La investigació estrangera en el camp dels materials compostos per al trànsit ferroviari s'està desenvolupant durant gairebé mig segle.Tot i que el ràpid desenvolupament del trànsit ferroviari i el ferrocarril d'alta velocitat a la Xina i l'aplicació de materials compostos nacionals en aquest camp estan en ple apogeu, la fibra reforçada de materials compostos àmpliament utilitzada en el trànsit ferroviari estranger és més fibra de vidre, que és diferent de el dels compostos de fibra de carboni a la Xina.Com s'esmenta en aquest article, la fibra de carboni és menys del 10% dels materials compostos per a la carrosseria desenvolupats per TPI Composites Company, i la resta és fibra de vidre, de manera que pot equilibrar el cost alhora que garanteix un pes lleuger.L'ús massiu de fibra de carboni comporta inevitablement dificultats de costos, de manera que es pot utilitzar en alguns components estructurals clau com els bogies.
Durant més de 50 anys, Norplex-Micarta, fabricant de compostos termoestables, ha tingut un negoci constant fabricant materials per a aplicacions de trànsit ferroviari, inclosos trens, sistemes de frenada de ferrocarril lleuger i aïllament elèctric per a carrils elèctrics elevats.Però avui, el mercat de l'empresa s'està expandint més enllà d'un nínxol relativament estret a més aplicacions com ara parets, sostres i sòls.
Dustin Davis, director de desenvolupament empresarial de Norplex-Micarta, creu que el ferrocarril i altres mercats de transport massiu oferiran cada cop més oportunitats per a la seva empresa, així com per a altres fabricants i proveïdors de compostos, en els propers anys.Hi ha diverses raons per a aquest creixement esperat, una de les quals és l'adopció europea de la norma d'incendis EN 45545-2, que introdueix requisits més estrictes de protecció contra incendis, fums i gasos (FST) per al transport massiu.Mitjançant l'ús de sistemes de resines fenòliques, els fabricants de compostos poden incorporar les propietats necessàries de protecció contra incendis i fums als seus productes.
A més, els operadors d'autobusos, metro i trens comencen a adonar-se dels avantatges dels materials compostos per reduir la vibració sorollosa i la cacofonia."Si alguna vegada has estat al metro i has sentit una placa metàl·lica sonant", va dir Davis.Si el panell està fet de material compost, silenciarà el so i farà que el tren sigui més silenciós".
El pes més lleuger del compost també el fa atractiu per als operadors d'autobusos interessats a reduir el consum de combustible i ampliar la seva gamma.En un informe de setembre de 2018, la firma d'investigació de mercat Lucintel va predir que el mercat global de compostos utilitzats en el transport massiu i els vehicles tot terreny creixeria a un ritme anual del 4,6 per cent entre el 2018 i el 2023, amb un valor potencial de 1.000 milions de dòlars el 2023. Les oportunitats vindran d'una varietat d'aplicacions, com ara peces exteriors, interiors, capó i tren de propulsió i components elèctrics.
Norplex-Micarta produeix ara peces noves que actualment s'estan provant en línies de tren lleuger als Estats Units.A més, l'empresa continua centrant-se en sistemes d'electrificació amb materials de fibra contínua i els combina amb sistemes de resines de curat més ràpid."Podeu reduir costos, augmentar la producció i portar tota la funcionalitat del fenòlic FST al mercat", va explicar Davis.Tot i que els materials compostos poden ser més cars que les peces metàl·liques similars, Davis diu que el cost no és el factor determinant de l'aplicació que estan estudiant.
Lleuger i ignífug
La renovació de la flota de 66 vagons ICE-3 Express de l'operador ferroviari europeu Duetsche Bahn és una de les capacitats dels materials compostos per satisfer les necessitats específiques dels clients.El sistema d'aire condicionat, el sistema d'entreteniment dels passatgers i els nous seients van afegir un pes innecessari als vagons ICE-3.A més, el sòl de fusta contraxapada original no complia els nous estàndards europeus contra incendis.L'empresa necessitava una solució de sòl per ajudar a reduir el pes i complir els estàndards de protecció contra incendis.El sòl compost lleuger és la resposta.
