مواد کامپوزیتی بیشتر و بیشتری به سیستم های ریلی و حمل و نقل انبوه راه پیدا می کنند

علاوه بر این، اپراتورهای اتوبوس، مترو و قطار شروع به درک مزایای مواد کامپوزیت در کاهش ارتعاشات پر سر و صدا و صدای ناخوشایند می کنند.دیویس گفت: «اگر تا به حال در مترو بوده‌اید و صدای تکان‌های صفحه فلزی را شنیده‌اید.اگر پنل از مواد کامپوزیت ساخته شده باشد، صدا را قطع می کند و قطار را ساکت تر می کند."

وزن سبک تر کامپوزیت آن را برای اپراتورهای اتوبوسی که علاقه مند به کاهش مصرف سوخت و گسترش برد آن هستند جذاب می کند.در گزارش سپتامبر 2018، شرکت تحقیقات بازار Lucintel پیش‌بینی کرد که بازار جهانی کامپوزیت‌های مورد استفاده در حمل‌ونقل انبوه و وسایل نقلیه خارج از جاده با نرخ سالانه 4.6 درصد بین سال‌های 2018 تا 2023 رشد خواهد کرد و ارزش بالقوه آن تا سال 2023 به یک میلیارد دلار خواهد رسید. فرصت‌ها از برنامه‌های مختلف، از جمله قسمت‌های بیرونی، داخلی، قسمت‌های کاپوت و پیشرانه و قطعات الکتریکی به دست خواهند آمد.

Norplex-Micarta اکنون قطعات جدیدی تولید می کند که در حال حاضر در خطوط ریلی سبک در ایالات متحده در حال آزمایش هستند.علاوه بر این، این شرکت همچنان بر روی سیستم های الکتریکی با مواد فیبر پیوسته تمرکز می کند و آنها را با سیستم های رزین پخت سریع تر ترکیب می کند.دیویس توضیح داد: "شما می توانید هزینه ها را کاهش دهید، تولید را افزایش دهید و عملکرد کامل فنولیک FST را وارد بازار کنید."در حالی که مواد کامپوزیت می توانند گرانتر از قطعات فلزی مشابه باشند، دیویس می گوید که هزینه عامل تعیین کننده کاربرد آنها نیست.

سبک و مقاوم در برابر شعله
نوسازی ناوگان 66 خودروی ICE-3 Express اپراتور اروپایی Duetsche Bahn یکی از قابلیت های مواد کامپوزیت برای رفع نیازهای خاص مشتریان است.سیستم تهویه مطبوع، سیستم سرگرمی مسافران و صندلی های جدید وزن غیرضروری را به واگن های ریلی ICE-3 اضافه کردند.علاوه بر این، کفپوش تخته چندلای اصلی با استانداردهای جدید آتش سوزی اروپا مطابقت نداشت.این شرکت به یک محلول کف برای کمک به کاهش وزن و رعایت استانداردهای حفاظت در برابر آتش نیاز داشت.کفپوش کامپوزیت سبک جواب این سوال است.

Saertex، تولید کننده پارچه های کامپوزیتی مستقر در آلمان، یک سیستم مواد LEO® را برای کفپوش خود ارائه می دهد.دانیل استامپ، رئیس بازاریابی جهانی در Saertex Group، گفت LEO پارچه ای لایه لایه و بدون چین است که خواص مکانیکی بالاتر و پتانسیل سبک وزنی بیشتری نسبت به پارچه های بافته دارد.سیستم کامپوزیت چهار جزئی شامل پوشش‌های ویژه مقاوم در برابر آتش، مواد تقویت‌شده با فایبرگلاس، SAERfoam® (یک ماده هسته با پل‌های فایبرگلاس سه بعدی) و رزین‌های وینیل استر LEO است.

SMT (همچنین مستقر در آلمان)، یک تولید کننده مواد کامپوزیت، کف را از طریق فرآیند پر کردن خلاء با استفاده از کیسه های خلاء سیلیکونی قابل استفاده مجدد ساخته شده توسط آلن هارپر، یک شرکت انگلیسی، ایجاد کرد.استامپ گفت: "ما حدود 50 درصد وزن را از تخته سه لا قبلی صرفه جویی کردیم.""سیستم LEO بر پایه لایه های الیافی پیوسته با سیستم رزین غیر پر شده با خواص مکانیکی عالی است... علاوه بر این، کامپوزیت پوسیده نمی شود که این یک مزیت بزرگ است، به ویژه در مناطقی که در زمستان برف می بارد و کف خیس است."کف، فرش رویه و مواد لاستیکی همگی مطابق با استانداردهای جدید بازدارنده شعله هستند.

