τα θεμελιώδη σύγχρονα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας είναι το ABS (Antilock Braking System), που αποτρέπει το μπλοκάρισμα των τροχών στο φρενάρισμα. Είναι θεμελιώδες διότι στους αισθητήρες και τη λειτουργία του βασίζονται αρκετά ακόμα συστήματα ενεργητικής ασφάλειας. Το ABS εμφανίστηκε σε αεροπλάνα και τρένα από τη δεκαετία του 60. Το 1978 τοποθετήθηκε από την Bosch σε αυτοκίνητο παραγωγής -το Mercedes 350S- και λίγο αργότερα στην BMW Σειρά 7. Από το 2004 είναι υποχρεωτικό να υπάρχει σε όλα τα νέα αυτοκίνητα που κυκλοφορούν στην Ε.Ε ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 29

30 Βασικός σκοπός του ABS δεν είναι μόνο η μείωση της απόστασης φρεναρίσματος (άλλωστε σε χώμα ή χιόνι μεγαλώνει) αλλά η δυνατότητα του οδηγού να «έχει τιμόνι». Ο- ταν σε απότομο φρενάρισμα μπλοκάρουν οι τροχοί το αυτοκίνητο γλιστράει μέχρι να α- κινητοποιηθεί, χωρίς να υπακούει στο τιμόνι. Οσο πιο μεγάλος είναι ο συντελεστής τριβής των ελαστικών στην άσφαλτο και όσο πιο μικρό το ποσοστό της ολίσθησης των τροχών, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση φρεναρίσματος. Οταν μπλοκάρει ένας ή περισσότεροι τροχοί το ABS παρεμβαίνει -με τους ειδικούς αισθητήρες του- και μειώνει την πίεση που ασκείται στους συγκεκριμένους τροχούς, μέχρις ότου ξαναβρούν την πρόσφυσή τους και ξαναρχίσουν να φρενάρουν κανονικά υπακούοντας, παράλληλα, στο τιμόνι. Ολα αυτά είναι αρκετά πολύπλοκα και ελέγχονται από προγράμματα που υπάρχουν στον ηλεκτρονικό εγκέφαλο του ABS και δίδουν εντολές στην υδραυλική του μονάδα από την οποία ρυθμίζεται η τελική υδραυλική πίεση που θα φθάσει στις δαγκάνες των δισκοφρένων ή τα κυλινδράκια των ταμπούρων. Γι αυτό άλλωστε υπάρχει το γνωστό τρέμουλο στο πεντάλ του φρένου. Προσοχή! Δεν πρέπει να αφήσουμε και να ξαναπατήσουμε γιατί η όλη διαδικασία θα υπολογιστεί από την αρχή με αποτέλεσμα χάσιμο χρόνου και μέτρων! Συνεχίζουμε να πατάμε το φρένο δυνατά. To πρόγραμμα που καθορίζει τον τρόπο και το ρυθμό παρέμβασης του ABS διαφέρει από κατασκευαστή σε κατασκευαστή αλλά ακόμη και από μοντέλο σε μοντέλο του ίδιου κατασκευαστή αυτοκινήτου. Ένα π.χ. σπορ Clio RS θέλει άλλου είδους παρέμβαση απ ό,τι το απλό οικογενειακό Clio. Επίσης, άλλο προγραμματισμό θέλει ένα τζιπ που κινείται όχι μόνο σε άσφαλτο, αλλά και σε χώμα ή χιόνι, κι άλλο ένα αυτοκίνητο που προορίζεται μόνο για άσφαλτο. Συμπληρωματικό του ABS είναι το BAS ή Brake Assist System. Μόλις διαγνώσει την αρχή απότομου φρεναρίσματος πανικού, ασκεί στο υδραυλικό κύκλωμα των φρένων τη μέγιστη δυνατή δύναμη, κάτι που δεν μπορεί να κάνει ο οδηγός διότι είναι άνθρωπος και όχι μηχανή. Το CBC (Cornering Brake Control) ελέγχει την κατανομή ι- σχύος των φρένων κατά το φρενάρισμα στις στροφές και το EBD (Electronic Brake Distribution) φροντίζει για την κατανομή της δύναμης του φρεναρίσματος σε κάθε τροχό ξεχωριστά, ανάλογα με το επίπεδο πρόσφυσης. Μέχρι πρότινος αυτό γινόταν μηχανικά. Το ΑBS, χάρη στη δυνατότητά του να φρενάρει μεμονωμένα όποιον τροχό σπινάρει, μπορεί και υποκαθιστά (εν μέρει και όχι πάντα επιτυχημένα) τη λειτουργία του μπλοκέ διαφορικού ή περιορισμένης ολίσθησης. Η εξέλιξη του ABS έφερε τα συστήματα TCS (Tracion Control System) που εμποδίζουν τους κινητήριους τροχούς να σπινάρουν σε απότομη επιτάχυνση ή ολισθηρές επιφάνειες. Ακόμη πιο σημαντική εφαρμογή των αρχών λειτουργίας και των αισθητήρων του ABS γίνεται στα συστήματα ελέγχου της δυναμικής συμπεριφοράς του αυτοκινήτου ESP (Εlectronic Stability Program). Θα είναι υποχρεωτικό σε όλα τα οχήματα που θα κυκλοφορήσουν στην Ε.Ε. από το Χάρη στο γυροσκοπικό μηχανισμό που διαθέτει είναι σε θέση να ελέγχει το αυτοκίνητο ως προς τον κατακόρυφο άξονα. Όταν διαπιστωθεί τάση για υποστροφή (άνοιγμα της τροχιάς τού εμπρός μέρους προς το εξωτερικό της στροφής) ή υπερστροφή (άνοιγμα της τροχιάς τού πίσω μέρους προς το εξωτερικό της στροφής), τότε επεμβαίνει στα φρένα ή και στον κινητήρα για να επαναφέρει το αυτοκίνητο σε ασφαλή πορεία. Όπως καταλαβαίνετε, σήμερα η εξέλιξη του αυτοκινήτου είναι μια συνεχής εξέλιξη της ενεργητικής ασφάλειας: Φρένα, ενεργητικές αναρτήσεις, συστήματα cruise control ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 30

31 με ραντάρ για να κρατούν σταθερή την προκαθορισμένη απόσταση από τα προπορευόμενα οχήματα επιταχύνοντας και φρενάροντας το όχημα αυτόματα, φώτα, ανιχνευτές ύπνου, εργονομικά καθίσματα, ενημέρωση για ακούσια αλλαγή λωρίδας είναι μερικά από αυτά. Παράλληλα εξελίσσονται συστήματα επικοινωνίας μεταξύ των αυτοκινήτων τα οποία θα είναι διαθέσιμα σε λίγα χρόνια. Αν, δηλαδή, έπειτα από μια τυφλή στροφή υπάρχει πάγος και κάποιο όχημα φρενάρισε και ενεργοποιήθηκαν τα διάφορα ABS, ΕSP κ.λπ. θα μπορούν να στέλνουν σήμα στα ανάλογα συστήματα των αυτοκινήτων που πλησιάζουν για ενημέρωση του οδηγού! 2.6 ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ Είναι μαλακό, ελαφρύ, ακριβό και «δύσκολο» στην παραγωγή του. Δεν σκουριάζει, αλλά «κουράζεται», με τον καιρό, στις εναλλασσόμενες καταπονήσεις. Η παρουσία του στο χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της σπατάλης φυσικών πόρων: σε αυτό βασίστηκε, αρχικά, η προσπάθεια των κατασκευαστών για ελαφρύτερα εξαρτήματα άρα ελαφρύτερα αυτοκίνητα και, επομένως, μειωμένη κατανάλωση πριν από τη μαζική επέλαση των πλαστικών. Το αλουμίνιο δεν είναι παίξε-γέλασε: για πολλούς αποτελεί το υλικό του μέλλοντος για τα αμαξώματα αυτοκινήτων. Ωστόσο, το αλουμίνιο, ως υλικό κατασκευής αμαξωμάτων αυτοκινήτων, είναι μαζί μας εδώ και πολύ καιρό. Τα «Ασημένια Βέλη» της Μερτσέντες, πριν από περίπου μισόν αιώνα, ονομάστηκαν έτσι από το γυμνό αλουμίνιο μέσα στο οποίο ήταν «αμπαλαρισμένα». Τα πριτσινωμένα Λαντ Ρόβερ έγραψαν ιστορία στους λασπόδρομους και τις ερήμους της πάλαι ποτέ βρετανικής αυτοκρατορίας, πριν γίνουν σύμβολα πλουτοκρατίας αραγμένα σε κοσμικές πλατείες και φυσικά εξακολουθούν να έχουν αμάξωμα από αλουμίνιο (τα κλασικά Defender). Η τελευταία πενταετία χαρακτηρίζεται από την εντυπωσιακή αύξηση της χρήσης του αλουμινίου στην αυτοκινητοβιομηχανία, η οποία έφτασε το 80%. Σύμφωνα με την Αμερικανική Ένωση Αλουμινίου, το 1996 η χρήση του συγκεκριμένου μετάλλου στην αυτοκινητοβιομηχανία έφτασε τα 1,6 εκατομμύρια τόνους, ενώ είναι ιδιαίτερα σημαντικό ότι το 58% της ποσότητας αυτής προέρχεται από ανακυκλωμένο αλουμίνιο Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΚΑΙ ΟΙ ΝΕΕΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Το μεγαλύτερο μέρος του υλικού απορροφάται στην κατασκευή κινητήρων περίπου 540 εκατομμύρια τόνοι στην κατασκευή τμημάτων μετάδοσης, όπως κελύφη κιβωτίων, σώματα υδραυλικών βαλβίδων κτλ., και στην κατασκευή τμημάτων της ανάρτησης, όπως τα ψαλίδια και οι βραχίονες στις νέες BMW και το Αουντι Α8. Από εκεί και πέρα, ιδιαίτερα μεγάλη κατανάλωση υπάρχει στην κατασκευή ορισμένων εξαρτημάτων, που παραδοσιακά κατασκευάζονται από αλουμίνιο, όπως οι τροχοί αλλά και τα ψυγεία και οι εναλλάκτες θερμότητας. Η χρήση του στην κατασκευή τμημάτων του αμαξώματος, καθώς και του αποφερόμενου πλαισίου, όπως στην περίπτωση του Α8 της Audi, εξαρτάται από την εξέλιξη των τεχνολογιών παραγωγής. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 31