Saertex, fabricant de teixits compostos amb seu a Alemanya, ofereix un sistema de materials LEO® per als seus sòls.Daniel Stumpp, cap global de màrqueting de Saertex Group, va dir que LEO és un teixit en capes i no enganxat que ofereix propietats mecàniques més elevades i un potencial lleuger més gran que els teixits.El sistema compost de quatre components inclou recobriments especials resistents al foc, materials reforçats amb fibra de vidre, SAERfoam® (un material bàsic amb ponts de fibra de vidre 3D integrats) i resines de vinil èster LEO.
SMT (també amb seu a Alemanya), un fabricant de materials compostos, va crear el sòl mitjançant un procés d'ompliment al buit utilitzant bosses de buit de silicona reutilitzables fetes per Alan Harper, una empresa britànica."Hem estalviat al voltant del 50 per cent del pes de la fusta contraxapada anterior", va dir Stumpp.“El sistema LEO es basa en laminats de fibra contínua amb un sistema de resina sense farciment amb excel·lents propietats mecàniques... . A més, el compost no es podreix, la qual cosa és un gran avantatge, sobretot a les zones on neva a l'hivern i el el terra està mullat".El terra, la catifa superior i el material de cautxú compleixen els nous estàndards ignífugs.
SMT ha produït més de 32.000 peus quadrats de panells, que s'han instal·lat en aproximadament un terç dels vuit trens ICE-3 fins ara.Durant el procés de renovació, la mida de cada panell s'està optimitzant per adaptar-se a un cotxe en particular.El OEM de la berlina ICE-3 va quedar tan impressionat amb el nou sòl compost que ha encarregat un sostre compost per substituir parcialment l'antiga estructura metàl·lica del sostre dels vagons.
Anar més lluny
Proterra, un dissenyador i fabricant d'autobusos elèctrics de zero emissions amb seu a Califòrnia, ha estat utilitzant materials compostos en tots els seus cossos des del 2009. El 2017, la companyia va establir un rècord en conduir 1.100 milles d'anada amb el seu Catalyst carregat amb bateries. Autobús ®E2.Aquest autobús compta amb un cos lleuger fabricat pel fabricant de compostos TPI Composite.
* Recentment, TPI va col·laborar amb Proterra per produir un autobús elèctric compost tot en un integrat."En un autobús o camió típic, hi ha un xassís i la carrosseria se situa a sobre d'aquest xassís", explica Todd Altman, director de màrqueting estratègic de TPI.Amb el disseny de carcassa dura de l'autobús, hem integrat el xassís i la carrosseria, de manera similar al disseny del cotxe tot en un." Una estructura única és més eficaç que dues estructures separades per complir els requisits de rendiment.
La carrosseria d'una sola carcassa Proterra està construïda específicament, dissenyada des de zero per ser un vehicle elèctric.Aquesta és una distinció important, va dir Altman, perquè l'experiència de molts fabricants d'automòbils i fabricants d'autobusos elèctrics ha estat provar intents limitats d'adaptar els seus dissenys tradicionals de motors de combustió interna als vehicles elèctrics."Agafen les plataformes existents i intenten empaquetar tantes piles com sigui possible. No ofereix la millor solució des de cap punt de vista".", va dir Altman.
Molts autobusos elèctrics, per exemple, tenen bateries a la part posterior o a la part superior del vehicle.Però per a Proterra, TPI és capaç de muntar la bateria sota l'autobús."Si esteu afegint molt pes a l'estructura del vehicle, voleu que aquest pes sigui el més lleuger possible, tant des del punt de vista del rendiment com des del punt de vista de la seguretat", va dir Altman.Va assenyalar que molts fabricants d'autobusos i automòbils elèctrics tornen ara a la taula de dibuix per desenvolupar dissenys més eficients i específics per als seus vehicles.
