Materiały przyszłości

Lepiej jest urzeczywistniać idee, niż tylko snuć marzenia. To motto specjalistów z działu rozwoju Porsche. Tu pozorna abstrakcja przeradza się w konkretną technologię.

Na pierwszy rzut oka innowacja nie jest taka oczywista: Philipp Kellner położył na stole element wytłoczony ze stalowej blachy. Zostanie on później przymocowany do progu pojazdu, by stanowić podporę zawiasów drzwi, zaś dalej u góry boczną ramę przedniej szyby, jak wyjaśnia ekspert Porsche z działu badawczo-rozwojowego nadwozi w Weissach. Ów element to tzw. słupek A, który z perspektywy przedniej części pojazdu wyznacza pierwszą istotną linię pionową karoserii. Tworzy on w większości samochodów, wraz ze słupkami B oraz C, przedział pasażerski – ma zatem zasadniczy wpływ na bezpieczeństwo. Słupek A stanowi zabezpieczenie tzw. przestrzeni chronionej, która chroni pasażerów w przypadku wywrócenia się pojazdu, szczególnie takiego jak kabriolet czy roadster. W stalowy profil z cienkiej blachy idealnie wpasowany jest kolejny – tym razem z wysokowytrzymałej stali. Już sam ten niepozorny kawałek metalu o zróżnicowanej grubości – masywniejszy w środku i zwężający się ku końcom – to inżynieryjny majstersztyk.

Niewidoczny szkielet

Czarne tworzywo sztuczne z romboidalnymi usztywnieniami spowija solidny metal, stabilizując go od wewnątrz. „Ale nie wszystko jest dostępne dla oczu: między wprowadzonym w postaci płynnej tworzywem sztucznym, wzmocnionym ciętym włóknem szklanym a metalem są jeszcze dwie warstwy siatki z włókna szklanego. To tzw. organosheet”, wyjaśnia Kellner. Wszystko razem składa się na słupek A 3D w nowatorskiej konstrukcji hybrydowej, wynalezionej przez Porsche. Jego zaleta: nie łamie się w przypadku dachowania, podobnie jak słupki A z wytrzymałej konstrukcji rurowej w kabrioletach, jednakże przy tej samej funkcjonalności waży ponad pięć kilogramów mniej. „Lekka karoseria przyszłości to kombinacja różnych materiałów, jak ultrawytrzymała stal, aluminium, magnez oraz tworzywo sztuczne wzmocnione włóknami węglowymi. Również nowatorskie struktury hybrydowe znajdą tu zastosowanie”, mówi Mathias Fröschle, kierownik działu badawczo-rozwojowego nadwozi. Bezpieczeństwo pasażerów to dla Porsche priorytet. Zapewnia je hybrydowa struktura 3D – lżejsza i niewiele droższa niż wszystkie dotychczasowe rozwiązania.

 

Hybrydowy słupek A 3D
Jest to zastępujący klasyczną stalową konstrukcję rurową wkład z wysokowytrzymałej stali, pokryty formowanymi termoplastycznie warstwami siatki z włókna szklanego oraz zalany tworzywem sztucznym wzmocnionym włóknem szklanym. Efekt: słupek A równie dobrze wytrzymuje dachowanie pojazdu – przy znacznie mniejszej masie. Dzięki zoptymalizowanej strukturze stabilizującej w postaci użebrowania z tworzywa sztucznego nie łamie się, lecz sprężynuje. Jeszcze w tym roku zakończą się badania nad tą nowatorską technologią, zatem nic nie będzie stało na przeszkodzie, by za stosować ją w futurystycznej lekkiej karoserii Porsche.

 

 

Pedał hamulca
To, co może w przyszłości tkwić wewnątrz słupków A, kierowcy najnowszego modelu Panamery oraz 918 Spyder mogą już dzisiaj znaleźć pod kolumną kierownicy swojego samochodu, ponieważ pedał hamulca wykonany jest właśnie z owego termoplastycznego kompozytu.

