Ang dayuhang pananaliksik sa larangan ng mga pinagsama-samang materyales para sa rail transit ay nagpapatuloy sa halos kalahating siglo.Bagaman ang mabilis na pag-unlad ng rail transit at high-speed rail sa China at ang aplikasyon ng mga domestic composite na materyales sa larangang ito ay puspusan, ang reinforced fiber ng composite materials na malawakang ginagamit sa foreign rail transit ay mas glass fiber, na iba sa na ng carbon fiber composites sa China.Gaya ng nabanggit sa artikulong ito, ang carbon fiber ay mas mababa sa 10% ng mga composite na materyales para sa katawan na binuo ng TPI Composites Company, at ang natitira ay glass fiber, upang mabalanse nito ang gastos habang tinitiyak ang magaan.Ang napakalaking paggamit ng carbon fiber ay hindi maiiwasang humahantong sa mga paghihirap sa gastos, kaya maaari itong magamit sa ilang mahahalagang bahagi ng istruktura tulad ng mga bogies.
Sa loob ng higit sa 50 taon, ang Norplex-Micarta, isang gumagawa ng mga thermosetting composites, ay nagkaroon ng matatag na negosyo sa paggawa ng mga materyales para sa mga aplikasyon ng rail transit, kabilang ang mga tren, light-rail braking system, at electrical insulation para sa elevated electric rail.Ngunit ngayon, ang merkado ng kumpanya ay lumalawak nang higit sa isang medyo makitid na angkop na lugar sa higit pang mga aplikasyon tulad ng mga dingding, bubong at sahig.
Si Dustin Davis, direktor ng pagpapaunlad ng negosyo para sa Norplex-Micarta, ay naniniwala na ang riles at iba pang mass transportation market ay lalong magbibigay ng mga pagkakataon para sa kanyang kumpanya, gayundin sa iba pang mga composite manufacturer at supplier, sa mga darating na taon.Mayroong ilang mga dahilan para sa inaasahang paglago na ito, ang isa ay ang European adoption ng Fire standard EN 45545-2, na nagpapakilala ng mas mahigpit na mga kinakailangan sa proteksyon ng sunog, usok at gas (FST) para sa mass transport.Sa pamamagitan ng paggamit ng mga phenolic resin system, maaaring isama ng mga composite manufacturer ang mga kinakailangang katangian ng proteksyon sa sunog at usok sa kanilang mga produkto.
Bilang karagdagan, ang mga operator ng bus, subway at tren ay nagsisimula nang matanto ang mga pakinabang ng pinagsama-samang mga materyales sa pagbabawas ng maingay na panginginig ng boses at cacophony."Kung nakasakay ka na sa subway at nakarinig ng isang metal plate na dumadagundong," sabi ni Davis.Kung ang panel ay gawa sa composite material, imu-mute nito ang tunog at gagawing mas tahimik ang tren."
Ang mas magaan na bigat ng composite ay ginagawang kaakit-akit din sa mga operator ng bus na interesado sa pagbabawas ng paggamit ng gasolina at pagpapalawak ng saklaw nito.Sa isang ulat noong Setyembre 2018, hinulaang ang market research firm na Lucintel na ang pandaigdigang merkado para sa mga composite na ginagamit sa mass transportation at mga off-road na sasakyan ay lalago sa taunang rate na 4.6 porsiyento sa pagitan ng 2018 at 2023, na may potensyal na halaga na $1 bilyon sa 2023. Ang mga pagkakataon ay magmumula sa iba't ibang mga aplikasyon, kabilang ang panlabas, panloob, hood at mga bahagi ng powertrain, at mga de-koryenteng bahagi.
