A ricerca straniera in u campu di i materiali cumposti per u transitu ferroviariu hè stata per quasi mezu seculu.Ancu s'è u rapidu sviluppu di u transitu ferroviariu è di a ferrovia d'alta velocità in Cina è l'applicazione di materiali compositi domestici in questu campu sò in piena crescita, a fibra rinfurzata di materiali compositi largamente usata in u transitu ferroviariu straneru hè più fibra di vetru, chì hè sfarente da quellu di i cumposti di fibra di carbone in Cina.Cumu l'anu dettu in questu articulu, a fibra di carbone hè menu di u 10% di i materiali cumposti per u corpu sviluppatu da TPI Composites Company, è u restu hè fibra di vetru, cusì pò equilibrà u costu mentre assicurendu ligeru.L'usu massiu di fibra di carbone porta inevitabbilmente à difficultà di costu, per quessa pò esse usatu in certi cumpunenti strutturali chjave cum'è bogies.
Per più di 50 anni, Norplex-Micarta, un fabricatore di composti termoindurenti, hà avutu un affari stabile chì produce materiali per l'applicazioni di transitu ferroviariu, cumprese treni, sistemi di frenu di ferrovia leggera, è insulazione elettrica per rails elettrici elevati.Ma oghje, u mercatu di a cumpagnia hè in espansione oltre un nichu relativamente strettu in più applicazioni cum'è muri, tetti è pavimenti.
Dustin Davis, direttore di u sviluppu di l'affari per Norplex-Micarta, crede chì i mercati di u trasportu ferroviariu è di l'altri mercati di trasportu di massa furnisceranu sempre più opportunità per a so cumpagnia, è ancu per altri pruduttori è fornitori di composti in l'anni à vene.Ci hè parechje ragioni per questa crescita prevista, unu di i quali hè l'adopzione europea di u standard di u focu EN 45545-2, chì introduce esigenze più strette di prutezzione di u focu, u fumu è u gas (FST) per u trasportu di massa.Utilizendu sistemi di resina fenolica, i pruduttori di cumposti ponu incorpore e proprietà di prutezzione di u focu è di u fumu necessarii in i so prudutti.
Inoltre, l'operatori di l'autobus, di u metro è di u trenu cumincianu à capisce i vantaghji di i materiali cumposti in a riduzione di a vibrazione rumosa è a cacofonia."Se avete mai statu in u metro è avete intesu una piastra di metallo sbattulà", disse Davis.Se u pannellu hè fattu di materiale cumpostu, muterà u sonu è farà u trenu più tranquillu ".
U pesu più ligeru di u compostu rende ancu attraente per l'operatori di autobus interessati à riduce l'usu di carburante è espansione a so gamma.In un rapportu di settembre 2018, l'impresa di ricerca di u mercatu Lucintel hà previstu chì u mercatu glubale per i cumposti utilizati in u trasportu di massa è i veiculi off-road crescerà à un ritmu annuale di 4,6 per centu trà u 2018 è u 2023, cù un valore potenziale di $ 1 miliardi per u 2023. L'oppurtunità venenu da una varietà di applicazioni, cumprese l'esterno, l'internu, i pezzi di cappucciu è di powertrain, è cumpunenti elettrici.
Norplex-Micarta pruduci avà novi pezzi chì sò attualmente pruvati nantu à e linee di ferrovia ligera in i Stati Uniti.Inoltre, a cumpagnia cuntinueghja à fucalizza nantu à i sistemi di elettrificazione cù materiali di fibra cuntinuu è li combina cù sistemi di resina di curazione più veloce."Pudete riduce i costi, aumentà a produzzione, è portà a piena funziunalità di FST fenolica à u mercatu", spiegò Davis.Mentre i materiali cumposti ponu esse più caru cà e parti metalliche simili, Davis dice chì u costu ùn hè micca u fattore determinante di l'applicazione chì studianu.
Luce è ritardante di fiamma
A ristrutturazione di a flotta di l'operatore ferroviariu europeu Duetsche Bahn di 66 vitture ICE-3 Express hè una di e capacità di materiali compositi per risponde à i bisogni specifichi di i clienti.U sistema di climatizazione, u sistema di divertimentu di i passageri è i posti novi aghjunghjenu un pesu innecessariu à i vagoni ICE-3.Inoltre, u pavimentu di plywood originale ùn hà micca scuntratu i novi standard di u focu europei.A cumpagnia avia bisognu di una suluzione di pavimenti per aiutà à riduce u pesu è risponde à i normi di prutezzione di u focu.Pavimenti compositi ligeri sò a risposta.