 

Bardzo drobna, sproszkowana stal szlachetna
Elementy o złożonych kształtach powstawały do tej pory w odlewni. Tak zwane addytywne metody produkcji zrewolucjonizowały sposób myślenia: laser topi proszek, warstwa po warstwie tworząc niemalże każdy pożądany kształt.

Istotę tej technologii może dostrzec każdy kierowca modelu 918 Spyder i nowej Panamery. Gdy przyjrzy się pedałowi hamulca, zobaczy połyskujące czarne włókna. Włókno węglowe, jak zapewne myśli niejeden. Jednak Edgar Grundke z działu projektowania elementów obsługowo-uruchamiających w Porsche kręci głową: „Są to termoplastyczne płyty z włókna szklanego, ustabilizo-wane od tyłu użebrowaniem z plastiku wzmocnionego włóknem szklanym”. Zatem dokładnie to, co w przyszłości może zapewniać dużą wytrzymałość słupków A. „Materiał jest homogeniczny, lżejszy od metalu i stabilny”, wyjaśnia Grundke. „Do tej pory nikt jeszcze nie stosował go w produkcji seryjnej. W skali globalnej jesteśmy jedynym producentem, który to robi”. Nowe pedały hamulca znajdą w przyszłości zastosowanie również w innych modelach. W jego głosie wybrzmiewa duma. Odważny ruch Porsche, który się opłacił. Potwierdza to również Hendrik Sebastian z działu zarządzania innowacyjno-projektowego w Weissach. Tu koordynuje się pracę działów badawczo-rozwojowych, powstają futurystyczne idee, analizowane i inicjowane są badania, śledzi się nowe trendy. To trochę jak wróżenie z kryształowej kuli: jakie będą oczekiwania klientów za pięć, dziesięć, piętnaście lat? Jakie technologie będą wówczas dostępne? W cenie jest tu nie tylko zdolność abstrakcyjnego myślenia i wyobraźnia, lecz również upór w dążeniu do celu. Konstruktorzy Porsche postępują według jasno sformułowanej maksymy. „Doskonałe właściwości jezdne, niezależnie od sytuacji. Naszymi samochodami sportowymi zawsze ocieramy się o granice możliwości technicznych. Nieodzowne są przy tym nowatorskie koncepcje materiałów i produkcji. Tylko w ten sposób możemy nieodmiennie oferować naszym klientom nowe korzyści”, tak Sebastian wyjaśnia jeden z celów działu.

„Naszymi samochodami sportowymi zawsze ocieramy się o granice możliwości technicznych. Nieodzowne są przy tym nowatorskie koncepcje materiałów i produkcji”. Hendrik Sebastian

W kwestii doboru materiałów i możliwych metod produkcji ekspertów z działu rozwojowego wspierają pracownicy z działu badań materiałowych pod kierownictwem Stephana Schmitta. W tych dążeniach niezbędna jest szersza perspektywa. Przykład: w większości smartfonów stosuje się bardzo wytrzymałe, cienkie szkło o doskonałych właściwościach optycznych, tzw. Gorilla Glass. „W modelu 918 Spyder z pakietem Weissach po raz pierwszy zainstalowaliśmy małą szybę z podobnego materiału kompozytowego, złożoną z dwóch warstw cienkiego szkła oraz folii między nimi”. Markus Schulzki z działu badawczo-rozwojowego nadwozi trzyma w ręku szybę o wymiarach 20 na 20 cm, dokładniej tylną szybkę między pałąkami za siedzeniami arcysportowego 918. Jest zaskakująco lekka. Gdy się w nią stuknie, brzmi jak tworzywo sztuczne. „Tak myśli każdy”, mówi Schulzki. „Jednak jest ze szkła. Ale to dopiero początek. Teraz jesteśmy dużo dalej”. W nowym Porsche 911 GT2 RS oraz 911 Carrera T tylne okna boczne oraz tylna szyba są wykonane całkowicie ze szkła cienkowarstwowego, ponieważ teraz dzięki staraniom Porsche dostępne są również szyby gięte. Jeszcze niedawno nie było to możliwe. W sumie szkło nie ma nawet dwóch milimetrów grubości, przy tym jest około 40% lżejsze i ponad dwa razy bardziej odporne na uderzenia kamieni. Do tego trzeba dodać blisko stuprocentową ochronę przed promieniowaniem UV, znacznie lepszą termoizolacyjność, a także lepsze tłumienie dźwięków. „Wysokie częstotliwości, generowane w czasie jazdy przez powietrze, zostają zredukowane. Ale nie niskie. Cudowny dźwięk – na przykład sześciocylindrowego boksera – odczuwa się znacznie wyraźniej”, Schulzki nie kryje swojego zamiłowania do klasycznych silników.