SMT بیش از 32000 فوت مربع پانل تولید کرده است که در حدود یک سوم از هشت قطار ICE-3 تا به امروز نصب شده است.در طول فرآیند بازسازی، اندازه هر پانل برای متناسب با یک ماشین خاص بهینه می شود.OEM سدان ICE-3 چنان تحت تأثیر کفپوش کامپوزیت جدید قرار گرفت که سقف کامپوزیت را برای جایگزینی بخشی از ساختار سقف فلزی قدیمی در واگن‌های ریلی سفارش داد.

برو جلوتر
Proterra، یک طراح و سازنده اتوبوس های برقی بدون آلایندگی در کالیفرنیا، از سال 2009 از مواد کامپوزیت در تمام بدنه های خود استفاده کرده است. در سال 2017، این شرکت با رانندگی 1100 مایل یک طرفه با کاتالیست شارژ شده با باتری، رکوردی را به نام خود ثبت کرد. اتوبوس E2.این اتوبوس دارای بدنه سبک وزنی است که توسط سازنده کامپوزیت TPI Composite ساخته شده است.

* اخیراً، TPI با Proterra برای تولید اتوبوس الکتریکی کامپوزیت یکپارچه یکپارچه همکاری کرد.تاد آلتمن، مدیر بازاریابی استراتژیک در TPI توضیح می دهد: «در یک اتوبوس یا کامیون معمولی، یک شاسی وجود دارد و بدنه بالای آن شاسی قرار می گیرد.با طراحی پوسته سخت اتوبوس، ما شاسی و بدنه را با هم ادغام کردیم، مشابه طراحی خودروی همه کاره." یک ساختار واحد در برآوردن الزامات عملکرد موثرتر از دو ساختار جداگانه است.
بدنه تک پوسته Proterra به صورت هدفمند ساخته شده است و از ابتدا به عنوان یک خودروی الکتریکی طراحی شده است.آلتمن گفت که این یک تمایز مهم است، زیرا تجربه بسیاری از خودروسازان و سازندگان اتوبوس برقی تلاش‌های محدودی برای تطبیق طرح‌های سنتی خود برای موتورهای احتراق داخلی با خودروهای الکتریکی بوده است.آنها پلتفرم‌های موجود را می‌گیرند و سعی می‌کنند تا آنجا که ممکن است باتری‌ها را بسته‌بندی کنند.آلتمن گفت.
به عنوان مثال، بسیاری از اتوبوس های برقی دارای باتری در پشت یا بالای خودرو هستند.اما برای Proterra، TPI قادر است باتری را در زیر اتوبوس نصب کند.آلتمن می‌گوید: «اگر وزن زیادی به ساختار خودرو اضافه می‌کنید، می‌خواهید آن وزن تا حد ممکن سبک باشد، هم از نظر عملکرد و هم از نظر ایمنی.وی خاطرنشان کرد که بسیاری از تولیدکنندگان اتوبوس و خودروهای برقی اکنون به تابلوی نقشه کشی بازگشته اند تا طرح های کارآمدتر و هدفمندتری برای وسایل نقلیه خود ایجاد کنند.

TPI یک قرارداد پنج ساله با Proterra برای تولید حداکثر 3350 بدنه اتوبوس ترکیبی در تاسیسات TPI در آیووا و رود آیلند منعقد کرده است.

نیاز به سفارشی سازی
طراحی بدنه باس Catalyst مستلزم آن است که TPI و Proterra به طور مداوم نقاط قوت و ضعف همه مواد مختلف را متعادل کنند تا بتوانند اهداف هزینه را در حین دستیابی به عملکرد بهینه برآورده کنند.آلتمن خاطرنشان کرد که تجربه TPI در تولید پره های باد بزرگ با طول حدود 200 فوت و وزن 25000 پوند، تولید بدنه اتوبوس های 40 فوتی با وزن بین 6000 تا 10000 پوند را برای آنها نسبتاً آسان می کند.

TPI قادر است با استفاده انتخابی از فیبر کربن و حفظ آن برای تقویت مناطقی که بیشترین بار را تحمل می کنند، استحکام ساختاری مورد نیاز را به دست آورد.آلتمن گفت: «ما از فیبر کربن در جایی استفاده می‌کنیم که اساساً می‌توانید خودرو بخرید.به طور کلی، فیبر کربن کمتر از 10 درصد از مواد تقویت کننده کامپوزیت بدن را تشکیل می دهد و مابقی آن را فایبرگلاس تشکیل می دهد.

