Закат эпохи стали. Почему мы скоро увидим пластиковые автомобили на улицах города
Сталь широко используется во всех областях промышленности начиная со времен второй индустриальной революции. Однако пик ее потребления уже миновал, и сегодня все чаще сталь заменяют другими материалами.
Тенденцию отказа от металла можно проследить и на примере использования пластиков в автомобилестроении. Начиная с 1970-х годов доля металлических частей в автомобиле неуклонно снижается: если ранее обычный автомобиль на 79% состоял из стали, то на сегодняшний день доля металла в автомобиле — около 55%. Пластмассы, напротив, показывают устойчивый рост: с 6% в начале 1970-х до 18% к 2020 году, а резины — с 2% до 7%. Сначала может показаться, что пластики используются лишь в отделке салона, однако их можно найти в кузове, в подвеске и даже в двигателе машины.
Сегодня в легковом автомобиле применяется 150-200 кг пластмасс, но уже к 2020 году это количество может возрасти до 300 кг, что будет сопровождаться уменьшением веса автомобиля.
По оценкам экспертов, мировой спрос на конструкционный пластик для применения в автомобильном производстве уже в ближайшем будущем будет расти на 7% в год. Можно с уверенностью сказать, что автомобиль будущего будет содержать гораздо больше полимеров, чем сейчас. Это обусловлено рядом причин, которые я постараюсь описать ниже.
Чем выгодно внедрение пластиков в автомобилестроении?
Безусловно, внедрение инноваций объясняется экономической целесообразностью. Ключевым преимуществом пластиков над металлом является легкость: в среднем пластиковые детали весят на 25-30% меньше, нежели стальные. Уменьшение веса автомобиля, в свою очередь, позволяет снизить потребление топлива. Поэтому данный тренд имеет понятную практическую подоплеку для автомобилестроительных концернов. Производители стараются снижать вес кузова автомобилей, чтобы компенсировать увеличение количества деталей, связанных с безопасностью, а также электронных приборов.
Применение углеродного волокна и композитов с полимерной матрицей позволяет снизить его на 25-70%. Например, болиды «Формулы-1» состоят преимущественно из пластиковых и композитных материалов, и именно применение пластиков позволяет существенно уменьшить вес, улучшить динамические характеристики и увеличить скорость гоночных автомобилей. Меньшее потребление бензина, в свою очередь, делает машины с использованием пластмассовых композитов более экологичными.
Но количество полимеров растет не только в болидах. В городских автомобилях тоже становится все больше пластиковых частей.
Причин тому несколько. Во-первых, опять же, легкость, экономия топлива и, как следствие, экологичность. На Западе спрос на машины с большим потреблением горючего в целом снижается. Люди все чаще покупают автомобили-гибриды, которые наносят меньший вред окружающей среде. Lightweight revolution — стремление максимально снизить вес автомобиля за счет применения различного рода инноваций — также способствует борьбе с загрязнением атмосферы.
Например, такие тренды поддерживаются в Европе на государственном уровне, поэтому автомобильные компании готовы дальше работать в этом направлении. Сегодня глобальная индустрия автомобилестроения сталкивается с ужесточением требований к уровню выбросов углекислого газа: например, Европарламент проголосовал за сокращение средних выбросов CO2 автомобилями до 95 граммов на километр в 2021 году с переходным периодом в год и введением «суперкредитов». В 2015 году правила ЕС ограничивали средние выбросы в 130 г/км и устанавливали рекомендательную норму 95 г/км на 2020 год. Однако ответственные автопроизводители самостоятельно начали проявлять инициативу по достижению максимальной энергоэффективности транспортных средств намного раньше, поэтому ученые уже в течение долгого времени снижают вес автомобиля при помощи инновационных материалов.
В российском автопроме процесс замены металлических частей пластиковыми идет значительно медленнее. Например, количество пластиков в автомобилях российских марок не превышает 10% от общей массы автомобиля. Такое отклонение от тренда обусловлено двумя факторами. Во-первых, в России нет такого масштаба производства конструкционных пластиков. Из всех полимеров, которые производятся на территории России, лишь 5% предназначены для автомобилестроения. Во-вторых, сказывается консервативный подход в разработке новых моделей машин.
Разрыв можно сократить следующими способами: развитием собственного производства полимерных деталей или переориентацией отечественных автомобилестроительных компаний на производство новых марок машин, которые будут соответствовать западным стандартам проектирования в сфере использования полимерных комплектующих.