32 Το Panoz AIV Roadster του 1996 αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα μιας νέας τεχνολογίας. Με την ονομασία RHT (Retrogression Heat Treatment) είναι εφικτή η παραγωγή και οι συνδέσεις ενός αλουμινένιου πλαισίου χωρίς συγκολλήσεις ή χρήση ειδικής κόλλας. Με τον τρόπο αυτόν, επιτυγχάνεται ταχύτερη και αποδοτικότερη συναρμολόγηση, έτσι ώστε το διάστημα παραγωγής ενός μικρού σπορ αυτοκινήτου να μη διαφέρει από αυτό ενός αυτοκινήτου μαζικής παραγωγής. Τα τμήματα από χάλυβα του αυτοφερόμενου πλαισίου έχουν αντικατασταθεί από αλουμινένια ελάσματα τα οποία συνδέονται με πρεσάρισμα, ενώ τα καμπυλωτά τμήματα μορφοποιούνται με τη μέθοδο RHT. Το πλαίσιο «κλείνει» με ένα χαλύβδινο πλαίσιο, ενώ συμπληρώνεται με αλουμινένιες πλάκες, με αποτέλεσμα το αλουμίνιο να καλύπτει, εντέλει, το 65% της κατασκευής. Το βασικότερο πρόβλημα, όμως, του αλουμινίου είναι το υψηλό του κόστος, μιας και κοστίζει τέσσερις φορές περισσότερο από το χάλυβα. Από την άλλη, όμως, η χρήση του επεκτείνεται όσο η τιμή του στην αγορά σταθεροποιείται, όσο βελτιώνονται οι μέθοδοι συγκόλλησής του και εφαρμόζονται πιο εύκολοι τρόποι μορφοποίησης. 2.7 ΑΛΟΥΜΙΝIΟ ΕΝΑΝΤΙΟΝ ΧΑΛΥΒΑ Εδώ και λίγα χρόνια, η Αουντι με το Α8 αποδεικνύει ότι η «αίσθηση στιβαρότητας» (που δεν είναι άλλο από την ικανότητα απόσβεσης ιδιοσυχνοτήτων του αμαξώματος) δεν είναι απαραίτητο να επιτευχθεί με το φόρτωμα κιλών λαμαρίνας στο αμάξωμα αλλά, απλώς, με την αλλαγή υλικού λαμαρίνας. Γιατί, όμως, αλουμίνιο και όχι παραδοσιακό χάλυβα; Το ειδικό βάρος ενός τυπικού κράματος αλουμινίου είναι περίπου 2,7 gr/cm3, ενώ του χάλυβα 7,86: βλέπουμε ότι το αλουμίνιο είναι περίπου 3 φορές ελαφρύτερο. Η αντοχή, αντίστοιχα, του χάλυβα (ανά μονάδα μάζας) είναι 2-2,5 φορές μεγαλύτερη. Έτσι, από πρώτη άποψη, βλέπουμε ότι, με τη χρήση αλουμινίου, μπορεί να κερδηθεί κάποιο βάρος, αν ξεχάσουμε τον παράγοντα κόστος. Σε «βάρος με βάρος» όμως σύγκριση, το αλουμίνιο υπερτερεί του χάλυβα σε σημαντικότερους τομείς και εκεί είναι όπου εμφανίζονται τα μεγάλα κέρδη. Για παράδειγμα, ο ρόλος ενός αμαξώματος δεν είναι μόνο να κρατά τους τέσσερις τροχούς σε σταθερές αποστάσεις μεταξύ τους εμφανίζοντας μια προκαθορισμένη ελαστική (ή όχι) παραμόρφωση σε ένα συγκεκριμένο φορτίο. Αν ίσχυε κάτι τέτοιο, όλα τα αυτοκίνητα θα είχαν τις λαμαρίνες ενός 2CV και το βάρος θα ήταν, έτσι κι αλλιώς, ε- λαχιστοποιημένο, προς όφελος των επιδόσεων και της κατανάλωσης, ανεξάρτητα (σχεδόν) από το αν το υλικό θα ήταν ατσάλι ή αλουμίνιο. Σε ένα αυτοκίνητο με «κλάση» α- νώτερη από το γαλλικό ασχημόπαπο, που, έτσι κι αλλιώς, έχει περάσει στην ιστορία, ο ρόλος του αμαξώματος είναι να αποβαίνει «εσωτερικά» τους κραδασμούς από το δρόμο και τον κινητήρα με ένα ορισμένο τρόπο που προσδίδει την αίσθηση της στιβαρότητας για παράδειγμα, ακόμα και το κλείσιμο στις πόρτες πρέπει να θυμίζει χρηματοκιβώτιο: αυτός είναι ο ένας από τους δύο λόγους που τα αμαξώματα φορτώνονται με κιλά, έ- τσι ώστε η επιπλέον μάζα μετάλλου να παίζει το ρόλο ενός συνολικού αποσβεστήρα. Ο άλλος, βέβαια, είναι η πολυσυζητημένη παθητική ασφάλεια στην οποία γίνεται εκτενής αναφορά πιο κάτω. Το αλουμίνιο, εδώ, σε σύγκριση με το χάλυβα... σκίζει! Και χρειάζονται πολύ λιγότερα «πρόσθετα κιλά» για να επιτευχθεί το προσδοκώμενο αποτέλεσμα. Με όλα αυτά, δεν είναι απορίας άξιο το γεγονός ότι ένα αμάξωμα «κορυφαίας κλάσης» από αλουμίνιο, όπως αυτό του Αουντι Α8, είναι το λιγότερο 140 κιλά ελαφρύ- ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 32

33 τερο από τον άμεσο ανταγωνισμό για την επίτευξη ίσου επιπέδου δυναμικής συμπεριφοράς. Κι ας μην ξεχνάμε εδώ ότι το αμάξωμα αποτελεί ένα κλάσμα του συνολικού βάρους του αυτοκινήτου, οπότε αυτά τα συνολικά κιλά κέρδους αποκτούν άλλη διάσταση, ιδιαίτερα στον τομέα της οδικής συμπεριφοράς. Οι επιδόσεις και η κατανάλωση, με τη μείωση του βάρους, είναι φυσικό επόμενο να βελτιωθούν. Όλα αυτά, όμως, σε θεωρητικό επίπεδο, δεδομένου ότι το παιχνίδι, εκεί, εξακολουθεί να παίζεται κυρίαρχα στη σχεδίαση των θαλάμων καύσης και το ηλεκτρονικό μάνατζμεντ. Βέβαια, αν η πορεία είναι σε ορεινούς δρόμους, το αποτέλεσμα (και το πλεονέκτημα του αλουμινίου) γίνεται, εντέλει, φανερό ΑΟΥΝΤΙ Α8 ΑΠΟΔΕΙΞΗ ΟΤΙ Η ΜΑΖΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΙΝΑΙ ΔΥΝΑΤΗ. Η πρωτοπορία στην κατασκευή μαζικά παραγόμενων αυτοκινήτων εξ ολοκλήρου από αλουμίνιο ανήκει δικαιωματικά στην Αουντι. Η εταιρεία που στην αρχή της δεκαετίας του 1980 κέρδιζε με την τότε ναυαρχίδα της, το 100, τον τίτλο του κατασκευαστή με τα πιο αεροδυναμικά αμαξώματα, το 1994 πήρε πάλι την πρωτιά στην καθολική χρήση του αλουμινίου, πάλι με μια ναυαρχίδα της, το Αουντι Α8. Η γερμανική εταιρεία, όμως, δεν επαναπαύθηκε, και έτσι φέτος η προσπάθεια, που ξεκίνησε με το Α8, συνεχίζεται με το πολύ πιο προσιτό πολυμορφικό Α2. Σίγουρα, το πιο ενδιαφέρον σημείο του Α8 είναι το αμάξωμά του που είναι κατασκευασμένο από αλουμίνιο. Στο αμάξωμα αυτό, ακόμα και οι επίπεδες επιφάνειες «παραλαμβάνουν» μέρος των φορτίων. Το αυτοφερόμενο πλαίσιο είναι κατασκευασμένο από ράβδους σε μία ποικιλία διατομών που έχουν κατασκευαστεί από αλουμίνιο με εξέλαση. Οι ράβδοι αυτές συνδέονται μεταξύ τους με ειδικούς, επίσης αλουμινένους, συνδέσμους, χυτευμένους εν κενώ. Το αποτέλεσμα είναι ένα χωροδικτύωμα που σχηματίζει ένα κλειστό κέλυφος. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα του αλουμινίου, σύμφωνα με τους μηχανικούς της Αουντι, είναι τα ακόλουθα: Η μείωση του βάρους του αμαξώματος, που έχει αποτέλεσμα τη βελτίωση της κατανάλωσης,των επιδόσεων και της οδικής συμπεριφοράς. Η μορφή του αλουμινένιου πλαισίου δημιουργεί έναν ιδιαίτερα άκαμπτο κλωβό ασφαλείας για τους επιβάτες και επιτρέπει τη βέλτιστη σχεδίαση των ζωνών ελεγχόμενης παραμόρφωσης στο εμπρός και το πίσω τμήμα του αυτοκινήτου. Η μεγάλη ακαμψία της ελαφριάς αλουμινένιας κατασκευής μειώνει τη διάδοση των ταλαντώσεων και του θορύβου, ενώ, ταυτόχρονα, βελτιώνει τη συμπεριφορά του αυτοκινήτου στις στροφές Το αλουμίνιο είναι ένα «οικολογικό» υλικό. Συμβάλλει στην εξοικονόμηση ενέργειας για την κίνηση του αυτοκινήτου και, ταυτόχρονα, ανακυκλώνεται εύκολα, αν απομακρυνθούν οι ξένες προς αυτό ουσίες. Η ενέργεια που απαιτείται για την ανακύκλωση του αλουμινίου είναι πολύ μικρότερη από αυτήν που χρειάζεται για την παραγωγή νέου αλουμινίου, αλλά και για την παραγωγή χάλυβα. Έτσι, όταν θα έχει κατασκευαστεί σημαντικός αριθμός αλουμινένιων αυτοκινήτων και θα αρχίσουν να ανακυκλώνονται, η ωφέλεια μπορεί να είναι μεγάλη. Όμως, και τώρα που βρισκόμαστε στην αρχή, υπολογίζεται ότι η παραπάνω ενέργεια που απαιτείται για την κατασκευή ενός αλουμινένιου αυτοκινήτου εξοικονομείται μετά από χιλιόμετρα, λόγω της μειωμένης του κατανάλωσης. Όπως είπαμε, το αλουμινένιο πλαίσιο σχηματίζει γύρω από τους επιβάτες έναν ισχυρό κλωβό ασφαλείας, ενώ ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 33

34 τα διαμήκη μέλη που αποτελούν τις ζώνες ελεγχόμενης παραμόρφωσης μπορούν να αντικατασταθούν εύκολα, αφού συνδέονται με βίδες στο υπόλοιπο πλαίσιο. Ο σχεδιασμός έχει γίνει έτσι, ώστε τα φορτία που αναπτύσσονται κατά τη σύγκρουση να διοχετεύονται στο δάπεδο του ιδιαίτερα άκαμπτου και σταθερού κλωβού. Έτσι επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή παραμόρφωση της καμπίνας των επιβατών, α- κόμα κι όταν αυτή απορροφά μέρος της κινητικής ενέργειας σε ένα σοβαρό ατύχημα. Ανάλογη είναι και η σχεδίαση του πίσω μέρους. Οι ενισχυμένες «κολόνες» και τα φαρδιά «μαρσπιέ» στις πλευρές του αυτοκινήτου, σε συνδυασμό με τις ειδικά σχεδιασμένες και ενισχυμένες πόρτες, βελτιώνουν την πλευρική προστασία των επιβατών. Ένα ακόμα πλεονέκτημα του αλουμινένιου αμαξώματος είναι η εύκολη επισκευή του στις συνήθεις συγκρούσεις. Τα διαμήκη μέλη που αποτελούν τις ζώνες παραμόρφωσης μπορούν να αντικατασταθούν εύκολα, αφού συνδέονται με βίδες στο πλαίσιο. Βιδωτά είναι και τα περισσότερα τμήματα του αμαξώματος. Όμως, σε περιπτώσεις που με τη σύγκρουση μεταβληθεί η γεωμετρία του αμαξώματος και απαιτείται η χρήση συγκόλλησης, η επισκευή πρέπει να γίνει σε ειδικά ε- ξοπλισμένο συνεργείο ΑΟΥΝΤΙ Α2, ΑΛΟΥΜΙΝΕΝΙΟ ΑΜΑΞΩΜΑ ΠΡΟΣΙΤΟ ΣΕ ΠΕΡΙΣΣΟ- ΤΕΡΟΥΣ Το Α2 είναι το επόμενο βήμα στην εξέλιξη του αλουμινένιου αμαξώματος. Πρόκειται για ένα μικρομεσαίο αυτοκίνητο ενός όγκου, το οποίο ζυγίζει μόλις 895 κιλά, 150 κιλά λιγότερα από τους ανταγωνιστές του στην ίδια κατηγορία. Το Α2 είναι σχεδιασμένο με την εμπειρία που έχει αποκτήσει η Αουντι από το Α8. Έτσι, για παράδειγμα, όπως και στο Α8, οι εξωτερικές επιφάνειες του αμαξώματος συμμετέχουν και αυτές στην παραλαβή φορτίων επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων διατομών στις κολόνες, τις δοκούς, το δάπεδο και τα λοιπά «αόρατα» μέλη του αμαξώματος. Όμως, έχουν γίνει και αλλαγές απαραίτητες για να είναι δυνατή η παραγωγή του αυτοκινήτου σε περισσότερες από μονάδες το χρόνο (αντί για , που είναι η ετήσια παραγωγή του Α8). Χάρη στην εξέλιξη της τεχνολογίας του αλουμινίου, έγινε δυνατή η μείωση του αριθμού των τμημάτων από τα οποία αποτελείται το αμάξωμα. Για παράδειγμα, οι μπροστινές κολόνες αποτελούνται από ένα κομμάτι κατασκευασμένο με χύτευση υπό πίεση, αντί να έχουν κατασκευαστεί με συγκόλληση πολλών φύλλων ελάσματος αλουμινίου. Με τον ίδιο τρόπο έχουν κατασκευαστεί και οι δοκοί του πλαισίου της οροφής, ενώ τα πλευρικά πλαίσια είναι μονοκόμματα και έχουν κατασκευαστεί με τη διαδικασία της εξέλασης. Το τελικό αποτέλεσμα είναι ένα αμάξωμα που ζυγίζει 40% λιγότερο από ένα αντίστοιχο συμβατικό. Αυτό θα αποτελέσει τη βάση του οικογενειακού αυτοκινήτου της Αουντι με κατανάλωση μόλις τρία λίτρα ανά 100 χιλιόμετρα, το οποίο έχει ήδη αναγγείλει ο Γερμανός κατασκευστής ΚΑΛΑ, ΠΩΣ ΕΙΝΑΙ ΔΥΝΑΤΟΝ ΝΑ ΑΝΤΕΧΕΙ ΟΣΟ ΚΑΙ ΤΟ ΑΤΣΑΛΙ; Πολλοί, ωστόσο, είναι αυτοί που θα αμφισβητήσουν την προστασία που παρέχει το αλουμίνιο στους επιβάτες στην περίπτωση ενός σοβαρού ατυχήματος. Στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει λόγος για έναν τέτοιο προβληματισμό. Για να γίνει πιο εύκολα κα- ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 34