TPI رزین وینیل استر را به دلیل مشابهی انتخاب کرد.او ادامه داد: "وقتی به اپوکسی ها نگاه می کنیم، عالی هستند، اما وقتی آنها را درمان می کنید، باید دما را افزایش دهید، بنابراین باید قالب را گرم کنید. این یک هزینه اضافی است."

این شرکت از قالب‌گیری انتقال رزین به کمک خلاء (VARTM) برای تولید ساختارهای ساندویچی کامپوزیتی استفاده می‌کند که سختی لازم را برای یک پوسته فراهم می‌کند.در طول فرآیند تولید، برخی از اتصالات فلزی (مانند اتصالات رزوه‌ای و صفحات ضربه‌ای) به بدنه تعبیه می‌شوند.اتوبوس به دو قسمت بالا و پایین تقسیم می شود که سپس به هم چسبانده می شوند.کارگران بعداً باید تزئینات کامپوزیتی کوچکی مانند فیرینگ اضافه کنند، اما تعداد قطعات کسری از اتوبوس فلزی است.

پس از ارسال بدنه نهایی به کارخانه تولید اتوبوس پروتررا، خط تولید سریعتر جریان می یابد زیرا کار کمتری برای انجام دادن وجود دارد.آلتمن افزود: "آنها نیازی به انجام تمام جوشکاری، سنگ زنی و ساخت ندارند و رابط بسیار ساده ای برای اتصال بدنه به پیشرانه دارند."Proterra باعث صرفه جویی در زمان و کاهش هزینه های اضافی می شود زیرا فضای تولید کمتری برای پوسته تک لپه ای مورد نیاز است.

آلتمن معتقد است که تقاضا برای بدنه اتوبوس های کامپوزیتی همچنان به رشد خود ادامه خواهد داد زیرا شهرها برای کاهش آلودگی و کاهش هزینه ها به اتوبوس های برقی روی می آورند.طبق گفته Proterra، وسایل نقلیه الکتریکی باتری دار کمترین هزینه چرخه عمر عملیات (12 سال) را در مقایسه با اتوبوس های دیزلی، گاز طبیعی فشرده یا دیزل هیبریدی دارند.این ممکن است یکی از دلایلی باشد که Proterra می گوید فروش اتوبوس های برقی با باتری در حال حاضر 10٪ از کل بازار حمل و نقل را تشکیل می دهد.

هنوز موانعی برای کاربرد گسترده مواد کامپوزیت در بدنه اتوبوس برقی وجود دارد.یکی، تخصصی شدن نیازهای مشتریان مختلف اتوبوس است."هر سازمان حمل و نقل دوست دارد اتوبوس ها را به روشی متفاوت دریافت کند - پیکربندی صندلی، باز شدن دریچه. این یک چالش بزرگ برای سازندگان اتوبوس است، و بسیاری از این موارد پیکربندی می توانند به ما برسند."آلتمن گفت: «سازندگان بدنه یکپارچه می‌خواهند یک ساختار استاندارد داشته باشند، اما اگر هر مشتری درجه بالایی از سفارشی‌سازی را بخواهد، انجام این کار دشوار خواهد بود.» TPI به همکاری با Proterra برای بهبود طراحی اتوبوس برای مدیریت بهتر ادامه می‌دهد. انعطاف پذیری مورد نیاز مشتریان نهایی

امکان را بررسی کنید
کامپوزیت به آزمایش اینکه آیا مواد آن برای کاربردهای جدید حمل و نقل انبوه مناسب هستند یا خیر، ادامه می دهد.در بریتانیا، ELG Carbon Fibre که در فناوری بازیافت و استفاده مجدد از فیبر کربن تخصص دارد، کنسرسیومی از شرکت‌هایی را رهبری می‌کند که مواد کامپوزیتی سبک وزن را برای بوژی‌ها در خودروهای سواری توسعه می‌دهند.بوژی از بدنه خودرو پشتیبانی می کند، چرخ را هدایت می کند و پایداری آن را حفظ می کند.آنها با جذب ارتعاشات ریل و به حداقل رساندن نیروی گریز از مرکز در هنگام چرخش قطار به بهبود راحتی سواری کمک می کنند.