Gumagawa na ngayon ang Norplex-Micarta ng mga bagong bahagi na kasalukuyang sinusuri sa mga linya ng light rail sa United States.Bilang karagdagan, ang kumpanya ay patuloy na tumutuon sa mga sistema ng elektripikasyon na may tuloy-tuloy na mga hibla na materyales at pinagsasama ang mga ito sa mas mabilis na pagpapagaling ng mga sistema ng dagta."Maaari mong bawasan ang mga gastos, pataasin ang produksyon, at dalhin ang buong functionality ng FST phenolic sa merkado," ipinaliwanag ni Davis.Habang ang mga composite na materyales ay maaaring maging mas mahal kaysa sa mga katulad na bahagi ng metal, sinabi ni Davis na ang gastos ay hindi ang application na tumutukoy sa kadahilanan na kanilang pinag-aaralan.
Banayad at flame-retardant
Ang pagsasaayos ng fleet ng European rail operator na si Duetsche Bahn ng 66 ICE-3 Express na sasakyan ay isa sa mga kakayahan ng mga composite na materyales upang matugunan ang mga partikular na pangangailangan ng mga customer.Ang air conditioning system, passenger entertainment system at mga bagong upuan ay nagdagdag ng hindi kinakailangang timbang sa ICE-3 rail cars.Bilang karagdagan, ang orihinal na sahig na plywood ay hindi nakakatugon sa mga bagong pamantayan ng sunog sa Europa.Ang kumpanya ay nangangailangan ng solusyon sa sahig upang makatulong na mabawasan ang timbang at matugunan ang mga pamantayan sa proteksyon ng sunog.Ang magaan na composite flooring ang sagot.
Ang Saertex, isang manufacturer ng composite fabrics na nakabase sa Germany, ay nag-aalok ng LEO® material system para sa sahig nito.Sinabi ni Daniel Stumpp, pandaigdigang pinuno ng marketing sa Saertex Group, ang LEO ay isang layered, non-crimped fabric na nag-aalok ng mas mataas na mekanikal na katangian at mas magaan na potensyal kaysa sa mga pinagtagpi na tela.Kasama sa apat na bahaging composite system ang mga espesyal na coating na lumalaban sa sunog, fiberglass reinforced na materyales, SAERfoam®(isang pangunahing materyal na may pinagsamang 3D-fiberglass Bridges), at LEO vinyl ester resins.
Ang SMT (na nakabase din sa Germany), isang composite material manufacturer, ay lumikha ng sahig sa pamamagitan ng proseso ng pagpuno ng vacuum gamit ang mga reusable na silicon na vacuum bag na ginawa ni Alan Harper, isang British na kumpanya."Nakatipid kami ng humigit-kumulang 50 porsiyento ng timbang mula sa nakaraang playwud," sabi ni Stumpp."Ang LEO system ay nakabatay sa tuluy-tuloy na fiber laminates na may non-filled resin system na may mahusay na mekanikal na katangian... . Bukod dito, ang composite ay hindi nabubulok, na isang malaking kalamangan, lalo na sa mga lugar kung saan umuulan ng niyebe sa taglamig at ang basa ang sahig."Ang sahig, pang-itaas na karpet, at materyal na goma ay nakakatugon lahat sa mga bagong pamantayan ng flame retardant.
Nakagawa ang SMT ng higit sa 32,000 square feet ng mga panel, na na-install sa halos isang-katlo ng walong ICE-3 na tren hanggang sa kasalukuyan.Sa panahon ng proseso ng refurbishment, ang laki ng bawat panel ay ino-optimize upang magkasya sa isang partikular na kotse.Ang OEM ng ICE-3 sedan ay labis na humanga sa bagong composite flooring na ito ay nag-utos ng isang composite na bubong upang bahagyang palitan ang lumang metal na istraktura ng bubong sa mga rail cars.
Lumayo pa
Ang Proterra, isang taga-disenyo na nakabase sa California at tagagawa ng mga zero-emission electric bus, ay gumagamit ng mga composite na materyales sa lahat ng katawan nito mula noong 2009. Noong 2017, nagtakda ang kumpanya ng rekord sa pamamagitan ng pagmamaneho ng 1,100 one-way na milya sa Catalyst na may baterya. ®E2 bus.Nagtatampok ang bus na iyon ng magaan na katawan na ginawa ng composite manufacturer na TPI Composite.