Szklana rewolucja we wnętrzu

Technologia stosowana w smartfonach może również znaleźć zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym i posłużyć do wyświetlania informacji w pojeździe. Obok elementów zewnętrznych Mathias Fröschle zajmuje się również opracowywaniem rozwiązań dla wnętrz samochodów. Oto jego wizja: „Konsola środkowa, której łukowata powierzchnia jest całkowicie wykonana ze szkła cienkowarstwowego. Pełniąca funkcję wyświetlacza folia pozwala konfigurować ekran i elementy obsługi zgodnie z preferencjami kierowcy i pasażerów. Menu można sterować gestami, a umieszczone w szkle elementy przesyłają haptyczną informację zwrotną potwierdzającą wykonanie polecenia”.


Wał wirnika
Wytwarzany tradycyjnymi metodami rdzeń silnika elektrycznego składa się z wielu elementów. Topienie laserowe pozwala uzyskać precyzyjne użebrowanie we wnętrzu przy niskim zużyciu materiałów. Otrzymany w ten sposób wał jest znacznie lżejszy.

 

Szyba boczna 911 GT2 RS
Wygięta we wszystkich płaszczyznach ultrawytrzymała szyba boczna Porsche 911 GT2 RS – tu jeszcze w stadium prototypu – nie tylko poprawia stosunek masy do mocy, lecz także wytłumia szum wiatru. Przy masie mniejszej o 40%.

 


Gorilla Glass
Idea odpornego na uszkodzenia cienkiego szkła została zaczerpnięta z konstrukcji wyświetlaczy telefonów komórkowych i laptopów. Porsche to pierwszy producent samochodów, który konsekwentnie stosuje szkło kompozytowe z piasku, szkła z recyclingu oraz folii zabezpieczającej. Coraz więcej nowych modeli jest wyposażonych w szkło cienkowarstwowe, ponieważ jest ono stabilniejsze, lżejsze, gwarantuje lepszą ochronę przed promieniowaniem UV i mogłoby w przyszłości pełnić nawet funkcję wyświetlacza.

Hendrik Sebastian i jego koledzy są w stanie wyobrazić sobie również całkowicie inne zastosowania tej technologii: „Zupełnie nowe kształty, szyby i wyświetlacze z wizualizacją w rzeczywistości rozszerzonej. Pasażerowie widzą przez okno stary zamek i naciskają powierzchnię szkła, boczna kamera rejestruje obiekt, porównuje obraz z informacjami w internecie i wyświetla je w czasie rzeczywistym na szybie obok budowli”. Folia między warstwami szkła funkcjonuje jako ekran. To nie wytwór fantazji, lecz stan badań. Możliwe jest ponadto płynne przyciemnianie w zależności od promieniowania słonecznego lub preferencji pasażerów.