35 τανοητό το γιατί, πρέπει πρώτα να εξηγήσουμε τον τρόπο με τον οποίο είναι σχεδιασμένα όλα τα σύγχρονα αμαξώματα, ανεξάρτητα από το υλικό κατασκευής τους. Η μεγάλη ανάπτυξη των μικροηλεκτρονικών κυκλωμάτων, η επανάσταση που αυτά έφεραν στο χώρο των ηλεκτρονικών υπολογιστών τη δεκαετία του 80 και οι ραγδαίες εξελίξεις οδήγησαν στο να πάρουν τα αυτοκίνητα τη σημερινή τους μορφή. Η τεράστια υπολογιστική ισχύς που ήταν πλέον διαθέσιμη κατέστησε δυνατό τον αναλυτικό υπολογισμό της δομής των αμαξωμάτων σε ό,τι αφορά στην αντοχή, με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Οι δοκοί του πλαισίου και οι λαμαρίνες των επιφανειών μπορούν πλέον να έχουν διαφορετικό πάχος σε κάθε σημείο, ανάλογα με το μέγιστο φορτίο που αναπτύσσεται στο σημείο αυτό. Με τη μέθοδο αυτήν, που εξελίσσεται διαρκώς και τα αποτελέσματά της βελτιώνονται συνεχώς μέχρι τις μέρες μας, έγινε δυνατή σημαντική εξοικονόμηση βάρους με ταυτόχρονη αύξηση της ακαμψίας των αυτοφερόμενων πλαισίων. Η αυξημένη ακαμψία συντελεί στην καλύτερη συνεργασία πλαισίου-αναρτήσεων, με αποτέλεσμα τη βελτίωση της οδικής συμπεριφοράς. Οι σύγχρονοι υπολογιστές παρέχουν, επίσης, τη δυνατότητα υπολογισμού της πλαστικής παραμόρφωσης συγκεκριμένων τμημάτων του αμαξώματος, που υποχωρούν με προκαθορισμένο τρόπο σε περίπτωση σύγκρουσης, απορροφώντας μεγάλος μέρος της κινητικής ενέργειας και μειώνοντας, με αυτόν τον τρόπο, τις επιβραδύνσεις που αναπτύσσονται άρα και τις καταπονήσεις στα σώματα των επιβατών. Σε μία σοβαρή σύγκρουση, τα φορτία που αναπτύσσονται στο αμάξωμα είναι τόσο μεγάλα, που τα μέλη του αμαξώματος λυγίζουν σε διάφορα σημεία τους, στα οποία σχηματίζονται πλαστικές αρθρώσεις. Έτσι, σχηματίζεται ένας μηχανισμός που λέγεται «μηχανισμός κατάρρευσης» (collapse mechanism). H μορφή αυτού του μηχανισμού ε- ξαρτάται από τα χαρακτηριστικά της κατασκευής, όπως η διατομή των μελών της, η α- ντοχή του υλικού της και η γεωμετρία της. Γι αυτό, η μορφή του μηχανισμού κατάρρευσης μπορεί να προβλεφθεί από πριν με υπολογισμούς. Έτσι, με τους κατάλληλους υ- πολογισμούς, οι μηχανικοί της αυτοκινητοβιομηχανίας μπορούν να σχεδιάσουν το μπροστινό, το πίσω και τα πλαϊνά τμήματα ενός αμαξώματος έτσι, ώστε να παραμορφώνονται με το σχηματισμό ενός συγκεκριμένου μηχανισμού κατάρρευσης. Πρόκειται για τις γνωστές ζώνες παραμόρφωσης. Με αυτόν τον τρόπο, ένα σύγχρονο αμάξωμα είναι χωρισμένο σε δύο ζώνες. Τη ζώνη παραμόρφωσης, που απορροφά την ενέργεια σύγκρουσης, και την άκαμπτη ζώνη, που σχηματίζει έναν κλωβό ασφαλείας γύρω από τους επιβάτες, εξασφαλίζοντας γι αυτούς τον αναγκαίο ζωτικό χώρο. Οι υπολογισμοί αυτοί μπορούν να γίνονται για όλους τους τύπους συγκρούσεων. Για τις μετωπικές και τις συγκρούσεις στο πίσω μέρος, τα πράγματα είναι σχετικά εύκολα, αλλά περιπλέκονται στην περίπτωση των πλευρικών συγκρούσεων. Τα σύγχρονα αμαξώματα, λοιπόν, είναι λεπτότοιχες κατασκευές ακριβείας που αντέχουν στις καταπονήσεις λόγω χρήσης πολύ περισσότερο από ό,τι παλιά (ο όρος ευθυγράμμιση πλαισίου τείνει να εκλείψει), αλλά υποχωρούν σαν χάρτινα στα α- τυχήματα, για να προστατέψουν το πολύτιμο περιεχόμενό τους. Στη σύντομη παρουσίαση της μεθόδου σχεδιασμού που δώσαμε παραπάνω, είδαμε ότι για τον, χιλιοστό προς χιλιοστό, υπολογισμό του πάχους της λαμαρίνας τους από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή, είναι απαραίτητο να είναι γνωστή μία παράμετρος: η αντοχή του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένα. Αν, λοιπόν, αντικαταστήσουμε τις τιμές των ιδιοτήτων ενός κράματος χάλυβα με αυτές ενός κράματος αλουμινίου σε ένα τέτοιο πρόγραμμα, ο ηλεκτρονικός υπολογιστής θα δώσει αποτελέσματα διαστασιολόγησης ενός αλουμινένιου αμαξώματος, σχεδιασμένου με τα ίδια κριτήρια όσον αφο- ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 35

36 ρά στην προστασία των επιβατών. Έτσι, ένα σύγχρονο αμάξωμα από αλουμίνιο σε τίποτα δεν υστερεί από ένα χαλύβδινο στον τομέα της παθητικής ασφάλειας. Αντίθετα υπερέχει, καθώς, κατά την παραμόρφωσή του, εμφανίζει περισσότερες πτυχές (πλαστικές αρθρώσεις) οι οποίες απορροφούν καλύτερα την ενέργεια μιας πιθανής σύγκρουσης. Και στο σχεδιασμό για παθητική ασφάλεια, το ζητούμενο είναι να παραμορφωθεί η ελάχιστη μάζα για μετατροπή συγκεκριμένης ποσότητας κινητικής ενέργειας σε θερμότητα. 2.8.ΛΕΖΑΝΤΕΣ KINHTHPAΣ Η πιο διαδεδομένη χρήση του αλουμινίου στην αυτοκινητοβιομηχανία, ακόμα και σήμερα, είναι στην κατασκευή των κινητήρων. Η χρήση του αλουμινίου δεν περιορίζεται μόνο στην κυλινδροκεφαλή και στο μπλοκ, αλλά και σε πολλά εσωτερικά εξαρτήματα ANAPTHΣH Η μείωση των μη φερόμενων μαζών της ανάρτησης επιδρά θετικά στην οδική συμπεριφορά. Αυτό είναι γνωστό και αποτελεί το κύριο επιχείρημα για όσους επιλέγουν ζάντες αλουμινίου (εκτός βέβαια από τους λόγους αισθητικής). Η ίδια αρχή μπορεί να επεκταθεί και σε πολλά μέρη του συστήματος ανάρτησης. Τα ψαλίδια, οι βραχίονες και οι μικρότεροι σύνδεσμοι της ανάρτησης, αλλά και το κέλυφος της κρεμαγιέρας, η κολόνα του τιμονιού, το κέλυφος του κιβωτίου ταχυτήτων και η εξάτμιση μπορούν να κατασκευαστούν από αλουμίνιο, βελτιώνοντας την οδική συμπεριφορά και εξοικονομώντας βάρος ΠΛAIΣIO Το ενδιαφέρον στην κατασκευή αυτοφερόμενων πλαισίων από αλουμίνιο είναι ότι, ενώ το αλουμίνιο χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για την αρχική του παραγωγή από όση χρειάζεται ο χάλυβας, στη συνέχεια ανακυκλώνεται πολύ πιο εύκολα. Με άλλα λόγια, όσο περισσότερη είναι η διάδοση του αλουμινίου στην αυτοκινητοβιομηχανία, τόσο θα πέφτει το κόστος, μόνο και μόνο από την ανακύκλωση, χωρίς δηλαδή να υπολογίσουμε και τις οικονομίες κλίμακας που γίνονται σε αυτές τις περιπτώσεις POMΠOT H συγκόλληση των τμημάτων του αλουμινένιου χώρο δικτυώματος του A2 γίνεται με λέιζερ, γεγονός που αυξάνει δραστικά την ακρίβεια των κολλήσεων, αλλά και την ταχύτητα συναρμολόγησης ΓPAMMH ΠAPAΓΩΓHΣ ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 36

37 Αλουμίνιο χρησιμοποιείται και σε «συμβατικής» τεχνολογίας αμαξώματα, κυρίως σε τμήματα όπως τα καπό και οι πόρτες του αυτοκινήτου, για λόγους μείωσης του συνολικού βάρους. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 37

38 Κεφάλαιο 3 ΑΦΡΩΔΗ ΜΕΤΑΛΛΑ-ΝΕΑ ΑΦΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ Αφρώδη Υλικά Η επανάσταση των αφρών!! 3.1 Μέθοδοι Παρασκευής Ιδιότητες Εφαρμογές Για τους αναγνώστες του R&D ο όρος αφρός αλουμινίου δεν είναι καθόλου άγνωστος. Ήδη από το πρώτο τεύχος του περιοδικού στα τέλη του 2002 υπήρχε ένα άρθρο αφιερωμένο σε αυτό το νέο πολλά υποσχόμενο υλικό. Το άρθρο λοιπόν που μόλις ξεκινήσατε να διαβάζετε δεν αφορά στην παρουσίαση κάποιας απολύτως νέας τεχνολογίας, αλλά στην εμβάθυνση στην τεχνολογία των αφρωδών υλικών και δη των μεταλλικών αφρών η οποία από το 1998 και έπειτα πραγματοποιεί πραγματικά άλματα. Επίσης από χρηστικής άποψης το συγκεκριμένο άρθρο αποσκοπεί στην ενημέρωση του τεχνικού και μη αναγνώστη σχετικά με μια κατηγορία υλικών η οποία στα α- μέσως επόμενα χρόνια θα κάνει δυναμική είσοδο σε πάρα πολλά προϊόντα όπως είναι τα τροχοφόρα οχήματα, τα αεροπλάνα, τα τεθωρακισμένα οχήματα και άρματα μάχης, τα πλοία και πολλά άλλα. Το πόσο χρήσιμα θεωρούνται τα αφρώδη μεταλλικά υλικά ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 38