* Kamakailan, nakipagtulungan ang TPI sa Proterra upang makagawa ng pinagsama-samang all-in-one na composite electric bus."Sa isang karaniwang bus o trak, mayroong isang chassis, at ang katawan ay nakaupo sa ibabaw ng chassis na iyon," paliwanag ni Todd Altman, direktor ng Strategic marketing sa TPI.Gamit ang hard shell na disenyo ng bus, pinagsama-sama namin ang chassis at body, katulad ng disenyo ng all-in-one na kotse." Ang isang istraktura ay mas epektibo kaysa sa dalawang magkahiwalay na istruktura sa pagtugon sa mga kinakailangan sa pagganap.
Ang Proterra single-shell body ay purpose-built, na idinisenyo mula sa simula upang maging isang de-kuryenteng sasakyan.Iyon ay isang mahalagang pagkakaiba, sinabi ni Altman, dahil ang karanasan ng maraming mga automaker at mga gumagawa ng electric bus ay upang subukan ang mga limitadong pagtatangka upang iakma ang kanilang mga tradisyonal na disenyo para sa mga internal combustion engine sa mga de-kuryenteng sasakyan."Kumukuha sila ng mga kasalukuyang platform at sinusubukang mag-pack ng maraming baterya hangga't maaari. Hindi ito nag-aalok ng pinakamahusay na solusyon mula sa anumang punto ng view.""sabi ni Altman.
Maraming mga electric bus, halimbawa, ang may mga baterya sa likod o sa ibabaw ng sasakyan.Ngunit para sa Proterra, kayang i-mount ng TPI ang baterya sa ilalim ng bus."Kung nagdaragdag ka ng maraming timbang sa istraktura ng sasakyan, gusto mong maging magaan ang bigat na iyon hangga't maaari, kapwa mula sa pananaw sa pagganap at mula sa pananaw sa kaligtasan," sabi ni Altman.Nabanggit niya na maraming mga electric bus at mga tagagawa ng kotse ang babalik na ngayon sa drawing board upang bumuo ng mas mahusay at naka-target na mga disenyo para sa kanilang mga sasakyan.
Ang TPI ay pumasok sa isang limang taong kasunduan sa Proterra upang makagawa ng hanggang 3,350 pinagsama-samang mga katawan ng bus sa mga pasilidad ng TPI sa Iowa at Rhode Island.
Kailangang i-customize
Ang pagdidisenyo ng Catalyst bus body ay nangangailangan na ang TPI at Proterra ay patuloy na balansehin ang mga kalakasan at kahinaan ng lahat ng iba't ibang materyales upang maabot nila ang mga layunin sa gastos habang nakakamit ang pinakamainam na pagganap.Nabanggit ni Altman na ang karanasan ng TPI sa paggawa ng malalaking wind blades na humigit-kumulang 200 talampakan ang haba at tumitimbang ng 25,000 pounds ay ginagawang medyo madali para sa kanila na makagawa ng 40-talampakang mga katawan ng bus na tumitimbang sa pagitan ng 6,000 at 10,000 pounds.
Nagagawa ng TPI na makuha ang kinakailangang lakas ng istruktura sa pamamagitan ng piling paggamit ng carbon fiber at pagpapanatili nito upang palakasin ang mga lugar na may pinakamaraming karga."Gumagamit kami ng carbon fiber kung saan maaari kang bumili ng kotse," sabi ni Altman.Sa pangkalahatan, ang carbon fiber ay bumubuo ng mas mababa sa 10 porsiyento ng composite reinforcing material ng katawan, at ang iba ay fiberglass.
Pinili ng TPI ang vinyl ester resin para sa katulad na dahilan."Kapag tinitingnan namin ang mga epoxies, ang mga ito ay mahusay, ngunit kapag pinagaling mo ang mga ito, kailangan mong itaas ang temperatura, kaya kailangan mong painitin ang amag. Ito ay isang karagdagang gastos, "patuloy niya.
