525 KB

тема номера: нетканые материалы в автомобилях
Потенциальные возможности
применения высокомодульных
волокон в автомобилестроении
C. Wilms, M. Warnecke, G. Seide, T. Gries, H. Yilmaz, O. Lorz,
RWTH Aachen University
Высокомодульные волокна – прежде всего, углеродные и стеклянные – уже нашли широкое применение в автомобилестроении. Классическим примером их использования является производство бамперов или не относящихся к несущим деталям частей кузова из армированных такими волокнами композиционных материалов. Высокая потребность в легких конструкционных материалах для автомобильного сектора предопределяет быстро растущий спрос
на высокомодульные волокна. В научно-технической литературе роль таких волокон в транспортном строительстве редко рассматривается с учетом экономических аспектов. Предлагаемая читателям статья должна отчасти восполнить этот пробел. Научно-экономическая модель позволяет наглядно представить себе потенциальные
возможности подобных материалов и подчеркнуть наиболее важные аспекты связанной с ними темы. Наряду с современным состоянием дел ниже рассмотрено перспективное значение высокомодульных волокон как универсального материала для автомобилестроения с высокими потенциальными возможностями снижения расходов.
Под высокомодульными волокнами понимают искусственно полученные волокна, которые характеризуются, прежде всего, очень высокими показателями
механических свойств. Сами по себе они едва ли могут быть использованы в качестве конструкционных
материалов, но в то же время широко применяются в
сочетании с другими компонентами для изготовления
композиционных материалов многообразного назначения. Возможность замены такими композиционными материалами высокопрочных металлов с одновременным резким уменьшением массы готовых изделий
открывает перед ними очень широкие перспективы.
В промышленности из всего ассортимента высокомодульных волокон наиболее широкое применение нашли стеклянные волокна (рис. 1). В то же время по прогнозам ожидается значительный рост объемов потребления углеродных волокон, в первую очередь благодаря очень высоким показателям их прочности и жесткости. Преимущества арамидных волокон проявляются в наибольшей степени в тех областях, где от материалов требуется высокое поглощение энергии. Базальтовые волокна уже в течение нескольких десятилетий
обсуждаются в качестве потенциального заменителя
стеклянных волокон.
При анализе потенциальных возможностей применения высокомодульных волокон в автомобилестроении используются два основных подхода. С
C. Wilms, M. Warnecke, G. Seide, T. Gries, H. Yilmaz, O. Lorz.
Hochmodulfasern im Automobilbau – Einsatz und Potentialanalyse.
Technische Textilien. – 2011. – Nr. 1. S. 14–16.
2
Cтеклянные
87,0 %
Натуральные
11,0 %
Углеродные
0,7 %
Другие
0,8 %
Арамидные
0,5 %
Рис. 1. Распределение волокон разных видов по объемам применения в промышленности
«внутренней» точки зрения оцениваются и сравниваются между собой, прежде всего, свойства волокон разных видов. При этом становится достаточно
очевидным тот факт, что для каждого вида высокомодульных волокон существуют свои наиболее целесообразные области применения, в рамках которых
одни волокна могут быть заменены другими только отчасти и с определенными ограничениями. Так,
например, стеклянные волокна имеют средние, но
для многих областей применения вполне достаточные, показатели прочности и жесткости. Их основное преимущество по отношению к углеродным и
арамидным волокнам заключается в относительно
низкой стоимости. Аналогичные сравнения могут
быть сделаны и в отношении других свойств.
не ткан ые матери алы продукция оборудование технологии август /2011
тема номера: нетканые материалы в автомобилях
«Внешний» анализ связан с более абстрактным подходом. В этом случае, прежде всего необходимо разработать модель, с помощью которой идентифицируются, а впоследствии описываются в своих проявлениях и анализируются отдельные влияющие факторы. В наиболее общем виде подобный анализ может
выполняться в соответствии с принципом структурного анализа отрасли, предложенным М. Е. Портером
(M. E. Porter) (рис. 2). При этом рассматривается развитие группы продукции, в частности, высокомодульных волокон. В процессе такого анализа рассматриваются не результаты воздействия отрасли на предприятие, а изучается влияние продукции на отрасль, т. е.
соревнование не внутри отрасли, а между различными
видами материалов. Главными детерминантами соревнования являются сила поставщиков и потребителей,
а также возможности замены производимых в настоящее время видов продукции новыми альтернативными материалами.
