Muovikomposiittien hyödyntäminen ajoneuvon runkorakenteessa
Syvänne, Ossi (2013)
Syvänne, Ossi
2013
Materiaalitekniikan koulutusohjelma
Teknisten tieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2013-12-04
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312191508
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201312191508
Tiivistelmä
Muovikomposiittien hyödyntäminen ajoneuvojen rakenteissa on kasvava trendi, jossa erityisesti hiilikuitukomposiitit ovat tällä hetkellä nousemassa esille. Syynä ovat kasvavat ympäristövaatimukset ja toiveet polttoaineen kulutuksen alentumisesta. Pääasiallinen keino vastata tähän on painon alentaminen käyttämällä uusia materiaaleja. Tässä työssä kerrotaan perustietämystä komposiittien valmistukseen, käyttöön ja suunnitteluun liittyen. Erityispaino on pultruusiomenetelmän tutkimisella ja sen käytettävyyden selvittämisellä.
Työ on kaksiosainen: Työn alkuosioissa esitellään teoriaa kuitulujitettuihin muovikomposiittimateriaaleihin, näiden käyttöön ja suunnitteluun liittyen. Tämän lisäksi esitellään lyhyesti metallimateriaalit ja verrataan näitä muovikomposiitteihin. Tämän lisäksi esitellään pultruusio ja sen eri variaatiot sekä tutkitaan kuinka se vertautuu muihin menetelmiin ja erityisesti alumiiniprofiileihin.
Työn toinen osuus keskittyy mahdollisiin sovelluskohteisiin autoteollisuudessa. Osuudessa pyritään virtuaalisten esimerkkien avulla osoittamaan käyttökohteita pultruusiomenetelmälle ja tapoja pultruusioprofiilien liittämiseen. Pultruusion lisäksi esitetään myös muita vaihtoehtoisia tapoja valmistaa kantavia osia muovikomposiiteista. Työssä esitellään myös pultruusiota hyödyntävä konseptiauto.
Selvityksen perusteella pultruusiomenetelmällä voidaan valmistaa erittäin suuria kappaleita kustannustehokkaasti. Materiaalien ja lujitteiden kuitusuuntien muokkaaminen mahdollistaa monipuolisen ominaisuuksien räätälöimisen. Suurimmiksi rajoitteeksi osoittautuvat lähes poikkeuksetta saatava vakiopoikkileikkaus sekä jälkityöstön hankaluus. Saatavat edut painon vähentämisessä alumiiniin verrattuna ovat ilman hyvää suunnittelua lähes olemattomat ja kustannukset nousevat usein suuremmiksi. Pultruusioprofiilien hyödyntäminen vaatiikin niiden muiden materiaaliominaisuuksien tai kokorajoitteiden hyödyntämistä, jotta saataisiin selkeää etua alumiiniin verrattuna. Komposiittien kannalta voikin olla hyödyllisempää tutkia muita menetelmiä ja hyödyntää pultruusiota ainoastaan rajallisissa tapauksissa. The use of plastic composites in vehicles' structures is a growing trend where especially carbon fiber composites have taken their place in spotlights. The main reasons for this are the ever strickening pollution regulations and wishes of higher gas mileage. The main way of achieving this is by trying to lower the overall weight by use of new materials. This thesis presents the common knowledge concerning plastic composites and their use and design. Special notice is given to pultrusion manufacturing method and its feasibility in structural car parts.
The thesis consists two parts: In first part plastic composites, their use and design is presented. Metal materials are also shortly described and compared to plastic composites. Also pultrusion, its variations and how they compare to other methods is evaluated.
Second part is focused on possible uses of plastic composite in automotive structures. Virtual examples of how pultrusion and plastic composites could be used are shown. As a final example a concept vehicle that utilizes pultrusion is examined.
The study shows that pultrusion is ecomical way to manufacture large automotive parts. Materials and orientation of reinforcement can be varied to design specific properties to final products. Pultrusion is basicly constrained to specific cross-section and lacks the possibility of postforming as mainly thermosetting materials are used. The advantages in weight compared to aluminium need advanced designing and usually raise costs greatly. To use pultrusion one should find other advantages gained from material properties or the lack of dimensional constrains to really gain advantage compared to aluminium profiles. Concerning pultrusion it could be more profitable to study other manufacturing methods and to use pultrusion only in very limited applications.
Työ on kaksiosainen: Työn alkuosioissa esitellään teoriaa kuitulujitettuihin muovikomposiittimateriaaleihin, näiden käyttöön ja suunnitteluun liittyen. Tämän lisäksi esitellään lyhyesti metallimateriaalit ja verrataan näitä muovikomposiitteihin. Tämän lisäksi esitellään pultruusio ja sen eri variaatiot sekä tutkitaan kuinka se vertautuu muihin menetelmiin ja erityisesti alumiiniprofiileihin.
Työn toinen osuus keskittyy mahdollisiin sovelluskohteisiin autoteollisuudessa. Osuudessa pyritään virtuaalisten esimerkkien avulla osoittamaan käyttökohteita pultruusiomenetelmälle ja tapoja pultruusioprofiilien liittämiseen. Pultruusion lisäksi esitetään myös muita vaihtoehtoisia tapoja valmistaa kantavia osia muovikomposiiteista. Työssä esitellään myös pultruusiota hyödyntävä konseptiauto.
Selvityksen perusteella pultruusiomenetelmällä voidaan valmistaa erittäin suuria kappaleita kustannustehokkaasti. Materiaalien ja lujitteiden kuitusuuntien muokkaaminen mahdollistaa monipuolisen ominaisuuksien räätälöimisen. Suurimmiksi rajoitteeksi osoittautuvat lähes poikkeuksetta saatava vakiopoikkileikkaus sekä jälkityöstön hankaluus. Saatavat edut painon vähentämisessä alumiiniin verrattuna ovat ilman hyvää suunnittelua lähes olemattomat ja kustannukset nousevat usein suuremmiksi. Pultruusioprofiilien hyödyntäminen vaatiikin niiden muiden materiaaliominaisuuksien tai kokorajoitteiden hyödyntämistä, jotta saataisiin selkeää etua alumiiniin verrattuna. Komposiittien kannalta voikin olla hyödyllisempää tutkia muita menetelmiä ja hyödyntää pultruusiota ainoastaan rajallisissa tapauksissa.
The thesis consists two parts: In first part plastic composites, their use and design is presented. Metal materials are also shortly described and compared to plastic composites. Also pultrusion, its variations and how they compare to other methods is evaluated.
Second part is focused on possible uses of plastic composite in automotive structures. Virtual examples of how pultrusion and plastic composites could be used are shown. As a final example a concept vehicle that utilizes pultrusion is examined.
The study shows that pultrusion is ecomical way to manufacture large automotive parts. Materials and orientation of reinforcement can be varied to design specific properties to final products. Pultrusion is basicly constrained to specific cross-section and lacks the possibility of postforming as mainly thermosetting materials are used. The advantages in weight compared to aluminium need advanced designing and usually raise costs greatly. To use pultrusion one should find other advantages gained from material properties or the lack of dimensional constrains to really gain advantage compared to aluminium profiles. Concerning pultrusion it could be more profitable to study other manufacturing methods and to use pultrusion only in very limited applications.