39 μπορεί να το διαπιστώσει ο καθένας αν κάνει μια σύντομη αναζήτηση στο διαδίκτυο, όπου υπάρχει πληθώρα μελετών για τη χρήση των μεταλλικών αφρών στην αυτοκινητοβιομηχανία αλλά και ανακοινώσεις τις NASA η οποία κατατάσσει τους αφρούς κραμάτων αλουμινίου και τιτανίου στη λίστα με τα top υλικά που θα καθορίσουν την πορεία της τεχνολογίας στο άμεσο μέλλον. 3.2 Αφροί Μετάλλων Όπως ίσως θυμάστε και από το άρθρο του 1 ου Τεύχους του R&D, όταν μιλάμε για αφρούς μετάλλων, ουσιαστικά δεν μιλάμε για τίποτα περισσότερο ή λιγότερο από ένα κλασικό σφουγγάρι με τη μόνη διαφορά ότι το δομικό υλικό του είναι ένα μέταλλο ή ένα κράμα μετάλλων αντί για μαλακό πλαστικό. Αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό καθώς και ορισμένες μηχανικές ιδιαιτερότητες καθιστούν αυτό το σφουγγάρι ιδανικό υλικός για μια πληθώρα χρήσεων. Το πρώτο φυσιολογικό ερώτημα που μπορεί προκύπτει, σχετίζεται με τον τρόπο που φτιάχνονται αυτά τα μεταλλικά σφουγγάρια. Εδώ λοιπόν είναι που έρχεται η σύγχρονη βιομηχανία και μελετά όλους τους τρόπους παρασκευής αφρών, πορωδών υλικών και σπόγγων και καταλήγει στο συμπέρασμα πως οι μεταλλικοί αφροί είναι δυνατόν να κατασκευαστούν με πάρα πολλούς τρόπους. Δε μένει λοιπόν παρά να χρησιμοποιούμε κάθε φορά τον τρόπο παραγωγής που θέλουμε ανάλογα με τις ιδιότητες που θέλουμε να έχει το τελικό μας προϊόν (με αντίστοιχη αύξηση ή μείωση του κόστους παραγωγής). Ας δούμε λοιπόν εν συντομία με ποιους τρόπους μπορούν να παρασκευαστούν αφρώδη μέταλλα σήμερα. Κυψελωτά υλικά στο μικροσκόπιο. a) Κυψελωτό αλουμίνιο, b) Αφρός πολυαιθυλενίου με κλειστές κυψέλες, c) Αφρός νικελίου με ανοιχτές κυψέλες, d) Αφρώδες γυαλί με κλειστές κυψέλες, e) Αφρός από ζιρκόνιο με ανοιχτές κυψέλες, f) Σύνθετος αφρός με βάση το κολλαγόνο. 3.3 Δημιουργία αφρού σε υγροποιημένα μέταλλα Δημιουργία αφρού σε υγροποιημένα μέταλλα με διοχέτευση αερίου (Cymat / Metcomb). Πρόκειται για μία μέθοδο παραγωγής μεγάλων ποσοτήτων αφρού με σχετικά μικρό κόστος. Αρχικά στο λουτρό τηγμένου αλουμινίου προστίθενται ορισμένες χημικές ουσίες (π.χ οξείδια του μαγνησίου) έτσι ώστε το τήγμα να αποκτήσει το ιδανικό ιξώδες. Στη συνέχεια διοχετεύεται στο λιωμένο μέταλλο αέρας ή αέριο άζωτο μέσω ειδικά διαμορφωμένων περιστρεφόμενων και παλλό- Σχήμα 14 Cymat / Metcomb μενων ακροφυσίων, με αποτέλεσμα τη δημιουργία χιλιάδων φυσαλίδων κατανεμημένων ομοιόμορφα στη μάζα του τήγματος. Οι φυσαλίδες ανέρχονται προς την ελεύθερη ε- πιφάνεια του λουτρού και σχηματίζουν ένα στρώμα στερεού αφρού από αλουμίνιο. Το στρώμα αυτό συλλέγεται και χρησιμοποιείται αυτούσιο ή υπειττυποποιημένων τμημάτων (π.χ πλάκες, ράβδοι κλ.π). Η μέθοδος Cymat είναι προϊόν της καναδικής εταιρείας Cymat Aluminum ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 39

40 Corp. Σημαντικό πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η δυνατότητα χύτευσης αφρωδών υλικών πολύ χαμηλής πυκνότητας σε περίπλοκα σχήματα με ταυτόχρονη δημιουργία μεταλλικής επιδερμίδας καθώς και η δημιουργία σύνθετων αφρών όταν στο διάλυμα προστεθούν κατάλληλα καρβίδια ή οξείδια αλουμινίου, μαγνησίου κ.λ.π. Η μέθοδος Metcomb είναι ουσιαστικά μια απλή εξέλιξη της Cymat η οποία επιτρέπει τη χύτευση περισσότερο πολύπλοκων κομματιών από αφρώδες αλουμίνιο. Ο δεύτερος τροπος για να δημιουργηθεί αφρός σε ένα λουτρό τήγματος μετάλλου είναι η προσθήκη Σχήμα15. Παραγωγή αφρών Alporas ενός παράγοντα ο οποίος στη θερμοκρασία των 680 o C ο οποίος κάτω από ορισμένες συνθήκες θα απελευθερώσει κάποιο αέριο. Στο λουτρό τήγματος λοιπόν αλουμινίου το οποίο βρίσκεται στους 680 o C προστίθεται ασβεστούχο οξείδιο του αλουμινίου (CaAl 2 O 4 ) σε ποσοστό περίπου 1.5% κατά βάρος. Μετά από συνεχή ανάμειξη προστίθεται ο αφρίζων παράγοντας TiH 2 (υδρίδιο του τιτανίου) απελευθερώνει αέριο υδρογόνο δημιουργώντας αφρό αλουμινίου. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται από το 1986 από την ιαπωνική εταιρεία Shinko Wire Co. και έως τώρα η παραγωγή είναι της τάξης των 1000 κιλών αφρού αλουμινίου ημερησίως. Προφανώς οι αφροί Alporas είναι σχετικά ακριβότεροι, ωστόσο το σημαντικό τους πλεονέκτημα είναι το πολύ μεγάλο ποσοστό πόρων που μπορεί να δημιουργηθεί ανά κυβικό μέτρο αφρού (porosity=πορώδες, δηλ. ο αριθμός των πόρων ανά μονάδα όγκου του αφρού) καθώς επίσης και ομοιόμορφη κατανομή των πόρων. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 40

41 Σχήμα 16. Αφροί τύπου ALPORAS με κλειστές κυψέλες Ευτηκτική στερεοποίηση μετάλλου αερίου (Gasar/Lotus). Πρόκειται για μια μέθοδο που πρωτοεμφανίστηκε πριν από περίπου 15 χρόνια από Ρώσους ερευνητές. Εδώ, το λουτρό τηγμένου μετάλλου συμπιέζεται με τη βοήθεια αερίου (π.χ. υδρογόνο ή ήλιο) στα 50bar περίπου. Στη συνέχεια μειώνεται σταδιακά η θερμοκρασία μέχρι να πέσει κάτω από το σημείο τήξης. Το αέριο παγιδεύεται λοιπόν στο εσωτερικό του στερεού πλέον μετάλλου υπό μορφή μακρόστενων φυσαλίδων (που μοιάζουν με καρπούς λωτού Lotus ). Κάτω λοιπόν από κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας,πίεσης, χημικής σύστασης τήγματος, ταχύτητας και διεύθυνσης ψύξης κατασκευάζεται με αρκετά υψηλό κόστος ένα είδος μεταλλικού αφρού με λίγες, είναι αλήθεια, πρακτικές εφαρμογές λόγω της ανομοιομορφίας των πόρων και της δυσκολίας ελέγχου της αφροποίησης. 3.4 Δημιουργία μεταλλικών αφρών μέσω προσχηματισμένων αφριζόντων παραγόντων Δημιουργία αφρού από τήγμα μίγματος κόνεων (Foaminal/Alulight). Η διαδικασία ξεκινά με την επιλογή της κατάλληλης πούδρας μετάλλου, ή κράματος η οποία θα αποτελέσει τη βάση του αφρώδους υλικού. Στη συνέχεια επιλέγεται πούδρα από έναν αφρίζοντα παράγοντα (π.χ. μεταλλοϋδρίδιο) η οποία και αναμιγνύεται με τη βασική πούδρα δημιουργώντας ένα πλήρως ομογενοποιημένο μίγμα. Ακολουθεί η ισχυρή συμπίεση του μίγματος έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα σύνθετο στερεό που έχει περίπου τη μορφή των MMCs μόνο που αντί για καρβίδια, το μέταλλο περιέχει υδρίδια. Τέλος το αντικείμενο θερμαίνεται έως το σημείο τήξης του βασικού ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 41

42 μετάλλου, κατά την οποία και ο παράγοντας απελευθερώνει αέριο σχηματίζοντας αφρό μετάλλου. Η τεχνική αυτή είναι αρκετά οικονομική και επιτυγχάνει υψηλές τιμές πορώδους. Η μέθοδος αυτή βρίσκεται στο στάδιο της περιορισμένης παραγωγής και εξελίσσεται συνεχώς, κυρίως από ορισμένες γερμανικές εταιρείες όπως είναι η Schunk, η Karmann και η ALM (applied Light-weight Materials). Τα προϊόντα των εταιρειών αυτών κυκλοφορούν με τις ονομασίες Alulight, Foam-in-Al και AFS (Aluminum Foam Sandwich) Δημιουργία αφρού με τήξη 2 σταδίων μίγματος κόνεων (Thixofoam). Η βάση της μεθόδου αυτής είναι παρόμοια με την προηγούμενη, μόνο που πλέον η αρχική σταθεροποίηση του μίγματος πούδρας μετάλλου και αφροποιητικού παράγοντα δεν γίνεται μόνο με συμπίεση αλλά και με τήξη. Η κατάλληλη λοιπόν επιλογή αφροποιητικών παραγόντων επιτρέπει την κανονική τήξη και χύτευση του μίγματος χωρίς τη δημιουργία αφρού. Στη συνέχεια και ενώ το αντικείμενο είναι ακόμα στο καλούπι του ακολουθεί ισχυρή θέρμανση (πολύ παραπάνω από το σημείο τήξης του βασικού μετάλλου) η οποία ενεργοποιεί τον αφροποιητικό παράγοντα ο οποίος εκλύει αέριο μετατρέποντας το μέχρι πρότινος συμπαγές στερεό σε μεταλλικό αφρό. Με τη μέθοδο αυτή επιτυγχάνεται η πολύ καλή ομογενοποίηση του αφρού και η δημιουργία σχεδόν όμοιων φυσαλίδων σε όλη τη μάζα του αντικειμένου Δημιουργία αφρού σε τήγμα μετάλλου με χρήση ρινισμάτων υ- δριδίων (Formgrip/Formcarp). Με αυτή τη μέθοδο παρακάμπτεται η ανάγκη χρήσης πούδρας από το βασικό μέταλλο, αλλά ακόμα και από τον αφροποιητικό παράγοντα. Σε λιωμένο λοιπόν μέταλλο (κυρίως αλουμίνιο) προστίθεται ρινίσματα υδριδίου του τιτανίου και το μίγμα αναδεύεται συνεχώς έτσι ώστε να επιτευχθεί πλήρης ομογενοποίηση. Κατά τη διάρκεια της ανάδευσης το μίγμα ψύχεται και στερεοποιείται εγκλωβίζοντας τα ρινίσματα του υδριδίου. Στη συνέχεια ακολουθείται η έντονη θέρμανση του στερεού μίγματος (όπως και στην περίπτωση του Thixofoam) η οποία οδηγεί στην εκ νέου τήξη του βασικού μετάλλου και την απότομη έκλυση υδρογόνου από το υδρίδιο. Η μετέπειτα στερεοποίηση του μετάλλου παράγει το επιθυμητό αφρώδες υλικό. Η μέθοδος αυτή έχει αρκετά πλεονεκτήματα όσον αφορά το κόστος και την ευκολία παραγωγής, ωστόσο είναι αρκετά δύσκολο να παραχθούν τελείως ομοιόμορφα αφρώδη μεταλλικά τεμάχια ενώ είναι δύσκολο να ελεγχθεί το μέγεθος καθώς και το σχήμα των παραγόμενων φυσαλίδων. Ορισμένες φορές όταν τα ρινίσματα του υδριδίου είναι πολύ μικρά απαιτείται η προσθήκη ενός σταθεροποιητικού υλικού (π.χ. SiC) έτσι ώστε να α- ποτραπεί η απότομη έκλυση υδρογόνου η οποία μπορεί να δημιουργήσει μεγάλα κενά στη μάζα του τεμαχίου. Η διαφορά του Formgrip από του Formcarp αφορά μόνο ένα ε- πιπλέον πρόσθετο (το CaCO 3 ) που χρησιμοποιείται στη διαδικασία παραγωγής του Formcarp το οποίο οξειδώνει την επιφάνεια των φυσαλίδων δημιουργώντας ένα προστατευτικό στρώμα οξειδίων. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 42