Потенциальные
новые конкуренты
Конкуренция
в отрасли
Поставщики
Соперничество
между
существующими
предприятиями
Потребители
Новые
виды продукции
Рис. 2. Схема анализа структуры отрасли по М. Е. Портеру
При более внимательном рассмотрении становится
понятно, что в анализируемом контексте государство
можно понимать как важную движущую силу преобразований. Во всем мире активно обсуждаются проблемы, связанные с выбросами углекислого газа. В
Китае, США, Европе и Японии приняты различные
предписания и законы, предусматривающие целенаправленное влияние на развитие в этой области. В Европе ассоциация ACEA (Assotiation des Constructeurs
Europeens d’Automobilis) в 1995 г. добровольно приняла на себя обязательство снизить выбросы углекислого
газа для новых автомобилей к 2012 г. до 130 г/км. Японией было принято решение добиться аналогичного
результата к 2010 г. К подобным результатам намерены прийти и США, однако в данном случае конкретные числа не называются. Китай рассматривает себя
как нового потенциального конкурента другим крупным автомобилестроительным регионам и также на государственном уровне планирует добиться снижения
выбросов углекислого газа до 120–130 г/км. Данные о
н етка н ые м ате р иа лы продукция оборудование технологии август /2011
3
тема номера: нетканые материалы в автомобилях
М, г/км
250
210
200
180
150
180
125
160
125
140
120
135
130
100
50
0
2002
2005 Прогноз 2005 Прогноз 2006
Китай
США
2008
Европа
2012
2005 2010
Япония
Рис. 3. Изменение требований к выбросам углекислого газа (М)
автомобилями в основных странах и регионах мира
современном уровне выбросов углекислого газа в разных странах мира и о поставленных ими перед собой
целях приведены на рис. 3.
Вопросы вторичной переработки также находятся
в ведении государства и состояние дел в этой области
оказывает существенное влияние на применение высокомодульных волокон в автомобилестроении. Решение этих вопросов является - согласно определению Портера – одной из составляющих движущей
силы государства. Начиная с 2005 г. доля пригодных
для повторной переработки компонентов автомобилей в Европе должна составлять по меньшей мере
85 %, а в Японии – не менее 90 %. На 2015 г. запланировано повышение этой доли на 5 %, т. е. соответственно до 90 % и 95 %. В США и Китае подобные
планы отсутствуют.
Прямыми поставщиками автомобилестроительных
предприятий являются поставщики комплектующих и
производители сырья. Они тесно сотрудничают друг с
другом и совместно разрабатывают новые концепции,
которые позволяли бы им сохранять стабильное положение в отрасли в течение продолжительного времени.
В роли потребителей в таком контексте выступают автомобилестроительные предприятия, а не покупатели
автомобилей. Предприятия оказывают огромное влияние на всю цепочку создающих стоимость видов деятельности в масштабах всей отрасли. Между автомобилестроителями действует жесткая конкуренция. Чтобы
закрепиться на рынке, они постоянно требуют от своих поставщиков поиска более экономичных и лучших
альтернативных решений. Наряду с экономической
эффективностью на переднем плане в настоящее время постоянно находятся вопросы стабильного обеспечения экологической безопасности производства, эксплуатации и утилизации автомобилей.
Портер объясняет появление новых игроков в отрасли стремлением обеспечить себе экономические
преимущества. Вопрос о том, способствуют ли высокомодульные волокна снижению расходов, не относится к числу простых. Как правило эти волокна не
приносят прямой экономии в процессе производства
продукции, но приобретают большую ценность у по-
4
требителей, так как с их помощью удается в большей
степени удовлетворить требования со стороны государства и притязания заказчиков, а следовательно укрепить позиции автопроизводителей на рынке. Центральная проблема связана с конечным потребителем
транспортных средств. Он хотя и предъявляет высокие требования к автомобилям, но в то же время как
правило не готов покупать их по более высоким ценам. По этой причине именно от производственного
процесса необходимо добиваться минимизации, полного исключения дополнительных и даже снижения
фактичес­ких расходов.