Saertex, un fabricatore di tessuti compositi basati in Germania, prupone un sistema di materiale LEO® per i so pavimenti.Daniel Stumpp, capu glubale di marketing in Saertex Group, hà dettu chì LEO hè un tessulu stratificato, senza crimpatu chì offre proprietà meccaniche più elevate è un putenziale ligeru più grande cà i tessuti tissuti.U sistema compostu di quattru cumpunenti include rivestimenti speciali resistenti à u focu, materiali rinfurzati in fibra di vetro, SAERfoam® (un materiale core cù ponti in fibra di vetro 3D integrati), è resine di vinilester LEO.
SMT (basatu ancu in Germania), un fabricatore di materiali compositi, hà creatu u pavimentu attraversu un prucessu di riempimentu di vacuum usendu sacchetti di vacuum di silicone riutilizzabili fatti da Alan Harper, una cumpagnia britannica."Avemu salvatu circa 50 per centu di u pesu da u plywood precedente", disse Stumpp."U sistema LEO hè basatu nantu à laminati di fibra cuntinuu cù un sistema di resina non-pienu cù proprietà meccaniche eccellenti ... . In più, u compostu ùn si putrissi, chì hè un grande vantaghju, soprattuttu in i zoni induve neva in l'inguernu è l'inguernu. u pianu hè bagnatu ".U pavimentu, a moquette superiore è u materiale di gomma rispondenu à i novi standard di ignifuga.
SMT hà pruduttu più di 32 000 metri quadrati di pannelli, chì sò stati installati in circa un terzu di l'ottu treni ICE-3 finu à a data.Durante u prucessu di rinnuvamentu, a dimensione di ogni pannellu hè ottimizzata per adattà à una vittura particulare.L'OEM di a berlina ICE-3 hè statu cusì impressiunatu cù u novu pavimentu compostu chì hà urdinatu un tettu compositu per rimpiazzà parzialmente l'antica struttura di tettu metallicu in i vagoni ferroviari.
Andate più in là
Proterra, un designer è fabricatore di autobus elettrici à emissioni zero, basatu in California, hà utilizatu materiali cumposti in tutti i so corpi dapoi u 2009. In 2017, a cumpagnia hà stabilitu un record cunducendu 1.100 mille unidirezionali nantu à u so Catalyst caricatu di batterie. ® bus E2.Ddu autobus presenta un corpu ligeru fattu da u fabricatore di compostu TPI Composite.
* Recentemente, TPI hà cullaburatu cù Proterra per pruduce un autobus elettricu cumpostu integratu all-in-one."In un autobus o camion tipicu, ci hè un chassis, è u corpu si trova nantu à quellu chassis", spiega Todd Altman, direttore di marketing strategicu in TPI.Cù u disignu di a cunchiglia dura di l'autobus, avemu integratu u chassis è u corpu inseme, simili à u disignu di a vittura all-in-one. "Una struttura unica hè più efficace chè duie strutture separate per risponde à i requisiti di prestazione.
U corpu Proterra unicu-shell hè custruitu apposta, cuncepitu da zero per esse un veiculu elettricu.Hè una distinzione impurtante, Altman hà dettu, perchè l'esperienza di parechji costruttori d'automobili è di l'autobus elettrici hè stata di pruvà tentativi limitati di adattà i so disinni tradiziunali per i motori di combustione interna à i veiculi elettrici."Stanu pigghiannu e plataformi esistenti è pruvate d'imballa quant'è batterie pussibule. Ùn offre micca a megliu suluzione da ogni puntu di vista "."Altman hà dettu.
Parechje autobus elettrici, per esempiu, anu batterie in u spinu o in cima di u veiculu.Ma per Proterra, TPI hè capaci di muntà a bateria sottu à l'autobus."Se aghjunghje assai pesu à a struttura di u veiculu, vulete chì u pesu sia u più ligeru pussibule, sia da u puntu di vista di rendiment sia da un puntu di vista di sicurezza", disse Altman.Hà nutatu chì parechji pruduttori di autobus elettrici è vitture tornanu avà à u tavulinu per sviluppà disinni più efficaci è mirati per i so veiculi.