43 3.4.4 Δημιουργία αφρού μέσω των παραγομένων αερίων κατά τη παραγωγική διαδικασία. Ένα από τα προβλήματα που προκύπτουν κατά τις διαδικασίες παραγωγής μεταλλικών αφρών μέσω αφριζόντων παραγόντων (π.χ. υδρίδια) είναι η ακαριαία απελευθέρωση του αερίου από το υδρίδιο όταν το τήγμα του μετάλλου βρίσκεται σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Αυτό το γεγονός περιορίζει τη χρήση των περισσότερων από τις παραπάνω τεχνικές στη δημιουργία αφρών αλουμινίου και άλλων παρεμφερών κραμάτων με χαμηλό σημείο τήξης. Για τη δημιουργία λοιπόν μεταλλικών αφρών από περισσότερο δύστηκτα υλικά έχουν επινοηθεί ορισμένες διαφορετικές τεχνικές. Μία από αυτές, χρησιμοποιεί τις διάφορες ουσίες που βρίσκονται αναμεμιγμένες στο λιωμένο μέταλλο καθώς επίσης και τη θερμότητα του τήγματος για την πραγματοποίηση χημικής αντίδρασης από την οποία θα εκλυθεί αέριο. Έτσι λοιπόν για τη δημιουργία αφρού από χάλυβα, προστίθεται στον λιωμένο χάλυβα ένα οξείδιο του σιδήρου και σκόνη άνθρακα. Η αντίδραση των δυο αυτών συστατικών (ατελής κάυση) δημιουργεί αέριο μονοξείδιο του άνθρακα το οποίο δρα ως αφροποιητικός παράγοντας. Παρόμοια διαδικασία χρησιμοποιείται και για την παρασκευή ορισμένων περισσότερο ειδικών κραμάτων του αλουμινίου όπως είναι το Al-Ni. Τα μοναδικά στοιχεία που μεταβάλλονται είναι οι συστάσεις και οι αναλογίες των διαφόρων ουσιών που προστίθενται στο βασικό λιωμένο μέταλλο. 3.5 Οι ιδιότητες και εφαρμογές των αφρών Όλα τα παραπάνω αφορούν τις διαδικασίες που ακολουθούν οι ερευνητές ή οι βιομηχανίες για να δημιουργήσουν αφρώδη μεταλλικά αντικείμενα και ιδιαίτερα αντικείμενα από αφρώδες αλουμίνιο και διάφορα κράματα αυτού. Γιατί όμως ενδιαφέρεται τόσος πολύς κόσμος για την παραγωγή αφρού αλουμινίου; Το μυστικό είναι οι εκπληκτικές ιδιότητες των προϊόντων αυτής της οικογένειας των μεταλλικών αφρών. Η βασικότερη και προφανέστερη ιδιότητα των μεταλλικών αφρών αφορά το ειδικό βάρος τους. Όλα λοιπόν τα αφρώδη μεταλλικά υλικά είναι πολύ ελαφριά, ή καλύτερα λίγη μάζα μετάλλου καταλαμβάνει πολύ μεγάλο όγκο. Ορισμένοι μεταλλικοί αφροί δε, έχουν πυκνότητα πολύ μικρότερη της μονάδας συνεπώς μπορούν να επιπλέουν στο νερό. Τέλος όλοι οι μεταλλικοί αφροί παρουσιάζουν πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα ενώ ταυτόχρονα είναι και άριστα ηχομονωτικά. Τα καλύτερα όμως ακολουθούν στη συνέχεια... Όταν προσπαθήσουμε με μια πρέσα να συμπιέσουμε ένα αφρώδες μεταλλικό τεμάχιο διαπιστώνουμε πως η παραμόρφωση ξεκινά όταν εφαρμοστεί αρκετά μεγάλη δύναμη, κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης και μέχρι να συμπιεστεί το τεμάχιο κατά 60% περίπου, η ασκούμενη δύναμη παραμένει σταθερά υψηλή. Ενώ έπειτα από το 60% της παραμόρφωσης ο αφρός αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν συμπαγές μέταλλο. Ας μελετήσουμε όμως λίγο καλύτερα τη συγκεκριμένη ιδιότητα και τα οφέλη της. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 43

44 Πίνακας 2. Ειδικό βάρος Μεταλλικών Αφρών 3.6 Αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης Σχήμα 17. Αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης Όταν μιλάμε για παθητική ασφάλεια στα οχήματα, ουσιαστικά εννοούμε την κατάλληλη σχεδίαση των οχημάτων έτσι ώστε σε περίπτωση σύγκρουσης ένα μεγάλο κομμάτι του οχήματος να καταρρέει (με συγκεκριμένο τρόπο) απορροφώντας την κινητική ενέργεια της σύγκρουσης. Την ίδια στιγμή ο χώρος των επιβατών πρέπει να διατηρείται όσο το δυνατών ανέπαφος και λειτουργικός. Προφανώς υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που μπαίνουν στο παιχνίδι της παθητικής ασφάλειας, όπως είναι ο τρόπος επιβράδυνσης των επιβατών κ.λ.π αλλά όλα αυτά είναι μια άλλη ιστορία. Ας γυρίσουμε λοιπόν πάλι στις λαμαρίνες, τόσο αυτές που πρόκειται να διαλυθούν όσο και αυτές που πρέπει να μείνουν ανέπαφες. Ποιο είναι λοιπόν το πρόβλημα όλων όσων εμπλέκονται στο σχεδιασμό οχημάτων και ιδιαίτερα των συστημάτων παθητικής ασφάλειας αυτών; Το βασικότερο πρόβλημα είναι η μεταβαλλόμενη (μη σταθερή) συμπεριφορά των μεταλλικών μερών των οχημάτων κατά την κατάρρευσή τους λόγω της σύγκρουσης. Τα συνήθη δηλαδή μεταλλικά προφίλ έχουν σημαντική αντοχή στη συμπίεση, αλλά από τη στιγμή της έναρξης της κατάρρευσης και έπειτα, απορροφούν πολύ μικρά ποσά ενέργειας. Έτσι λοιπόν τα πολύ ενισχυμένα μεταλλικά προφίλ δεν μπορούν να απορροφήσουν σημαντικά ποσά ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 44

45 ενέργειας στις μικρής και μέσης σφοδρότητας συγκρούσεις (όπου ουσιαστικά δεν παραμορφώνονται) ενώ τα πολύ αδύναμα μεταλλικά προφίλ επιτρέπουν την διάλυση της ζώνης παραμόρφωσης του οχήματος όταν η σύγκρουση είναι λίγο περισσότερο σφοδρή από το ιδανικό. Βέβαια δοκιμάζονται συνεχώς νέες λύσεις, π.χ πλαστικά υλικά, κυψελωτά υλικά και νέα προφίλ ελεγχόμενης παραμόρφωσης οι οποίες έχουν πολύ βελτιωμένη συμπεριφορά, αλλά το πρόβλημα εξακολουθεί να υπάρχει. Εδώ λοιπόν έρχονται οι αφροί αλουμινίου να δώσουν τη λύση στο πρόβλημα των συγκρούσεων παρουσιάζοντας ταυτόχρονα μηδενικά μειονεκτήματα. Οι μεταλλικοί λοιπόν αφροί έχουν την ιδιότητα να παραμορφώνονται σταθερά απαιτώντας κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης πολύ μεγάλες πιέσεις. Την ίδια στιγμή το βάρος τους είναι ε- λάχιστο, μπορούν να χυτευτούν πολύ εύκολα και με οποιαδήποτε μορφή ενώ ανάλογα με το πορώδες και τη σύσταση του βασικού τους μετάλλου, μεταβάλλεται και η απαιτούμενη πίεση συμπίεσης. Στα επόμενα λοιπόν χρόνια θα κυκλοφορήσουν οχήματα με ζώνες παραμόρφωσης από αφρό αλουμινίου οι οποίες θα καταρρέουν απολύτως προβλέψιμα, θα καταλαμβάνουν πολύ μικρότερο όγκο, θα έχουν ελάχιστο βάρος και πολύ μικρό κόστος. Ε- πιπλέον υπάρχει η δυνατότητα δημιουργίας ζωνών παραμόρφωσης που θα ανταποκρίνονται σε διάφορα επίπεδα δυνάμεων σύγκρουσης. 3.7Αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης...λίγα λόγια παραπάνω Η χαρακτηριστική συμπεριφορά των μεταλλικών αφρών να συμπιέζονται απαιτώντας σταθερά μεγάλα ποσά ενέργειας είναι ίσως η πιο σημαντική τους ιδιότητα και αυτή που τους έκανε εξ αρχής γνωστούς. Δεν θα ήταν λοιπόν άσχημο αν λέγαμε λίγα λόγια παραπάνω για τις αφρώδεις ζώνες παραμόρφωσης και γενικότερα για τα βασικά χαρακτηριστικά της ιδανικής συμπεριφοράς των μεταλλικών αφρών ως προς τη συμπίεση. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να επισημανθεί είναι πως μόνο οι αφροί με κλειστούς πόρους έχουν μηχανικές ιδιότητες που να επιτρέπουν τη χρήση τους σε ζώνες παραμόρφωσης. Συνεπώς στην ανάλυση των αφρωδών ζωνών παραμόρφωσης όλοι οι μεταλλικοί αφροί θεωρούνται κλειστού τύπου. Επίσης πολύ σημαντικοί παράγοντες για την επιλογή αφρού κατά την κατασκευή της ζώνης παραμόρφωσης είναι η πυκνότητα του αφρού (συμβολίζεται με ρ)ή το πορώδες (συμβολίζεται συνήθως με ε) καθώς επίσης και η σύσταση του βασικού μετάλλου του αφρού. Σχήμα 17 Δύναμη Συμπίεσης Ποσοστό Συμπίεσης Απόδοση ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 45

46 Η γενική συμπεριφορά όλων των μεταλλικών αφρών στη συμπίεση φαίνεται στο σχετικό διάγραμμα (Δύναμη Συμπίεσης Ποσοστό Συμπίεσης - Απόδοση) και είναι παρόμοια για όλα τα υλικά και τις τιμές πορώδους. Παρατηρούμε λοιπόν ότι ξεκινά η ε- φαρμογή της δύναμης συμπίεσης αλλά η παραμόρφωση του αφρού είναι σχεδόν μηδενική έως τη στιγμή που αρχίζει η σταδιακή κατάρρευση του αφρού. Όταν λοιπόν ο αφρός παραμορφωθεί κατά 5% απαιτείται η μέγιστη δύναμη συμπίεσης ενώ από το 5% έως και το 60% περίπου της παραμόρφωσης, η απαιτούμενη δύναμη συμπίεσης είναι λίγο μικρότερη της μέγιστης δύναμης και παραμένει ουσιαστικά σταθερή. Όταν η συμπίεση φτάσει στο 60%, η αρχική μάζα του μετάλλου έχει περιοριστεί στο Εργαστηριακό δοκίμιο και διάγραμμα συμπίεσης απόδοσης αφρού αλουμινίου πυριτίου 40% του αρχικού της όγκου, αφού χονδρικά το 60% των φυσαλίδων έχει καταρρεύσει. Συνεπώς η πυκνότητα πλέον είναι αρκετά μεγαλύτερη με αποτέλεσμα να απαιτούνται μεγαλύτερες δυνάμεις για τη συμπίεση του αφρού. Επιπλέον όσο προχωρά η συμπίεση και αυξάνεται η πυκνότητα, τόσο περισσότερο ο αφρός αρχίζει να συμπεριφέρεται σαν συμπαγές μέταλλο απορροφώντας λιγότερη ενέργεια. Παρατηρώντας τη δεύτερη καμπύλη του ίδιου διαγράμματος βλέπουμε ότι από το 5% έως το 60% της παραμόρφωσης η απόδοση του αφρού σχετικά με την απορρόφηση ενέργειας είναι λίγο παραπάνω από 80%!!! (Σημείωση: Ως απόδοση του αφρού ορίζεται ο λόγος της ενέργειας που απορρόφησε ο αφρός προς την ενέργεια που θα α- πορροφούσε ένας ιδανικός θεωρητικός αποσβεστήρας. Στην παραπάνω μαθηματική σχέση η είναι η απόδοση και F max (s) η μέγιστη δύναμη που αναπτύσσεται κατά την παραμόρφωση s). Τα ακόλουθα διαγράμματα έρχονται να αποδείξουν αυτό που προκύπτει από τη λογική και την εμπειρία, ότι δηλαδή όσο μεγαλύτερο είναι το πορώδες ενός αφρού τόσο πιο εύκολα αλλά ομαλά καταρρέει. Αντίθετα αφροί ίδιας σύστασης με μεγαλύτερη αρχική πυκνότητα (μικρότερο πορώδες) απορροφούν μεγαλύτερα ποσά ενέργειας λόγω μεγαλύτερης δομικής αντοχής αλλά απαιτούν την άσκηση μεγαλύτερων δυνάμεων σε σχέση με τους αφρούς χαμηλής πυκνότητας. Γι αυτό λοιπόν οι βιομηχανίες δοκιμάζουν την παραγωγή τεμαχίων από αφρό αλουμινίου μεταβλητού πορώδους τα οποία θα μπορούν να παραμορφώνονται ελεγχόμενα λόγω μικρών δυνάμεων (π.χ μικροσυγκρούσεις ή προστασία πεζών από μικροατυχήματα) ή να καταρρέουν (πάλι ελεγχόμενα και καθορισμένα) απορροφώντας περισσότερη ενέργεια και σε περισσότερο χρόνο, έτσι ώστε να προστατευθούν οι επιβάτες του οχήματος σε σφοδρότερες συγκρούσεις. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 46