یکی از اهداف این پروژه تولید بوژهایی است که 50 درصد سبکتر از بوژهای فلزی قابل مقایسه باشند.Camille Seurat، مهندس توسعه محصول ELG می گوید: "اگر بوژی سبک تر باشد، آسیب کمتری به پیست وارد می کند و به دلیل اینکه بار روی پیست کمتر خواهد بود، زمان تعمیر و نگهداری و هزینه های نگهداری را می توان کاهش داد."اهداف اضافی کاهش نیروهای چرخ پهلو به ریل تا 40 درصد و ارائه نظارت بر وضعیت مادام العمر است.هیئت غیرانتفاعی ایمنی و استانداردهای ریلی بریتانیا (RSSB) این پروژه را با هدف تولید یک محصول تجاری قابل دوام تامین می کند.

آزمایشات تولیدی گسترده ای انجام شده است و تعدادی از پنل های آزمایشی با استفاده از پیش آغشته از پرس قالب، چیدمان مرطوب معمولی، پرفیوژن و اتوکلاو ساخته شده است.از آنجایی که تولید بوژی ها محدود خواهد بود، شرکت اپوکسی پیش آغشته شده در اتوکلاو را به عنوان مقرون به صرفه ترین روش ساخت انتخاب کرد.

نمونه اولیه بوژی با اندازه کامل 8.8 فوت طول، 6.7 فوت عرض و 2.8 فوت ارتفاع دارد.این از ترکیبی از فیبر کربن بازیافت شده (لنت های نبافته ارائه شده توسط ELG) و پارچه فیبر کربن خام ساخته شده است.الیاف یک طرفه برای عنصر استحکام اصلی استفاده می شود و با استفاده از فناوری رباتیک در قالب قرار می گیرد.یک اپوکسی با خواص مکانیکی خوب انتخاب خواهد شد، که یک اپوکسی بازدارنده شعله جدید فرموله شده است که دارای گواهینامه EN45545-2 برای استفاده در راه آهن است.
بر خلاف بوژهای فولادی که از تیرهای فرمان به دو تیر جانبی جوش داده می شوند، بوژهای کامپوزیت با بالا و پایین متفاوت ساخته می شوند که سپس به یکدیگر متصل می شوند.برای جایگزینی بوژی های فلزی موجود، نسخه کامپوزیت باید براکت های اتصال تعلیق و ترمز و سایر لوازم جانبی را در همان موقعیت ترکیب کند.سیورات گفت: در حال حاضر ما حفظ اتصالات فولادی را انتخاب کرده ایم، اما برای پروژه های بعدی، شاید جالب باشد که اتصالات فولادی را با اتصالات از نوع کامپوزیت جایگزین کنیم تا بتوانیم وزن نهایی را بیشتر کاهش دهیم.

یکی از اعضای کنسرسیوم گروه حسگرها و کامپوزیت ها در دانشگاه بیرمنگام بر توسعه این حسگر نظارت می کند که در مرحله تولید در بوژی کامپوزیت ادغام خواهد شد.Seurat گفت: "بیشتر حسگرها بر روی نظارت بر فشار در نقاط مجزا روی بوژی تمرکز می کنند، در حالی که سایر حسگرها برای سنجش دما هستند."حسگرها امکان نظارت در زمان واقعی ساختار کامپوزیت را فراهم می‌کنند و امکان جمع‌آوری داده‌های بار در طول عمر را فراهم می‌کنند.این اطلاعات ارزشمندی در مورد اوج بار و خستگی طولانی مدت ارائه می دهد.

مطالعات اولیه نشان می دهد که بوژهای کامپوزیت باید بتوانند به کاهش وزن مطلوب 50 درصدی دست یابند.تیم پروژه امیدوار است تا اواسط سال 2019 یک بوژی بزرگ آماده آزمایش داشته باشد.اگر نمونه اولیه مطابق انتظار عمل کند، آنها برای آزمایش ترامواهای ساخت آلستوم، شرکت حمل و نقل ریلی، بوژهای بیشتری تولید خواهند کرد.

به گفته Seurat، اگرچه هنوز کار زیادی برای انجام وجود دارد، اما نشانه‌های اولیه نشان می‌دهد که می‌توان یک بوژی کامپوزیتی بادوام تجاری ساخت که بتواند از نظر هزینه و استحکام با بوژهای فلزی رقابت کند.او افزود: "پس من فکر می کنم گزینه ها و کاربردهای بالقوه زیادی برای کامپوزیت ها در صنعت راه آهن وجود دارد."(مقاله تجدید چاپ شده از فیبر کربن و فناوری کامپوزیت آن توسط دکتر کیان شین).