Gumagamit ang kumpanya ng vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) para makagawa ng mga composite sandwich structure na nagbibigay ng kinakailangang higpit sa isang shell.Sa panahon ng proseso ng pagmamanupaktura, ang ilang mga kabit na metal (tulad ng mga sinulid na kabit at mga tapping plate) ay isinasama sa katawan.Ang bus ay nahahati sa itaas at ibabang bahagi, na pagkatapos ay pinagdikit.Ang mga manggagawa ay dapat na magdagdag ng maliliit na pinagsama-samang dekorasyon tulad ng mga fairing, ngunit ang bilang ng mga bahagi ay isang maliit na bahagi ng metal na bus.
Matapos ipadala ang tapos na katawan sa Proterra bus production plant, mas mabilis ang daloy ng production line dahil kakaunting trabaho ang dapat gawin."Hindi nila kailangang gawin ang lahat ng hinang, paggiling at pagmamanupaktura, at mayroon silang isang napaka-simpleng interface upang ikonekta ang katawan sa drivetrain," idinagdag ni Altman.Ang Proterra ay nakakatipid ng oras at binabawasan ang overhead dahil mas kaunting espasyo sa pagmamanupaktura ang kinakailangan para sa monocotic shell.
Naniniwala si Altman na ang pangangailangan para sa mga pinagsama-samang katawan ng bus ay patuloy na tataas habang ang mga lungsod ay bumaling sa mga de-kuryenteng bus upang mabawasan ang polusyon at mabawasan ang mga gastos.Ayon kay Proterra, ang mga bateryang de-kuryenteng sasakyan ang may pinakamababang operating life cycle cost (12 taon) kumpara sa diesel, compressed natural gas o diesel hybrid bus.Iyon ay maaaring isang dahilan kung bakit sinasabi ng Proterra na ang mga benta ng mga de-koryenteng bus na pinapagana ng baterya ay 10% na ngayon ng kabuuang merkado ng transportasyon.
Mayroon pa ring ilang mga hadlang sa malawak na aplikasyon ng mga composite na materyales sa katawan ng electric bus.Ang isa ay ang espesyalisasyon ng iba't ibang pangangailangan ng mga customer ng bus."Gusto ng bawat awtoridad ng transit na kumuha ng mga bus sa ibang paraan -- configuration ng upuan, pagbubukas ng hatch. Malaking hamon ito para sa mga manufacturer ng bus, at marami sa mga configuration item na iyon ang maaaring mapunta sa amin.""Sabi ni Altman. "Gusto ng mga pinagsama-samang body manufacturer na magkaroon ng karaniwang build, ngunit kung gusto ng bawat customer ng mataas na antas ng pag-customize, magiging mahirap gawin iyon." Patuloy na nakikipagtulungan ang TPI sa Proterra upang mapahusay ang disenyo ng bus para mas mahusay na pamahalaan ang flexibility na kinakailangan ng mga end-customer.
Galugarin ang posibilidad
Ang mga composite ay patuloy na sumusubok kung ang mga materyales nito ay angkop para sa mga bagong aplikasyon ng mass transportation.Sa UK, ang ELG Carbon Fibre, na dalubhasa sa teknolohiya para sa pag-recycle at muling paggamit ng carbon fiber, ay nangunguna sa isang consortium ng mga kumpanyang gumagawa ng magaan na composite na materyales para sa mga bogies sa mga pampasaherong sasakyan.Sinusuportahan ng bogie ang katawan ng kotse, ginagabayan ang wheelset at pinapanatili ang katatagan nito.Nakakatulong ang mga ito na pahusayin ang ginhawa sa pagsakay sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga vibrations ng riles at pagliit ng puwersa ng centrifugal habang umiikot ang tren.