47 Βασικό Κράμα Α199.5 AlCu 4 foam A199.5 foam solid Γενικές Ιδιότητες Παράγοντας αφροποίησης - TiH 2 TiH 2 - Θερμική επεξεργασία αφρού - καμία σκλήρυνση - Πυκνότητα G cm -3 0,4 0,7 2,7 2,1 3,5 34 Μέση διάμετρος πόρων mm Μηχανικές Ιδιότητες Αντοχή στη συμπίεση MPa Απορρόφηση ενέργειας στο 30% της MJ m -3 0,72 5,2 - παραμόρφωσης KJ kg -1 1,8 7,4 Συντελεστής Young GPa 2, Ηλεκτρικές & Θερμικές ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα m(ω. mm - 2 ) Ειδική ηλεκτρική αντίσταση ΜΩ. cm ,9 Θερμική αγωγιμότητα W(m. K) Συντελεστής θερμικής διαστολής 1/K , Πίνακας 3. Συγκριτικός Πίνακας Ιδιοτήτων Μεταλλικών Αφρών 3.8 Αφρώδη αμαξώματα Τα τελευταία χρόνια παρατηρείται μια έντονη στροφή της αυτοκινητοβιομηχανίας προς το αλουμίνιο, το οποίο χρησιμοποιεί τόσο για την κατασκευή κινητήρων όσο και για την κατασκευή πλαισίων και άλλων δομικών μονάδων. Το αλουμίνιο είναι αναμφισβήτητα ένα μέταλλο με πολλές και σημαντικές μηχανικές και φυσικές ιδιότητες. Η αυτοκινητοβιομηχανία αντιμετωπίζει πολύ θετικά το αλουμίνιο, κυρίως λόγω του μικρού του βάρους σε σχέση με το χάλυβα το οποίο επιτρέπει την κατασκευή ελαφρύτερων και λιγότερο ενεργοβόρων οχημάτων. Ωστόσο οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου είναι σημαντικά υποδεέστερες αυτών του χάλυβα. Έτσι οι μηχανικοί προσπαθούν να σχεδιάσουν με κατάλληλο τρόπο τα αλουμινένια τεμάχια χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές (π.χ. πολλαπλές εσωτερικές νευρώσεις) ώστε να είναι σημαντικά ελαφρύτερα από τα αντίστοιχα χαλύβδινα έχοντας όμως παραπλήσια ή και μεγαλύτερη αντοχή. Εδώ λοιπόν έρχονται τα αφρώδη υλικά να δώσουν νέες λύσεις. Οι ερευνητές του πανεπιστημίου Kookmin στη Σεούλ της Κορέας διαπίστωσαν μετά από σχετικές έρευνες πως η εσωτερική ενίσχυση με μεταλλικό αφρό (ή ακόμα και με απλή πολυουρεθάνη) του πλαισίου σε ορισμένα κρίσιμα σημεία μπορεί να επιφέρει τεράστιες βελτιώσεις στην δομική του αντοχή. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 47

48 Σχήμα 18. Εσωτερική ενίσχυση με μεταλλικό αφρό Σε πραγματικές δοκιμές και υπολογιστικές προσομοιώσεις διαπιστώθηκε μια αύξηση κατά 50% στην αρχική δύναμη παραμόρφωσης της κύριας κολόνας (Β-pillar) του οχήματος. Επιπλέον ενώ η μη ενισχυμένη κατασκευή καταρρέει λόγω κάμψης σταθερά κάτω από την επίδραση δύναμης περίπου ίσης με την αρχική δύναμη πρόσκρουσης, η ενισχυμένη κολόνα απαιτεί συνεχώς μεγαλύτερη δύναμηγια την παραμόρφωσή της. Στο σχετικό διάγραμμα διαπιστώνουμε ότι για τη μέγιστη υποχώρηση της κολόνας κατά 20 εκατοστά απαιτείται δύναμη περίπου διπλάσια της δύναμης που προκάλεσε την αρχική παραμόρφωση. Με την τεχνική αυτή μπορούν να κατασκευαστούν πάρα πολύ ανθεκτικά πλαίσια από αλουμίνιο τα οποία θα διαθέτουν στο εσωτερικό τους κάποιο ελαφρύ αφρώδες (μεταλλικό ή μη) υλικό. Σχήμα 19. Μέγιστη υποχώρηση της κολόνας Γενικά θεωρείται σίγουρη η υιοθέτηση της συγκεκριμένης τεχνικής από τις αυτοκινητοβιομηχανίες αφού το κόστος της είναι πολύ χαμηλό, ενώ αντίθετα μια άριστη βαθμολόγηση στο Euro-NCAP μπορεί να αποφέρει τεράστια κέρδη. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 48

49 3.9 Αφρώδη ψυγεία και intercooler Έως τώρα ασχοληθήκαμε κυρίως με τους μεταλλικούς αφρούς και ιδιαίτερα τους αφρούς κραμάτων αλουμινίου οι οποίοι έχουν ένα κοινό γνώρισμα, έχουν κλειστές κυψέλες. Ωστόσο υπάρχει ακόμα μια κατηγορία μεταλλικών αφρών τα προϊόντα της ο- ποίας χαρακτηρίζονται από το ότι διαθέτουν ανοιχτές κυψέλες (πόρους) και μοιάζουν κάπως με το συρμάτινο σφουγγάρι που χρησιμοποιούμε για να καθαρίσουμε τις κατσαρόλες...βέβαια εδώ όλο το υλικό είναι ενιαίο και συνεχές και δεν αποτελείται από πλεγμένα ή μπερδεμένα μεταλλικά φύλλα. Οι αφροί ανοιχτού τύπου δεν έχουν μεγάλη αντοχή στην συμπίεση όπως οι αφροί κλειστού τύπου οπότε δεν είναι χρήσιμοι για την α- πορρόφηση συγκρούσεων. Έχουν όμως ένα πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό που τους καθιστά πολύτιμους για μία διαφορετική χρήση. Το χαρακτηριστικό αυτό δεν είναι άλλο από την τεράστια ελεύθερη επιφάνεια για δεδομένη μάζα μετάλλου και η χρησιμότητά τους, σε οποιαδήποτε εφαρμογή απαιτεί μεγάλη ελεύθερη επιφάνεια. Η πρώτη εφαρμογή που έρχεται στο μυαλό των περισσοτέρων είναι οι εναλλάκτες θερμότητας. Σχήμα 20. Αφρώδεις εναλλάκτες Τις φοβερές δυνατότητες των μεταλλικών αφρών ανοικτού τύπου αντιλήφθηκαν και οι ερευνητές του Ομοσπονδιακού Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Σουηδίας και άρχισαν να πειραματίζονται με αφρώδεις εναλλάκτες. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ανέκυψε η ανάγκη υπολογισμού (προσεγγιστικά αλλά με αρκετή ακρίβεια) της επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας ενός αφρώδους εναλλάκτη. Μετά τους σχετικούς υπολογισμούς προέκυψαν τα παρακάτω εντυπωσιακά αποτελέσματα. Ένας εναλλάκτης από αφρό α- νοικτού τύπου (παρόμοιος με αυτόν των παρακάτω εικόνων) με μέση διάμετρο πόρου της τάξης των 2.5mm κατασκευασμένος από κράμα αλουμινίου Τ-6106 και διαστάσεις 40mm X 40mm Χ 2mm (προκύπτει από έναν κύβο 40Χ40Χ40 με συμπίεση της μιας πλευράς έως το πάχος των 2mm) έχει λόγο ελεύθερης επιφάνειας εναλλαγής θερμότητας προς όγκο της τάξης των m 2 /m 3. Η τιμή αυτή είναι 2-3 φορές μεγαλύτερη από αυτή που επιτυγχάνουν οι πιο καλοσχεδιασμένοι συμβατικοί εναλλάκτες. Ενώ την ίδια στιγμή οι μετρήσεις των ερευνητών έδειξαν ότι η πτώση πίεσης που δημιουργείται στο ρευστό που διαπερνά τον αφρώδη εναλλάκτη είναι συγκρίσιμη με των συμβατικών εναλλακτών. Η συνολική απόδοση του πειραματικού εναλλάκτη αφρού ήταν περίπου 2 ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 49

50 φορές μεγαλύτερη έναντι του καλύτερου συμβατικού εναλλάκτη, ακόμα και όταν ο συμβατικός εναλλάκτης λειτουργούσε στις ιδανικές συνθήκες για τις οποίες είχε σχεδιαστεί (ιδανικό θερμικό φορτίο, ταχύτητα ρευστών κ.λ.π). Σχήμα 21. Συμβατικός εναλλάκτης Είναι λοιπόν θέμα χρόνου η παρουσία των πρώτων υπερ-αποδοτικών εμπορικών ψυγείων και intercooler αφρού για αυτοκίνητα και λοιπά οχήματα. Επιπλέον όλα δείχνουν πως οι αφροί μετάλλων θα υιοθετηθούν σιγά-σιγά σε όλες τις εφαρμογές εναλλαγής θερμότητας μικρής κλίμακας (π.χ. ψύξη ηλεκτρονικών), μεσαίας κλίμακας (ψυγεία-εναλλάκτες οχημάτων) αλλά και μεγάλης κλίμακας (π.χ βιομηχανικά ψυγεία, βιομηχανικοί εναλλάκτες). ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 50

51 3.10. Βλήματα VS Αφροί Μετάλλων Όπως είπαμε παραπάνω, οι μεταλλικοί αφροί συμπεριφέρνονται ιδανικά όταν καλούνται να απορροφήσουν δυνάμεις πρόσκρουσης αφού παραμορφώνονται καταναλώνοντας σταθερά υψηλή ενέργεια. Βέβαια τα οχήματα δεν είναι οι μοναδικές εφαρμογές στις οποίες ενίοτε σημειώνονται συγκρούσεις και απαιτείται κάποιο μέσο για την απόσβεσή τους. Μια πολύ σημαντική (όχι για εμάς τους απλούς πολίτες...) εφαρμογή των μεταλλικών αφρών εμφανίζεται και στη στρατιωτική βιομηχανία οχημάτων. Αρκετές εταιρείες στρατιωτικών εφαρμογών όπως η United Defense δοκιμάζουν εντατικά πολλά είδη μεταλλικών αφρών στις θωρακίσεις των οχημάτων τους. Συνήθως χρησιμοποιούν αφρούς κραμάτων αλουμινίου τους οποίους εμποτίζουν με συνθετικές ρητίνες έτσι ώστε να βελτιωθούν περαιτέρω οι μηχανικές τους ιδιότητες. Οι ενισχυμένοι αυτοί σύνθετοι αφροί αποκτούν πλέον απίστευτες ιδιότητες, τόσο ως προς την απορρόφηση συγκρούσεων μέσω παραμόρφωσης όσο και σχετικά με τη διαχείριση δυνάμεων, πιέσεων και τάσεων χωρίς να παραμορφώνονται. Οι βλητικές δοκιμές των πρωτοποριακών αυτών σύνθετων θωρακίσεων παρουσίασαν εξαιρετικά αποτελέσματα. Πλέον, πολύ ελαφρύτερες θωρακίσεις αποτελούμενες από πολλαπλά στρώματα κεραμικών υλικών και ενισχυμένου αφρού αλουμινίου είναι σε θέση να αποσβέσουν την κινητική και θερμική ενέργεια βλημάτων, θραυσμάτων και όλμων πολύ αποτελεσματικά. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 51

52 3.11 Αυξητικοί αφροί Σχήμα 22. Αυξητικοί αφροί Πολλά πράγματα αποτυπώνονται στο μυαλό μας με ένα συγκεκριμένο τρόπο και είναι αδύνατον να δεχθούμε μία πρόταση που είναι αντίθετη σε κάποιο από αυτά τα αξιώματα. Έτσι π.χ. είναι αδύνατο να κατανοήσουμε μια μηχανή με βαθμό απόδοσης 110% ή μια μπάλα που αναπηδώντας φτάνει συνεχώς σε μεγαλύτερα ύψη. Τις περισσότερες φορές η εμπειρία μας είναι ορθή και επιβεβαιώνεται θεωρητικά και από τις σχετικές επιστήμες. Ωστόσο ορισμένες φορές η απάντηση της επιστήμης είναι τελείως α- ναπάντεχη και μας αφήνει πραγματικά άφωνους. Κάτι τέτοιο συμβαίνει και με τα αυξητικά υλικά. Όλα τα ελαστικά υλικά χαρακτηρίζονται εκτός των άλλων και από μια σταθερά, τη σταθερά του Poisson. Ουσιαστικά ο αριθμός Poisson δεν είναι τίποτα άλλο από το λόγο της εγκάρσιας τάσης συστολής προς τη διαμήκη τάση επιμήκυνσης. Με απλά λόγια δηλαδή ο αριθμός αυτός περιγράφει το πόσο πιο λεπτό θα γίνει ένα ελαστικό τεμάχιο όταν επιμηκυνθεί κατά Χ. Γενικότερα τα περισσότερα στερεά έχουν αριθμό Poisson με τιμή από 0,2 έως και 0,4. Υπάρχει ωστόσο και μια κατηγορία υλικών στην οποία οι τιμές του αριθμού Poisson είναι αρνητικές. Αυτό απλά σημαίνει ότι όσο επιμηκύνονται τα υλικά αυτά, τόσο παχαίνουν (αυξάνει η διατομή τους)!!! Ακούγεται παράλογο όμως είναι πέρα για πέρα αληθινό. Ακόμα πιο παράξενο είναι το ότι αυτά τα αυξητικά υλικά είναι αρκετά και καλύπτουν ένα πολύ μεγάλο εύρος κλιμάκων μεγέθους. Υπάρχουν λοιπόν κάποια μοριακά αυξητικά υλικά (με μέγεθος της τάξης του 10-9 m), ορισμένα πολυμερή ή κυψελωτά υλικά (με μέγεθος της τάξης του 10-6 m έως 10-2 m) και τέλος ορισμένες σύνθετες κατασκευές πολύ μεγάλου μεγέθους. Τι σχέση όμως μπορεί να έχουν όλα αυτά τα όμορφα πράγματα με τους αφρούς μετάλλων; Απλά ορισμένοι μεταλλικοί αφροί μπορούν να παραχθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να έχουν αυξητικές ιδιότητες. Με κατάλληλες λοιπόν παραγωγικές διαδικασίες, η κυψελωτή δομή των αφρωδών αυτών υλικών αλλάζει σχήμα και πλέον οι κυψέλες ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 52