TPI hà firmatu un accordu di cinque anni cù Proterra per pruduce finu à 3,350 corpi d'autobus cumposti in e strutture di TPI in Iowa è Rhode Island.
Hè bisognu di persunalizà
U disignu di u corpu di l'autobus Catalyst richiede chì TPI è Proterra equilibranu constantemente i punti di forza è i punti debbuli di tutti i diversi materiali in modu chì ponu scuntrà l'ugettivi di costu mentre ottene un rendimentu ottimale.Altman hà nutatu chì l'esperienza di TPI in a pruduzzione di grandi pale di ventu chì sò circa 200 piedi di longu è pesanu 25 000 liri li rende relativamente faciule per pruduce corpi di autobus di 40 piedi chì pesanu trà 6 000 è 10 000 liri.
TPI hè capaci di ottene a forza strutturale necessaria utilizendu selettivamente a fibra di carbonu è a retendula per rinfurzà e zone chì portanu a più grande carica."Usemu a fibra di carbonu induve pudete basamente cumprà una vittura", disse Altman.In generale, a fibra di carbone custituisce menu di u 10 per centu di u materiale di rinfurzà cumpostu di u corpu, cù u restu hè fibra di vetru.
TPI hà sceltu a resina di vinilester per una ragione simili."Quandu avemu vistu l'epoxi, sò grandi, ma quandu i guarisci, avete da elevà a temperatura, perchè avete a calà u moldu. Hè una spesa supplementu ", continuò.
A cumpagnia usa u vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) per pruduce strutture sandwich composite chì furnisce a rigidità necessaria à una sola cunchiglia.Duranti u prucessu di fabricazione, certi raccordi metallichi (cum'è raccordi filettati è platti di tapping) sò incorporati in u corpu.L'autobus hè divisu in parti supiriori è bassu, chì sò poi incollati.I travagliadori duveranu dopu aghjunghje picculi embellishments cumposti cum'è carene, ma u numeru di pezzi hè una frazzioni di l'autobus di metallu.
Dopu avè mandatu u corpu finitu à a pianta di pruduzzione di l'autobus Proterra, a linea di produzzione scorri più veloce perchè ci hè menu travagliu da fà."Ùn anu micca bisognu di fà tutte a saldatura, a macinazione è a fabricazione, è anu una interfaccia assai simplice per cunnette u corpu à u drivetrain", hà aghjustatu Altman.Proterra risparmia u tempu è riduce l'overhead perchè menu spaziu di fabricazione hè necessariu per a cunchiglia monocotica.
Altman crede chì a dumanda di corpi d'autobus cumposti continuerà à cresce mentre e cità tornanu à l'autobus elettrici per riduce a contaminazione è riduce i costi.Sicondu Proterra, i veiculi elettrici di a batteria anu u costu di u ciclu di vita operativu più bassu (12 anni) cumparatu cù u diesel, gas naturale cumpressu o autobus ibridi diesel.Questu pò esse unu di i mutivi perchè Proterra dice chì e vendite di autobus elettrici alimentati da batterie contanu avà per u 10% di u mercatu di trasportu tutale.
Ci hè ancu alcuni ostaculi à l'applicazione larga di materiali compositi in u corpu di l'autobus elettricu.Unu hè a specializazione di e diverse esigenze di i clienti di l'autobus."Ogni autorità di transitu li piace à piglià l'autobus in una manera diversa - cunfigurazione di u sediu, apertura di l'apertura. Hè una grande sfida per i pruduttori di autobus, è parechji di quelli elementi di cunfigurazione puderanu andà à noi "."Altman hà dettu. "I pruduttori di u corpu integrati volenu avè una custruzzione standard, ma se ogni cliente vole un altu gradu di persunalizazione, serà difficiule di fà. "TPI cuntinueghja à travaglià cù Proterra per rinfurzà u disignu di l'autobus per gestisce megliu. a flessibilità richiesta da i clienti finali.