TPI ha signat un acord de cinc anys amb Proterra per produir fins a 3.350 carrosseries d'autobusos compostes a les instal·lacions de TPI a Iowa i Rhode Island.
Necessitat de personalitzar
Dissenyar la carrosseria de l'autobús Catalyst requereix que TPI i Proterra equilibrin constantment els punts forts i febles de tots els diferents materials perquè puguin assolir els objectius de costos alhora que aconsegueixen un rendiment òptim.Altman va assenyalar que l'experiència de TPI en la producció de grans pales de vent d'uns 200 peus de llarg i un pes de 25.000 lliures els fa relativament fàcil produir carrosseries d'autobusos de 40 peus que pesin entre 6.000 i 10.000 lliures.
TPI és capaç d'obtenir la resistència estructural requerida utilitzant selectivament fibra de carboni i retenint-la per reforçar les zones que suporten la càrrega més gran."Fem servir fibra de carboni on bàsicament podeu comprar un cotxe", va dir Altman.En general, la fibra de carboni representa menys del 10 per cent del material de reforç compost del cos, i la resta és fibra de vidre.
TPI va triar la resina d'ester vinílic per un motiu similar."Quan mirem els epoxis, són genials, però quan les cures, has d'augmentar la temperatura, així que has d'escalfar el motlle. És una despesa addicional", ha continuat.
L'empresa utilitza l'emmotllament per transferència de resina assistida al buit (VARTM) per produir estructures sandvitx compostes que proporcionen la rigidesa necessària a una sola carcassa.Durant el procés de fabricació, alguns accessoris metàl·lics (com ara accessoris roscats i plaques de rosca) s'incorporen al cos.L'autobús es divideix en parts superior i inferior, que després s'enganxen.Els treballadors han d'afegir més tard petits adorns compostos, com ara carenats, però el nombre de peces és una fracció del bus metàl·lic.
Després d'enviar la carrosseria acabada a la planta de producció d'autobusos de Proterra, la línia de producció flueix més ràpid perquè hi ha menys feina per fer."No han de fer tota la soldadura, mòlta i fabricació, i tenen una interfície molt senzilla per connectar el cos al tren de transmissió", va afegir Altman.Proterra estalvia temps i redueix les despeses generals perquè es requereix menys espai de fabricació per a la closca monocòtica.
Altman creu que la demanda de carrosseries d'autobusos compostes continuarà creixent a mesura que les ciutats recorren als autobusos elèctrics per reduir la contaminació i reduir costos.Segons Proterra, els vehicles elèctrics de bateria tenen el cost de cicle de vida operatiu més baix (12 anys) en comparació amb els autobusos dièsel, gas natural comprimit o híbrids dièsel.Aquesta pot ser una de les raons per les quals Proterra diu que les vendes d'autobusos elèctrics amb bateries representen ara el 10% del mercat total del transport.
Encara hi ha alguns obstacles per a l'aplicació àmplia de materials compostos a la carrosseria de l'autobús elèctric.Una és l'especialització de les diferents necessitats dels clients d'autobús."A totes les autoritats de trànsit els agrada aconseguir autobusos d'una manera diferent: configuració del seient, obertura de l'escotilla. És un gran repte per als fabricants d'autobusos, i molts d'aquests elements de configuració podrien arribar a nosaltres"."Altman va dir. "Els fabricants de carrosseries integrats volen tenir una construcció estàndard, però si cada client vol un alt grau de personalització, serà difícil fer-ho." TPI continua treballant amb Proterra per millorar el disseny de l'autobús per gestionar millor. la flexibilitat requerida pels clients finals.