В настоящее время существует множество различных вариантов практической реализации производственного процесса. Однако, несмотря на их многообразие, в наиболее широких масштабах при крупносерийном производстве автомобилей применяются технологии литья под давлением и различные способы
прессования. Основанные на использовании этих технологий процессы производства композиционных материалов и изделий могут быть относительно просто автоматизированы, что создает необходимые условия для
экономичного изготовления крупных партий продукции. Наиболее выгодными с технико-экономической
точки зрения являются технологии:
•• литья под давлением изделий из термопластов
(thermoplastic injection molding);
•• производства листовых полуфабрикатов для формования (sheet molding compounds);
•• производства полуфабрикатов для формования на
основе коротковолокнистых и порошкообразных наполнителей (bulk molding compounds).
Все эти технологии нашли достаточно широкое
применение во многих секторах автомобильной промышленности.
Центральными звеньями пятифакторной модели по
Портеру являются соревнование и соперничество. С
этой точки зрения наряду с конкуренцией между участниками рынка следует упомянуть технологическое соревнование на уровне применяемых концепций и материалов. В секторе исходных материалов наблюдается два вида конкуренции: между разными видами волокон, а также между волокнами и прочими материалами, в частности, сталью, алюминием и другими металлами. В этом отношении существует определенная диверсификация стратегий автомобилестроителей. Компания BMW AG (г. Мюнхен) в сотрудничестве с компанией SGL Carbon SE (г. Висбаден) делает ставку на
непрерывное совершенствование легких конструкций
на основе композиционных материалов с армирующими углеродными волокнами. Компания Audi AG (г. Ингольштадт) уже в течение многих лет интенсивно занимается вопросами повышения эффективности использования алюминия в автомобилях и также планирует развивать производство легких конструкций с применением армирующих углеродных волокон. Компания Ford Motor Company (г. Дирборн, Мичиган/США)
основной упор делает на совершенствование высоко-
не ткан ые матери алы продукция оборудование технологии август /2011
тема номера: нетканые материалы в автомобилях
Стеклянные
волокна
Прессование
Углеродные
волокна
Литье
под давлением
Крупные
серии
Широкое применение
в настоящее время
Малые
и средние
серии
Арамидные
волокна
Базальтовые
волокна
Ручные
способы
Специальные
технологии
Специальное
применение
Частичное
или активное применение
Рис. 4. Фактическое и потенциальное применение волокон для изготовления изделий для автомобильной промышленности различными способами
прочных сталей и изготавливаемых по технологии литья под давлением компонентов, армированных натуральными волокнами. Высокомодульные волокна в настоящее время она использует в ограниченных масштабах. Из всего этого можно сделать вывод, что потребуется еще определенное время пока дело дойдет до широкомасштабного использования высокомодульных волокон. В настоящее время важным фактором, определяющим развитие отрасли, является проблема снижения выбросов углекислого газа. Участники рынка стремятся удержать свои позиции, а не усиливать борьбу за
увеличение присутствия на рынке путем специализации своей деятельности.
Приведенный выше анализ позволяет оценить потенциальные возможности расширения объемов использования высокомодульных волокон в автомобильной промышленности. Из него следует также, что весьма существенное влияние на эту тенденцию оказывают перерабатывающие технологии. Именно их совершенствование должно стать основой для более широкого применения новых видов волокон в такой чувствительной к производственным расходам отрасли, как автомобильная промышленность. «Внутренний» анализ
свойств волокон и «внешний» анализ рыночной ситуации доказывают, что для каждого вида волокон существуют свои особые условия потенциального развития.
Это в общем виде проиллюстрировано на рис. 4.
Перевод А. П. Сергеенкова
High modulus fibers in the automotive industry –
combination of a technical and an economic
perspective
C. Wilms, M. Warnecke, G. Seide, T. Gries, H. Yilmaz,
O. Lorz
High modulus fibers, especially carbon and glass fibers are
already used in a wide range of automotive applications. Typical
examples are fiber reinforced structures, for instance the shock
absorber and not load bearing parts of the body. The demand for
high modulus fibers in the automotive industry is most likely to
increase. The scientific literature analyzes the role of these fibers
for transportation, especially automotive industry, rarely form
an economic point of view. This paper attempts to fill this gap. It
is possible to show the potential of these materials with common
economic analysis tools. Besides the current applications the future
role as all-purpose materials with high potential for the reduction
of costs is estimated for the automotive industry.
н етка н ые м ате р иа лы продукция оборудование технологии август /2011
5