Инновационные пластики
Крупнейшие автомобилестроительные компании сотрудничают с химическими концернами, чтобы активно внедрять новейшие разработки в производство. Например, концерн специальной химии Lanxess изготавливает детали для автомобилей Porche, Skoda: от частей подвески до коробки передач и деталей двигателя.
Ежегодно крупные немецкие химические концерны инвестируют огромные суммы в создание новых пластмасс, которые будут применяться в автомобилестроении. Сейчас при производстве автомобилей используется более 100 видов пластика: они различаются по степени жесткости и сопротивления, а также по весу.
Например, из полипропилена делаются некоторые части двигателя, колпаки колес и приборная панель; полиуретан применяется в сиденьях, полиэтилен — в ковриках, полиамид — в шестернях, рычагах включения привода, корпусах предохранителей, бензобака и аккумулятора. Привычный в быту поливинилхлорид (ПВХ), из которого делают натяжные потолки и линолеум, используется для изготовления проводки. Поликарбонат, один из наиболее ударопрочных термопластов, может заменить большинство металлических частей автомобиля. Для таких инвестиций есть множество причин. Несколько из них я перечислю ниже.
Многие скептически относятся к пластиковым композитам, так как думают, что этот материал неустойчив и ненадежен. Можно заверить, что это мнение ошибочно, так как высокопрочные армированные пластики имеют более высокие коэффициенты жесткости, сопротивления и термоустойчивости, нежели металл. Например, некоторые полиамиды во время краш-тестов показывают лучшие результаты по сравнению с листовой сталью. Однако стоит сказать, что и минусы у них есть: составные части из полиамида являются более дорогими по сравнению с металлическими.
Говоря о дополнительной жесткости, надо отметить, что пластики можно армировать: применение армированных волокон увеличивает прочность конструкции и обеспечивает термостойкость деталей. Например, армированные волокна используются для изготовления деталей приборов, которые подвергаются тепловым воздействиям.
Помимо lightweight revolution еще одним преимуществом пластиков над сталью является долговечность материалов: они не подвержены коррозии, а также обладают большой термоустойчивостью. Использование звукопоглощающих композитных материалов в отделке салона также улучшает шумоизоляцию.
Помимо всех перечисленных выше факторов использование пластиков также обеспечивает простор для различных конструкционных и дизайнерских решений. Термопластичные полимеры поддаются переработке, из них можно получить детали различной формы и цвета. Таким образом, внедрение пластиков может сильно изменить и внешний вид автомобиля будущего. Также пластик и пластмассовые композиты хорошо подходят для массового производства. Уже сегодня получает распространение 3D-принтинг различных деталей, в ближайшее время аддитивные технологии постепенно будут внедряться в производство.
Преграды на пути массового внедрения пластика в автомобилестроение
Несмотря на, казалось бы, радужные перспективы применения пластиков в автомобилестроении, по-прежнему существует ряд аспектов, которые препятствуют их повсеместному внедрению. В основном они связаны с ценовым фактором: пластиковые детали дороже в изготовлении, нежели разные типы металла, которые используются в автомобилестроении. Кроме того, технологический процесс создания высококачественных пластиков на порядок сложнее производства деталей из сплавов. Полный переход на пластиковые материалы повлечет за собой необходимость в замене промышленного оборудования, что обойдется производителям деталей для автомобилей существенными затратами. Также недостатком для компаний, производящих автомобили, является небольшой опыт работы с пластиками. Вот почему они не спешат форсировать события.
Для конечного пользователя, конечно, вопрос цены всегда имеет одно из первостепенных значений: в последние годы мировые цены на нефть существенно снизились, что позволяет им купить автомобиль с большим количеством потребляемого топлива, потратив меньше денег в краткосрочной перспективе. В таких условиях большой соблазн не задумываться о долгосрочной выгоде и экологии. Так, цены на нефть становятся своеобразной преградой на пути энергосберегающих инноваций. Несомненно, проектирование автомобилей со сложным сочетанием материалов — непростой процесс, кроме того, массовое принятие новых разработок всегда потребует времени.
Несмотря на все трудности, доля пластиков в современных автомобилях неуклонно растет. Чтобы полностью реализовать потенциал этих технологий необходимо более интенсивное сотрудничество автомобилестроительных и химических концернов, которые производят подобные детали и обладают соответствующим опытом.