Exploreu la possibilitat
Composites continua provant si els seus materials són adequats per a noves aplicacions de transport massiu.Al Regne Unit, ELG Carbon Fibre, especialitzada en tecnologia per reciclar i reutilitzar fibra de carboni, lidera un consorci d'empreses que desenvolupen materials compostos lleugers per a bogies en cotxes de passatgers.El bogie suporta la carrosseria del cotxe, guia el conjunt de rodes i manté la seva estabilitat.Ajuden a millorar la comoditat de conducció absorbint les vibracions del rail i minimitzant la força centrífuga a mesura que el tren gira.
Un dels objectius del projecte és produir bogies que siguin un 50 per cent més lleugers que els bogies metàl·lics comparables.“Si el bogie és més lleuger, provocarà menys danys a la via, i com que la càrrega a la via serà menor, el temps de manteniment i els costos de manteniment es poden reduir”, diu Camille Seurat, enginyera de desenvolupament de productes d'ELG.Els objectius addicionals són reduir en un 40% les forces de les rodes laterals al carril i proporcionar un seguiment de l'estat de vida útil.La Junta de Normes i Seguretat Ferroviària (RSSB) sense ànim de lucre del Regne Unit està finançant el projecte amb l'objectiu de produir un producte comercialment viable.
S'han realitzat amplis assaigs de fabricació i s'han fet una sèrie de panells de prova utilitzant preimpregnats de premsat en matriu, layup humit convencional, perfusió i autoclau.Com que la producció dels bogies seria limitada, l'empresa va triar el preimpregnat epoxi curat en autoclaus com el mètode de construcció més rendible.
El prototip de bogie de mida completa té 8,8 peus de llarg, 6,7 peus d'ample i 2,8 peus d'alçada.Està fet d'una combinació de fibra de carboni reciclada (coixinets no teixits proporcionats per ELG) i teixit de fibra de carboni en brut.Les fibres unidireccionals s'utilitzaran per a l'element de resistència principal i es col·locaran al motlle mitjançant tecnologia robòtica.Es seleccionarà un epoxi amb bones propietats mecàniques, que serà un epoxi ignífug de nova formulació que ha estat certificat EN45545-2 per al seu ús en ferrocarrils.
A diferència dels bogies d'acer, que es solden des de bigues de direcció a dues bigues laterals, els bogies compostos es construiran amb diferents parts superiors i inferiors que després s'uneixen.Per substituir els bogies metàl·lics existents, la versió composta haurà de combinar els suports de connexió de suspensió i fre i altres accessoris en la mateixa posició."De moment, hem optat per mantenir els accessoris d'acer, però per a projectes posteriors, podria ser interessant substituir els accessoris d'acer per accessoris de tipus compost perquè puguem reduir encara més el pes final", va dir Seurat.
Un membre del consorci del Grup de Sensors i Composites de la Universitat de Birmingham està supervisant el desenvolupament del sensor, que s'integrarà al bogie compost en l'etapa de fabricació."La majoria dels sensors es centraran a controlar la tensió en punts discrets del bogie, mentre que altres són per a la detecció de temperatura", va dir Seurat.Els sensors permetran el seguiment en temps real de l'estructura composta, permetent recopilar dades de càrrega durant tota la vida.Això proporcionarà informació valuosa sobre la càrrega màxima i la fatiga a llarg termini.
Els estudis preliminars indiquen que els bogies composts haurien de ser capaços d'aconseguir la reducció de pes desitjada del 50%.L'equip del projecte espera tenir un gran bogie a punt per a la prova a mitjans de 2019.Si el prototip funciona com s'esperava, produiran més bogies per provar els tramvies fabricats per Alstom, l'empresa de transport ferroviari.
Segons Seurat, tot i que encara queda molta feina per fer, els primers indicis suggereixen que és possible construir un bogie compost comercialment viable que pugui competir amb els bogies metàl·lics en cost i resistència."Llavors crec que hi ha moltes opcions i aplicacions potencials per als compostos a la indústria ferroviària", va afegir.(Article reimprès de Carbon Fiber and Its Composite Technology pel Dr. Qian Xin).
Hora de publicació: Mar-07-2023