53 παίρνουν τέτοια μορφή ώστε η ενδεχόμενη εφελκυστική καταπόνηση που θα υποστούν να οδηγήσει σε εγκάρσια έκταση της δομής του υλικού. Οι έρευνες πάνω στα αυξητικά υλικά πραγματοποιούνται εδώ και αρκετά χρόνια, τόσο στα εργαστήρια της NASA όσο και σε ορισμένα πανεπιστημιακά ιδρύματα (π.χ. University of Iowa, University of Wisconsin-Madison, Technical University of Denmark, Harvard University κ.α.) αλλά και στα τμήματα ερευνών μεγάλων εταιρειών (π.χ. Boeing, British Nuclear Fuels plc, ICI Chemicals & Polymers, Ciba-Geigy κ.α.). Οι ε- φαρμογές των αυξητικών υλικών και ειδικότερα των αυξητικών αφρών και των αυξητικών νανο-υλικών είναι ατελείωτες και αφορούν ηλεκτρονικές μικροεπαφές, ιατρικά όργανα, ενεργές αντιβαλλιστικές θωρακίσεις, αυξητικά νήματα, βλήματα μεταβλητής διατομής, αντισεισμικούς κοχλίες μεταβλητής διατομής έως και γιγαντιαία καλύμματα πυρηνικών αντιδραστήρων τα οποία μεταβάλουν το πάχος τους στα σημεία που καταπονούνται περισσότερο κάθε στιγμή Αφρώδη Κεραμικά Αφροί Άνθρακα Η τεράστια επανάσταση που έφεραν τα ανθρακονήματα και τα σύνθετα υλικά στις σύγχρονες κατασκευές είναι γνωστή. Ωστόσο, ενώ οι τεχνολογίες αυτές έχουν γίνει εδώ και αρκετά χρόνια εμπορικές, το κόστος τους παραμένει αρκετά υψηλό λόγω κυρίως των πολύπλοκων διαδικασιών παραγωγής. Επιπλέον είναι γνωστό ότι οι εξαιρετικές ιδιότητες των υλικών αυτών οφείλονται κυρίως στη δομή των ινών του γραφίτη (άνθρακα) που περιέχουν. Στο Εθνικό Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών στο Oak Ridge των Η.Π.Α ξεκίνησαν εδώ και λίγα χρόνια τις έρευνες για την παραγωγή ενός φτηνού γραφιτούχου υλικού με τις ιδιότητες των ανθρακονημάτων. Παρατηρώντας την εξέλιξη των αφρωδών μετάλλων, αποφάσισαν να δοκιμάσουν να κατασκευάσουν αφρώδη γραφίτη. Τελικά μετά από αρκετές δοκιμές και πειραματισμούς πέτυχαν να κατασκευάσουν (με πολύ απλό και φθηνό τρόπο) ένα αφρώδες γραφιτικό υλικό με ανοιχτούς πόρους και ειδικό βάρος 1.26g/cm 3. Η διαδικασία παραγωγής είναι απλή και φθηνή αφού περιλαμβάνει την έντονη ανάδευση ενός γραφιτούχου διαλύματος το οποίο αφρίζει. Στη συνέχεια ο αφρός θερμαίνεται έτσι ώστε να σταθεροποιηθεί και ψήνεται στους 2800 ο C παρουσία αερίου Ar (Αργό) για περίπου 1 ώρα. Ανάλογα με τις απαιτούμενες μηχανικές και θερμικές ιδιότητες μπορεί να ακολουθήσει ο εμποτισμός του αφρού με ένα μίγμα ρητινών και σταθεροποιητών. Το τελικό προϊόν έχει πυκνότητα περίπου 0.54 g/cm 3 (ως απλός αφρός) ή 1.3 g/cm 3 (εάν εμποτιστεί με ρητίνες) και μέση διάμετρο πόρων της τάξης των 100μm. Πρόκειται δηλαδή για ένα πορώδες γραφιτικό υλικό με μικροσκοπικούς ανοικτούς πόρους. Βέβαια όμοια με τους μεταλλικούς αφρούς έτσι και εδώ η δομή του αφρώδη άνθρακα είναι απόλυτα συνεχής, με αποτέλεσμα να παρουσιάζει πολύ μεγάλη θερμική αγωγιμότητα ενώ εμφανίζει και τεράστια αντοχή στις μηχανικές καταπονήσεις (περίπου 30 φορές μεγαλύτερη αντοχή στη συμπίεση από τον αφρό αλουμινίου). Επιπλέον ο τεράστιος αριθμός/cm!!! ανοικτών πόρων αυτού του υλικού δημιουργεί ελεύθερη επιφάνεια της τάξης των 5m 2 /g ή περίπου 10m 23 ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 53

54 Ήδη από τα παραπάνω είναι εμφανές ότι το πεδίο εφαρμογής του αφρώδη άνθρακα είναι τεράστιο. Η χρήση αφρώδη άνθρακα ως γέμισμα στο εσωτερικό των αλουμινένιων αυτοφερόμενων πλαισίων των οχημάτων θα εκτόξευε της τιμές στρεπτικής α- καμψίας τους, δημιουργώντας ουσιαστικά έναν άκαμπτο κεραμικό κλωβό ασφαλείας. Η ύπαρξη αραιού αφρώδη άνθρακα στο εσωτερικό α- λουμινένιων χυτών τεμαχίων (π.χ. πιστόνια, μπλοκ, άξονες κ.α) θα προκαλούσε δραματική βελτίωση στις μηχανικές ιδιότητες αυτών των τεμαχίων. Ενώ οι πιο Σχήμα 23.Μίγμα ρητινών προωθημένες ιδέες αναφέρονται σε πλαστικούς κινητήρες οι οποίοι θα απάγουν θερμότητα μέσω του θερμικά αγώγιμου πυρήνα τους (από αφρώδη άνθρακα) ενώ θα έχουν βάρος πολύ μικρότερο των μεταλλικών λόγω των επικαλύψεων από πολυμερή. Επιπλέον ιδιαίτερα θετικές είναι και οι προβλέψεις για τη χρήση του αφρώδη άνθρακα σε διατάξεις εναλλαγής θερμότητας. Ειδικότερα στους εναλλάκτες θερμότητας που διαχειρίζονται αέρια ρευστά η αντικατάσταση των κυψελών εναλλαγής θερμότητας με αφρώδη άνθρακα θα εκτοξεύσει την αποδοτικότητά τους ενώ ταυτόχρονα θα μειωθεί το βάρος, το κόστος και ο όγκος τους. Το μόνο που μένει είναι να οργανωθούν οι παραγωγικές διαδικασίες, όπως έγινε με τον αφρό αλουμινίου τα τελευταία χρόνια έτσι ώστε να γίνει εμπορικά διαθέσιμος και ο αφρώδης άνθρακας. Όταν όμως υπάρχει η φθηνή τεχνολογία και το προϊόν είναι τόσο επαναστατικό, η βιομηχανία συνήθως κινείται με γοργούς ρυθμούς. Άρα δεν θα ήταν και πολύ παράλογο να πει κανείς ότι μέσα στα επόμενα 3-4 χρόνια ο αφρώδης άνθρακας είναι πιθανόν να κάνει την εμφάνισή του στις ειδικές εμπορικές εφαρμογές (π.χ. Formula 1, αεροδιαστημική.κ.λ.π) ΑΣΦΑΛΕΙΑ ΑΠΟ ΑΦΡΟ! ΜΕΤΑΛΛΙΚΟΙ ΑΦΡΟΙ- ΛΥΣΗ ΣΤΟ ΠΡΟ- ΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΠΑΘΗΤΙΚΗΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΣΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ Όταν μιλάμε για αφρούς μετάλλων, ουσιαστικά δεν μιλάμε για τίποτα περισσότερο από ένα σφουγγάρι με τη μόνη ιδιαιτερότητα ότι το δομικό υλικό του είναι ένα μέταλλο ή ένα κράμα μετάλλων, αντί για μαλακό πλαστικό. Αυτό ακριβώς το χαρακτηριστικό καθώς και ορισμένες μηχανικές ιδιότητες καθιστούν αυτό το σφουγγάρι ιδανικό υλικό για μια πληθώρα χρήσεων.οι μεταλλικοί αφροί είναι κυψελωτοί αφροί, αφροί με ανοιχτές κυψέλες ή κλειστές κυψέλες, αφροί πορωδών μετάλλων ή σύνθετα μεταλλικά σφουγγάρια. Μια από τις συνήθεις μεθόδους παρασκευής μεταλλικών αφρών, κυρίως αλουμινίου, είναι η μέθοδος Cymat. Στο λουτρό τηγμένου αλουμινίου προστίθενται ορισμένες χημικές ουσίες (π.χ. οξείδια του μαγνησίου) έτσι ώστε το τήγμα να αποκτήσει το ιδανικό ιξώδες. Στη συνέχεια διοχετεύεται στο λιωμένο μέταλλο αέρας ή αέριο άζωτο μέσω ειδικά διαμορφωμένων περιστρεφόμενων και παλλόμενων ακροφυσίων, με αποτέλεσμα τη ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 54

55 δημιουργία χιλιάδων φυσαλίδων κατανεμημένων ομοιόμορφα στη μάζα του τήγματος. Οι φυσαλίδες ανέρχονται προς την ελεύθερη επιφάνεια του λουτρού και σχηματίζουν ένα στρώμα στερεού αφρού από αλουμίνιο. Το στρώμα αυτό συλλέγεται και χρησιμοποιείται. Η μέθοδος Cymat είναι προϊόν της καναδικής εταιρείας Cymat Aluminum Corp. Ένας δεύτερος τρόπος σχηματισμού αφρού σε ένα λουτρό τήγματος μετάλλου είναι η τεχνική Alporas. Στο λουτρό τήγματος λοιπόν Al προστίθεται ασβεστούχο οξείδιο του αλουμινίου σε ποσοστό περίπου 1.5% κατά βάρος. Μετά από συνεχή ανάμειξη προστίθεται αφρίζον υδρίδιο του τιτανίου, το οποίο στη θερμοκρασία των 680oC απελευθερώνει αέριο υδρογόνο δημιουργώντας αφρό αλουμινίου. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται από το Η βασικότερη ιδιότητα των μεταλλικών αφρών αφορά το ειδικό βάρος τους. Όλα λοιπόν τα αφρώδη μεταλλικά υλικά είναι πολύ ελαφριά. Ορισμένοι μεταλλικοί αφροί δε, έχουν πυκνότητα πολύ μικρότερη της μονάδας συνεπώς μπορούν να επιπλέουν στο νερό. Τέλος όλοι οι μεταλλικοί αφροί παρουσιάζουν πολύ καλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα ενώ ταυτόχρονα είναι και άριστα ηχομονωτικά. Η πιθανότερη ευρεία εφαρμογή των μεταλλικών αφρών είναι η αυτοκινητοβιομηχανία, καθώς φαίνεται πως η κατηγορία αυτή των υλικών θα λύσει το πρόβλημα της παθητικής ασφάλειας. Τα συνήθη μεταλλικά προφίλ έχουν σημαντική αντοχή στη συμπίεση, αλλά από τη στιγμή της έναρξης της κατάρρευσης και έπειτα, απορροφούν πολύ μικρά ποσά ενέργειας. Έτσι τα πολύ ενισχυμένα μεταλλικά προφίλ δεν μπορούν να απορροφήσουν σημαντικά ποσά ενέργειας στις μικρής και μέσης σφοδρότητας συγκρούσεις (όπου ουσιαστικά δεν παραμορφώνονται), ενώ τα πολύ αδύναμα μεταλλικά προφίλ επιτρέπουν την διάλυση της ζώνης παραμόρφωσης του οχήματος όταν η σύγκρουση είναι λίγο περισσότερο σφοδρή από το ιδανικό. Οι αφροί αλουμινίου πιθανόν να δώσουν λύση στο πρόβλημα των συγκρούσεων, παρουσιάζοντας ταυτόχρονα μηδενικά μειονεκτήματα. Οι μεταλλικοί, λοιπόν, αφροί έ- χουν την ιδιότητα να παραμορφώνονται σταθερά απαιτώντας κατά τη διάρκεια της παραμόρφωσης πολύ μεγάλες πιέσεις. Την ίδια στιγμή το βάρος τους είναι ελάχιστο, μπορούν να χυτευτούν πολύ εύκολα και σε οποιαδήποτε μορφή. Στα επόμενα λοιπόν χρόνια ίσως δούμε οχήματα με ζώνες παραμόρφωσης από αφρό αλουμινίου, οι οποίες θα καταρρέουν απολύτως προβλέψιμα, θα καταλαμβάνουν πολύ μικρότερο όγκο, θα έχουν ελάχιστο βάρος και πολύ μικρό κόστος. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 55