Esplora a pussibilità
Composites cuntinueghja à pruvà se i so materiali sò adattati per novi applicazioni di trasportu di massa.In u Regnu Unitu, ELG Carbon Fibre, chì hè specializata in tecnulugia per u riciclamentu è a riutilizazione di a fibra di carbone, guida un cunsorziu di cumpagnie chì sviluppanu materiali compositi ligeri per bogies in vitture di passageri.U bogie sustene u corpu di a vittura, guida a rote è mantene a so stabilità.Aiutate à migliurà u cunfortu di viaghju assorbendu e vibrazioni ferroviarie è minimizendu a forza centrifuga mentre u trenu gira.
Un scopu di u prugettu hè di pruduce bogies chì sò 50 per centu più ligeri di bogies di metalli paragunabili."Se u bogie hè più liggeru, pruvucarà menu danni à a pista, è perchè a carica nantu à a pista serà più bassa, u tempu di mantenimentu è i costi di mantenimentu pò esse ridutta", dice Camille Seurat, ingegnere di sviluppu di produttu ELG.Obiettivi supplementari sò di riduce e forze di rota di u latu à a rota di u 40% è di furnisce u monitoraghju di e cundizioni di a vita.A Rail Safety and Standards Board (RSSB) senza prufittu di u Regnu Unitu finanzia u prugettu cù u scopu di pruduce un pruduttu cummerciale viable.
Pruvazioni estensive di fabricazione sò state realizate è una quantità di pannelli di prova sò stati fatti cù prepregs da pressa di fustelle, layup umitu convenzionale, perfusione è autoclave.Perchè a produzzione di i bogies seria limitata, a cumpagnia hà sceltu prepreg epossidicu curatu in autoclavi cum'è u metudu di custruzzione più efficau di u costu.
U prototipu di bogie full-size hè di 8,8 metri di lunghezza, 6,7 metri di larghezza è 2,8 metri d'altezza.Hè fattu da una cumminazione di fibra di carbone riciclata (cuscinetti non-tessuti furniti da ELG) è tela di fibra di carbone cruda.E fibre unidirezionali seranu aduprate per l'elementu di forza principale è seranu posti in u moldu cù a tecnulugia robotica.Serà selezziunata una epossidica cù boni proprietà meccaniche, chì serà una epossidica ritardante di fiamma di novu formulata chì hè stata certificata EN45545-2 per l'usu di e ferrovie.
A cuntrariu di i bogies d'acciaio, chì sò saldati da e travi di guida à dui travi laterali, i bogies composti seranu custruiti cù diverse cime è fondu chì sò poi uniti.Per rimpiazzà i bogies metallici esistenti, a versione composta duverà cumminà i supporti di cunnessione di sospensione è frenu è altri accessori in a listessa pusizione."Per avà, avemu sceltu di mantene i raccordi d'acciaio, ma per più prughjetti, puderia esse interessante di rimpiazzà i raccordi d'acciaio cù raccordi di tipu compostu in modu chì pudemu ancu riduce u pesu finale", disse Seurat.
Un membru di u cunsorziu di u Gruppu di Sensori è Compositi in l'Università di Birmingham hè a supervisione di u sviluppu di u sensoru, chì serà integratu in u bogie compositu in a fase di fabricazione."A maiò parte di i sensori si focalizeghjanu nantu à a surviglianza di a tensione in punti discreti di u bogie, mentre chì altri sò per a sensazione di a temperatura", disse Seurat.I sensori permettenu un monitoraghju in tempu reale di a struttura composta, chì permettenu a data di carica di a vita per esse recullata.Questu furnisce infurmazioni preziose nantu à a carica di punta è a fatigue à longu andà.
Studi preliminari indicanu chì i bogies composti duveranu esse capace di ottene a riduzione di pesu desiderata di 50%.A squadra di u prugettu spera di avè un grande bogie prontu per a prova à a mità di 2019.Se u prototipu funziona cum'è previstu, pruduceranu più bogies per pruvà tramvii fatti da Alstom, a cumpagnia di trasportu ferroviariu.
Sicondu Seurat, ancu s'ellu ci hè ancu assai travagliu per esse fattu, i primi indicazioni suggerenu chì hè pussibule di custruisce un bogie compositu viable cummerciale chì pò cumpete cù bogies di metalli in costu è forza."Allora pensu chì ci sò parechje opzioni è applicazioni potenziali per i composti in l'industria ferroviaria", aghjunse.(Articulu ristampatu da a Fibra di Carbone è a so Tecnologia Composita da u Dr Qian Xin).
Tempu di Postu: Mar-07-2023