Porsche z włókien roślinnych

Porsche prowadzi także badania nad elementami wnętrza z surowców odnawialnych. „Obicia drzwi z włókien roślinnych są już dostępne, jednakże póki co nie spełniają wymogów stawianych przez nas jako producenta klasy premium”, podsumowuje Fröschle. Jednak wkrótce Porsche będzie dysponowało podzespołami doskonałymi pod każdym względem. „Także w 2048 r. nie będzie Porsche zbudowanego całkowicie z glonów i włókien roślinnych, choć kwestie surowców odnawialnych i recyclingu wyraźnie zyskają na znaczeniu”, zapewnia Sebastian. „Ważne, by obok innowacyjnych materiałów uwzględniać również nowe metody wytwarzania, przykładowo produkcję addytywną”.

Ma na myśli to, co powszechnie jest znane pod nazwą drukowania 3D, w czym specjalizują się Falk Heilfort oraz Frank Ickinger z działu badawczo-rozwojowego silników, prezentujący cylindryczny przedmiot. Jest to wał wirnika silnika elektrycznego, przekazujący generowany elektromagnetycznie moment obrotowy do przekładni – w pewnym sensie wał korbowy elektromaszyny. „Ten wał wirnika jest wykonany ze specjalnej stali szlachetnej”, wyjaśnia Heilfort. Obok wału znajduje się szklana rurka z szarym, drobniutkim proszkiem: mikroskopijny surowiec masywnego elementu. Cienka warstwa proszku zostaje rozprowadzona w sterylnej komorze i precyzyjnie stopiona laserem, co tworzy trwałe połączenie. Procedura jest powtarzana warstwa po warstwie. W ten sposób z proszku „przyrasta” wał wirnika o długości ok. 50 cm. Zalety w porównaniu z tradycyjnym frezowaniem i toczeniem tego elementu to: dużo mniejsze zużycie materiału, bezpośrednie ponowne wykorzystanie pozostałego proszku, bardziej złożone kształty. Dzięki temu wał wirnika ma wewnątrz precyzyjne stabilizujące użebrowanie.

Otrzymanie takiego kształtu na tokarce byłoby niemożliwe. Aby uzyskać ten sam rezultat, najpierw należałoby odlać elementy wału, a później zespawać je. „Ten tutaj jest jednoczęściowy – dużo stabilniejszy, dużo lżejszy przy wysokiej sztywności i ma znacznie lepsze właściwości dzięki brakowi połączeń”, wylicza zalety Ickinger. A wady: „Wydrukowanie takiego wału trwa na razie ok. 13 godzin”. Dlatego produkcja seryjna nie jest jeszcze w planach, ale technologia ta w przyszłości zrewolucjonizuje konstrukcję silników. Hendrik Sebastian uzupełnia: „Produkcja addytywna to rewolucja w sposobie tworzenia podzespołów. Możemy dużo szybciej dokonywać optymalizacji, przeprowadzać testy, a ponadto znacznie zwiększyć efektywność. To wyjątkowa innowacja produktowa i procesowa, której potencjał jeszcze długo pozostanie niewyczerpany. Musimy jeszcze wprawdzie uporać się z wieloma wyzwaniami – ale nie bylibyśmy Porsche, gdybyśmy ich nie podjęli”. Przykładem takiej innowacji produktowej i procesowej są cieniutkie, kręte kanały chłodzące wewnątrz elementów. „Wyniki naszych badań przyczynią się wkrótce do powstania jeszcze bardziej kompaktowych silników o jeszcze lepszych parametrach”, mówi Heilfort z przekonaniem.

Żadne odnawialne Porsche, żaden samochód sportowy z drukarki 3D: w roku 2048 Porsche będzie składało się z wielu homogenicznych materiałów, idealnie dopasowanych do ich zastosowania. Stal i aluminium są w coraz większym i coraz bardziej zaawansowanym stopniu uzupełniane materiałami umożliwiającymi optymaliza-cję w każdej płaszczyźnie. Do tego potrzeba wizji, żyłki badacza oraz nowatorskiego podejścia. To wszystko jest już dziś nieobce ekspertom w Weissach.

Thorsten Elbrigmann
Thorsten Elbrigmann