Technika: Konstrukční materiály v F1, jejich kombinace a výrobní proces

Jaké materiály se používají pro stavbu vozu Formule 1?Pat Symonds: Když inženýři začali poprvé s konstrukcí vozů, považovali kov za jediný materiál, který může poskytnout pevnost a tuhost potřebnou pro průmyslové účely.

Stále používáme hodně kovu, každý je přizpůsobený pro určitou aplikaci. Například na vozu F1 byste našli přes 20 různých druhů hliníku a 30 odlišných druhů oceli, stejně jako exotičtější kovy, jako je titan, hořčík a Inconel (superslitina vyráběná z niklu, chromu a železa).

Když byly počátkem 20. století vyvinuty plasty, otevřely nové příležitosti v rámci tvarovatelnosti a lehkosti, ale žel nebyly ani pevné ani tvrdé. Kompozitní materiály - a obzvlášť uhlíková vlákna vyztužená polymery - poskytují to nejlepší z obou světů. Jsou přibližně pětkrát pevnější než ocel při třetinové hmotnosti. Proto se tolik využívají při konstrukci vozu F1.

Jak byly tyto kompozitní materiály poprvé vyvinuty?PS: Před vyvinutím uhlíkového vlákna bylo dostupných několik kompozitních materiálů, samozřejmě včetně skelného vlákna. Když v těchto dnech ale hovoříme o kompozitech, vybavují se nám spíše uhlíková vlákna.

Poprvé byla komerčně vyvinuta na Royal Aircraft Establishment ve Farnborough v roce 1963. Stála kolem 300 liber za kg, což odpovídá dnešním 5 000 liber (kolem 152 tis. Kč) za kg v dnešních cenách. Nyní stojí kolem 14 liber (425 Kč) za kg a předpokládá se, že v příštích pěti letech jejich cena poklesne na polovinu s tím, jak je kosmický a běžný automobilový průmysl začíná více využívat.

Vrstvy uhlíkových vláken se před dalším zpracováním zabalí a vysaje se vzduch

Po vyvinutí první výroby pro praktické využití uhlíkových vláken ale Spojené Království při narůstající komercionalizaci brzy žel o své vedení v této oblasti přišlo. Obzvlášť Japonsko silně investovalo do svých výrobních znalostí, pak jej následovaly USA, když se prokázala, jak je tento materiál vhodný pro kosmické a vojenské aplikace.

Jsou všechny kompozity stejné?PS: Ne. Stejně jako u vozu F1 používáme přes 50 druhů kovu, tak rovněž používáme různé typy kompozitních materiálů. Ve skutečnosti může být využíváno kolem 30 typů uhlíkových vláken, byť dostupných jsou stovky různých kombinací - stejně jako kompozitů vyztužených jinými materiály než je uhlík - například Kevlarem či Zylonem.

Co myslíš pod pojmem "kombinace?"PS: Kompozity z uhlíkových vláken jsou někdy známy jako uhlíkové vyztužené plasty. To naznačuje, že se kompozit skládá ze dvou odlišných složek: z podkladové polymerické pryskyřice a z vyztužujících vláken.

Vlákna samotná jsou vyráběna odlišnými způsoby, aby bylo dosaženo různých designových cílů, jako je například vysoká pevnost či snad extrémní tvrdost na úkor určité pevnosti. Vlákna samotná, což jsou filamenty z čistého uhlíku o tloušťce jedné desetiny lidského vlasu, jsou společně stočená do svazku (tow), který může obsahovat 1 až 12 tisíc filamentů.

Díl se vkládá do autoklávu, kde za vysokého tlaku a teploty dojde k vyztužení pryskyřice

Z těchto svazků mohou být utkány různé druhy tkaniny, které mohou mít u jakéhokoliv typu uhlíku odlišné vlastnosti. Nejjednodušší je "jednosměrné" uhlíkové vlákno. Jak už název napovídá, všechny svazky směřují jedním směrem, což dává tkanině v tomto směru velkou pevnost, ale malou v úhlu 90 ° k tomu svazku. Běžnější jsou tkané materiály, kdy jsou svazky propleteny, stejně jako u oblečení. To poskytuje více pevnosti v mnoha směrech.

Ale nejde jen o různé druhy uhlíku a utkání, co nabízí odlišné vlastnosti. Uhlík je zapuštěn do polymerické pryskyřice a její různé druhy se používají pro vyvážení nákladů s využitelností a teplotní odolností.

Typ uhlíkových vláken, který se využívá ve Formuli 1, je "pre-preg." Jde o materiál, který už má svazky uhlíku zapuštěné do nevytvrzené pryskyřice.

Mohl bys popsat základní výrobní proces?PS: Detaily výroby mohou být velmi složité, ale obecně se látka pre-pregu ukládá do forem (které jsou samotné také vyráběné z uhlíkových vláken). Na sebe jsou ukládány nařezané vrstvy v přesných místech.

Často se využívá laser či jiný vizuální systém, aby při laminaci pomohly umístit každou vrstvu do přesné pozice, kterou designér určil. Poté se vrstvy zahalí látkou podobnou bavlně, která nasákne zbytky pryskyřice, a obalí se nepropustným plastovým filmem. Poté se do laminátu aplikuje vakuum, aby vše bylo ve formě bezpečně upevněno.

Pak se celá forma a komponent umístí do autoklávu, což je v podstatě vysoce natlakovaná trouba, kde pryskyřice vytvrdne a vytvoří se hotový díl.

Odlévání tekutého kovu při výrobě motoru

Dochází k opotřebení materiálu?PS: V podstatě ne - alespoň en v tomto kontextu. Největším problémem při udržení materiálu v provozu je zajištění toho, aby nebyl poškozený. Když je poškozen kovový díl, je snadné to odhalit, protože se část ohne či praskne. Existuje také mnoho nedestruktivních testovacích technik, které byly za ta léta vyvinuty, pro odhalení prasklin v kovových dílech, avšak mnoho z nich spoléhá na to, že se prasklina objeví vždy na povrchu daného dílu.

Uhlíková vlákna, byť jsou při výrobě efektivně sloučena, mají kvůli své konstrukci stále několik povrchů. Pro odhalení jakékoliv podpovrchové delaminace, která by mohla vést ke katastrofálnímu selhání dílu - byť se prostému oku se zdá perfektní, jsou vyžadovány speciální techniky, jako je například ultrazvukové skenování.

Dočkáme se podobného průlomu u kovových materiálů?PS: Ano, už nyní používáme mnoho kovových matricových kompozitních hliníkových materiálů, které využívají zpevňování materiálu - obvykle se hliník zesiluje pomocí silikonových karbidů. Používáme jeden, který obsahuje nanočásticové zpevnění. I ocel, která je tady už léta, se neustále vyvíjí tak, aby nabízela lepší vlastnosti.

Odhalování povrchových vad kovových materiálu je jednodušší než u kompozitů, kde se používá například ultrazvukové skenování

© Foto: BMW Motorsport