56 Μεταλλικός αφρός σε μεγέθυνση Οι μεταλλικοί αφροί για απόθεση καταλυτικού υλικού 3.14 Συμπεράσματα - Επίλογος Σχήμα 24. Μεταλλικοί αφροί Αυτό που τελικά διαπιστώνει κανείς από όλα τα παραπάνω είναι το γεγονός πως οι αφροί μετάλλων αποτελούν μια ομάδα νέων υλικών τα οποία αναμφίβολα θα γνωρίσουν μεγάλη επιτυχία τόσο στο άμεσο όσο και στο απώτερο μέλλον. Οι εφαρμογές αυτών των υλικών φαντάζουν πραγματικά ατελείωτες και το μόνο που μένει είναι απλά να σκεφτούμε Ποια πράγματα γύρω μας θα μπορούσαν τα επωφεληθούν από τις ιδιότητες των μεταλλικών αφρών;, η συνέχεια είναι μάλλον απλή, αφού η τεχνολογία υ- πάρχει... ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 56

57 Κεφάλαιο 4 Ζηµιές αυτοφερόµενης κατασκευής Η σχεδίαση και κατασκευή του αµαξώµατος προβλέπει ζώνες ελεγχόµενης παραµόρφωσης, οι οποίες βρίσκονται µπροστά και πίσω από την καµπίνα των επιβατών, για την απορρόφηση µέρους της ενέργειας παραµόρφωσης που αναπτύσσεται κατά τη σύγκρουση, ώστε να προστατευθούν οι επιβάτες. Οι δυνάµεις που αναπτύσσονται σε µία σύγκρουση και η έκταση των ζηµιών εξαρτώνται από το είδος της σύγκρουσης. Η σύγκρουση ενός αυτοκινήτου µπορεί να είναι µετωπική, πλευρική, πλαγιοµετωπική, µπροστά και πίσω ταυτόχρονα (σύνθλιψη) και περιστροφή ως προς τον διαµήκη άξονα (ντελαπάρισµα), µε αποτέλεσµα την ανάπτυξη θλιπτικών, καµπτικών και στρεπτικών τάσεων Σχήμα 25. Ζηµιές αυτοφερόµενου αµαξώµατος ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 57

58 4.1 ιατοµές κύριων µερών αυτοφερόµενων αµαξωµάτων Για την αύξηση της αντοχής του αµαξώµατος, την εξασφάλιση της σχετικής ακαµψίας των διαφόρων τµηµάτων του και τη δηµιουργία ζωνών ελεγχόµενης παραµόρφωσης, το αµάξωµα κατασκευάζεται από κατάλληλα διαµορφωµένα ελάσµατα, τα οποία συγκολλούνται µεταξύ τους, για να µας δώσουν τις κατάλληλες διατοµές. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 58

59 Σχήμα 26. ιατοµές κύριων µερών αυτοφερόµενου αµαξώµατος Απεικόνιση ζηµιών σε σκαρίφηµα Στο σχήµα 27, φαίνεται σε σκαρίφηµα η σύνθλιψη ενός u945 αυτοφερόµενου ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 59

60 αµαξώµατος µετά από σύγκρουση και η παραµόρφωσή του, λόγω των αναπτυσσόµενων θλιπτικών τάσεων. Σχήμα 27. Σύνθλιψη αυτοφερόµενου αµαξώµατος µετά από σύγκρουση Στο σχήµα 27, φαίνεται σε σκαρίφηµα η κάµψη, σε οριζόντιο επίπεδο, ενός αυτοφερόµενου αµαξώµατος, µετά από πλευρική σύγκρουση. Σχήμα 28. Κάµψη αυτοφερόµενου αµαξώµατος µετά από πλευρική σύγκρουση ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 60

61 Στο σχήµα 29, φαίνεται σε σκαρίφηµα η παραµόρφωση ενός αυτοφερόµενου αµαξώµατος, µετά από µια πλαγιοµετωπική σύγκρουση. Σχήμα.29 Παραµόρφωση αυτοφερόµενου αµαξώµατος από πλαγιοµετωπική σύγκρουση Στο σχήµα 30, φαίνεται σε σκαρίφηµα η παραµόρφωση ενός αυτοφερόµενου αµαξώµατος, µετά από περιστροφή, ως προς τον διαµήκη άξονα (ντελαπάρισµα) ενός οχήµατος. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 61

62 Σχήμα 30 Παραµόρφωση αυτοφερόµενου αµαξώµατος, µετά από περιστροφή, ως προς τον διαµήκη άξονα (ντελαπάρισµα) Πλαίσιο αµαξώµατος επιβατικών αυτοκινήτων Σκαριφηµατική απεικόνιση Το πλαίσιο είναι µια ισχυρή µεταλλική κατασκευή, στην οποία στηρίζεται το αµάξωµα και οι µηχανισµοί ενός αυτοκινήτου. Σήµερα, το ανεξάρτητο u960 πλαίσιο χρησιµοποιείται σε µερικούς τύπους σπορ και µεγάλου κυβισµού αυτοκινήτων. Στο σχήµα 26, φαίνονται διάφορες µορφές ανεξάρτητων πλαισίων µε την ονοµασία τους, σε αξονοµετρική σχεδίαση και σε σκαριφηµατική απεικόνιση "παραλληλόγραµµο" ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 62

63 "σκάλας". "χιαστί" "σωληνωτό ή µε κεντρική δοκό" Σχήμα 31. Μορφές ανεξαρτήτων πλαισίων αµαξωµάτων ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 63

64 Το ανεξάρτητο παραλληλόγραµµο πλαίσιο αποτελείται από δύο κατά µήκος δοκούς (µηκίδες) και µερικές εγκάρσιες δοκούς (διαδοκίδες). Στο πλαίσιο τύπου "σκάλας", η απόσταση των µηκίδων είναι µικρότερη στο µπροστινό µέρος, για διευκόλυνση της στροφής των τροχών, ενώ στο "χιαστί" πλαίσιο, έχουµε σύγκλιση και απόκλιση των παραλλήλων δοκαριών. Στο σωληνωτό πλαίσιο, υπάρχει µια κεντρική δοκός µε ένα δίχαλο στο ένα άκρο, όπου τοποθετείται ο κινητήρας ιατοµές κύριων µερών φέρουσας κατασκευής Οι µηκίδες των πλαισίων είναι συνήθως διαφόρων διατοµών όπως ορθογωνική, σχήµατος "U", διπλού "Τ" και κυκλική (σχήµα 31). Οι ορθογωνικές (κιβωτοειδείς) διατοµές παρουσιάζουν πολύ καλή αντοχή σε κάµψη και στρέψη και συνήθως χρησιµοποιούνται στα πλαίσια αµαξωµάτων επιβατικών αυτοκινήτων. Σχήμα 32. Μορφές διατοµών πλαισίων ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 64

65 4.1.3 Λεπτοµέρειες λυόµενων συνδέσεων Η στήριξη του αµαξώµατος, πάνω στο πλαίσιο, γίνεται µε ελαστικά δακτυλίδια και κοχλίες. Στο σχήµα 33, φαίνονται τα µέρη ενός ελαστικού συνδέσµου αµαξώµατος και ο τρόπος στήριξης επάνω στο αµάξωµα. 1. Κοχλίας 2. Πάνω ελαστική βάση 3. Μεταλλική κυλινδρική προσθήκη 4. Κάτω ελαστική βάση 5. Περικόχλιο Σχήμα 33. Σύνδεση πλαισίου και αµαξώµατος 4.2 Ζηµιές πλαισίου αµαξώµατος Απεικόνιση ζηµιών σε σκαρίφηµα Το πλαίσιο των αµαξωµάτων, µετά από µια σύγκρουση, µπορεί να στρεβλωθεί (παραµορφωθεί) στο οριζόντιο αλλά και στο κατακόρυφο επίπεδο. Στο οριζόντιο επίπεδο, οι πιο συνηθισµένες στρεβλώσεις είναι η µετατόπιση τη µιας µηκίδας ως προς την άλλη ή η κάµψη του αµαξώµατος. Οι στρεβλώσεις αυτές ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 65

66 προέρχονται από πλαγιοµετωπικές ή πλευρικές συγκρούσεις. Στο σχήµα 34 φαίνονται, σε σκαρίφηµα, οι στρεβλώσεις στο οριζόντιο επίπεδο. µετακίνηση µηκίδων σε οριζόντιο επίπεδο κάµψη µηκίδων σε οριζόντιο επίπεδο Σχήμα 34. Στρεβλώσεις πλαισίου στο οριζόντιο επίπεδο σε σκαρίφηµα Στο κατακόρυφο επίπεδο, η παραµόρφωση του πλαισίου οφείλεται σε κάµψη ή σε συστροφή των δύο δοκών. Η συστροφή των δύο δοκών συµβαίνει, όταν οι παράλληλοι δοκοί του πλαισίου δε βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο, αλλά η µια δοκός βρίσκεται ψηλότερα και η άλλη χαµηλότερα ως προς την κανονική θέση του πλαισίου. Στο σχήµα 35, φαίνονται, σε σκαρίφηµα. οι στρεβλώσεις στο κατακόρυφο ε- πίπεδο. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 66

67 κάµψη στο κατακόρυφο επίπεδο συστροφή Σχήμα 35. Οι στρεβλώσεις στο κατακόρυφο επίπεδο Αποτυπώσεις ζηµιών µετά από µετρήσεις Ο έλεγχος της µετατόπισης των µηκίδων, στο οριζόντιο επίπεδο, γίνεται µε απευθείας µετρήσεις στο πλαίσιο, µε χρήση των ειδικών ελεγκτήρων µέτρησης µηκών αµαξωµάτων ή µε έµµεση µέτρηση του ίχνους συµµετρικών σηµείων του πλαισίου, που προβάλλονται στο δάπεδο, µε τη βοήθεια νήµατος στάθµης. Στην περίπτωση αυτή, εάν το πλαίσιο δεν έχει παραµόρφωση, τα σηµεία τοµής των διαγωνίων των συµµετρικών σηµείων του πλαισίου θα πρέπει να τέµνονται επάνω στον άξονα συµµετρίας (χ-χ') (σχήµα 35). ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 67

68 Σχήμα 35. Έλεγχος µετατόπισης των µηκίδων ενός πλαισίου, µε έµµεση µέτρηση των διαστάσεων του ίχνους των σηµείων του Ο έλεγχος ευθυγράµµισης του πλαισίου, από οριζόντια ή κάθετη στρέβλωση, γίνεται µε τρεις τηλεσκοπικούς ελεγκτήρες µε πείρο σκόπευσης στο κέντρο, οι οποίοι αναρτώνται από το πλαίσιο. Όταν οι πείροι σκόπευσης είναι σε ευθεία το πλαίσιο είναι κανονικό, εάν είναι παράλληλα µετατοπισµένοι έχουµε οριζόντια στρέβλωση και όταν είναι υπό γωνία έχουµε κάθετη στρέβλωση. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 68

69 Ανάρτηση ελεγκτήρων ευθυγράµµισης πλαισίων ελεγκτήρες σε ευθεία ελεγκτήρες παράλληλα ελεγκτήρες σε γωνία (πλαίσιο κανονικό µετατοπισµένοι (πλαίσιο µε (πλαισιο με καθετη οριζόντια στρέβλωση) στρεβλωση). Σχήμα 36. Ανάρτηση ελεγκτήρων ευθυγράµµισης πλαισίων Κεφάλαιο 5 ΤΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΜΑΣ ΕΙΝΑΙ ΕΝΑ ΤΕΛΕΙΟ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ΓΙΑ ΤΟ ΠΩΣ Η ΕΞΥΠΝΑΔΑ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΔΑΜΑΣΕΙ ΤΗΝ ΑΚΑΤΕΡΓΑΣΤΗ ΔΥΝΑΜΗ. Ένα κινούμενο όχημα είναι γεμάτο ενέργεια. Εάν ξαφνικά συγκρουστεί με κάτι, όλη αυτή η ενέργεια πρέπει να διοχετευθεί κάπου και το καλύτερο μέρος είναι μακριά από εσάς. Γι αυτό και τα αυτοκίνητά μας είναι σχεδιασμένα να απορροφούν την ενέργεια σε όλα τα σωστά σημεία. ΤΣΙΛΙΓΚΗΡ ΦΕΡΔΗ, ΜΠΟΥΜΠΟΥΝ ΟΖΔΕΝ Σελίδα 69