Ang isang layunin ng proyekto ay upang makabuo ng bogies na 50 porsiyentong mas magaan kaysa sa maihahambing na metal bogies."Kung ang bogie ay mas magaan, ito ay magdudulot ng mas kaunting pinsala sa track, at dahil ang pagkarga sa track ay magiging mas mababa, ang oras ng pagpapanatili at mga gastos sa pagpapanatili ay maaaring mabawasan," sabi ni Camille Seurat, ELG product development engineer.Ang mga karagdagang layunin ay bawasan ang side-to-rail wheel forces ng 40% at magbigay ng lifetime condition monitoring.Pinopondohan ng non-profit na Rail Safety and Standards Board (RSSB) ng UK ang proyekto na may layuning makagawa ng isang produktong mabubuhay sa komersyo.
Ang malawak na mga pagsubok sa pagmamanupaktura ay isinagawa at isang bilang ng mga panel ng pagsubok ay ginawa gamit ang mga prepreg mula sa die pressing, conventional wet layup, perfusion at autoclave.Dahil magiging limitado ang produksyon ng mga bogie, pinili ng kumpanya ang epoxy prepreg na pinagaling sa mga autoclave bilang ang pinaka-epektibong paraan ng pagtatayo.
Ang full-size na bogie prototype ay 8.8 feet ang haba, 6.7 feet ang lapad at 2.8 feet ang taas.Ito ay ginawa mula sa kumbinasyon ng recycled carbon fiber (nonwoven pads na ibinigay ng ELG) at hilaw na carbon fiber fabric.Ang one-way fibers ay gagamitin para sa pangunahing elemento ng lakas at ilalagay sa molde gamit ang robotic technology.Pipiliin ang isang epoxy na may magagandang mekanikal na katangian, na magiging isang bagong formulated na flame retardant epoxy na na-certify EN45545-2 para magamit sa mga riles.
Hindi tulad ng mga bakal na bogies, na hinangin mula sa mga steering beam hanggang sa dalawang side beam, ang mga composite na bogies ay itatayo na may magkakaibang mga tuktok at ilalim na pagkatapos ay pinagsama-sama.Upang palitan ang mga umiiral na metal bogies, ang composite na bersyon ay kailangang pagsamahin ang suspension at brake connection bracket at iba pang accessories sa parehong posisyon."Sa ngayon, pinili naming panatilihin ang mga steel fitting, ngunit para sa karagdagang mga proyekto, maaaring maging kawili-wiling palitan ang mga steel fitting na may composite type fittings upang mas mabawasan namin ang huling timbang," sabi ni Seurat.
Isang consortium na miyembro ng Sensors and Composites Group sa University of Birmingham ang nangangasiwa sa pagbuo ng sensor, na isasama sa composite bogie sa yugto ng pagmamanupaktura."Karamihan sa mga sensor ay tututuon sa pagsubaybay sa strain sa mga discrete point sa bogie, habang ang iba ay para sa temperature sensing," sabi ni Seurat.Ang mga sensor ay magbibigay-daan sa real-time na pagsubaybay sa pinagsama-samang istraktura, na nagpapahintulot sa panghabambuhay na data ng pagkarga na makolekta.Magbibigay ito ng mahalagang impormasyon tungkol sa peak load at pangmatagalang pagkapagod.
Ang mga paunang pag-aaral ay nagpapahiwatig na ang mga composite bogies ay dapat na makamit ang nais na pagbabawas ng timbang na 50%.Inaasahan ng team ng proyekto na magkaroon ng malaking bogie na handa para sa pagsubok sa kalagitnaan ng 2019.Kung gumanap ang prototype gaya ng inaasahan, gagawa sila ng mas maraming bogies upang subukan ang mga tram na ginawa ng Alstom, ang kumpanya ng rail transport.
Ayon kay Seurat, bagama't marami pa ang kailangang gawin, ang mga maagang indikasyon ay nagmumungkahi na posibleng makabuo ng isang composite bogie na mabubuhay sa komersyo na maaaring makipagkumpitensya sa mga metal na bogie sa gastos at lakas."Pagkatapos ay sa tingin ko mayroong maraming mga pagpipilian at potensyal na aplikasyon para sa mga composite sa industriya ng riles," dagdag niya.(Nilimbag muli ang artikulo mula sa Carbon Fiber and Its Composite Technology ni Dr. Qian Xin).
Oras ng post: Mar-07-2023