Pierwsza wielkoseryjna produkcja metalizowanych próżniowo przedmiotów wyposażenia samochodów ruszyła w USA krótko przed II wojną światową. W Europie metodę naparowywania zaczęto stosować z początkiem lat 50. XX w. Metalizacja komponentów z tworzyw sztucznych zyskała na popularności. A jak wpisuje się w produkcję o obiegu zamkniętym?
Tworzywa pokryte powłokami metalowymi uzyskanymi przez np. naparowywanie w wysokiej próżni znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach gospodarki. I to nie tylko z powodu korzyści technologicznych, ale również dlatego, że stosując tę metodę metalizacji, można pokrywać dowolnie ukształtowane przedmioty bardzo cienkimi powłokami w sposób wyjątkowo ekonomiczny. Jak bardzo cienkimi? Metalizacja na nowym poziomie to warstwa wierzchnia grubości 25-40 µm i tylko 0,1-0,2 µm warstwy bazowej.
W motoryzacji każdy gram mniej jest na wagę złota. Od wielu już lat w pojazdach samochodowych dużą liczbę wyrobów wytwarzanych z metali zastąpiono wyrobami z tworzyw. Zaletą stosowania tworzyw sztucznych jest oczywiście zmniejszenie masy wyrobu. Przykładowo, gęstość ABS wynosi 1,04-1,07 g/cm3, co oznacza, że taki np. element karoseryjny jest kilka razy lżejszy od aluminium, 5-7 razy lżejszy od stali.
Powłoki o dowolnych fakturach i barwach. Złote, srebrne, chromowane...
Technologia metalizacji tworzyw sztucznych przyciągała uwagę projektantów i ważnych sektorów przemysłu przez wiele lat. Popularnymi rodzajami procesu są metalizacje: natryskowa, próżniowa, galwaniczna, ogniowa, kontaktowa i dyfuzyjna. Od niedawna także w sproszkowanym metalu do druku 3D upatruje się niemałej rewolucji wytwarzania wysokiej jakości powłok metalizowanych.
„Wyniki w postaci referencyjnych właściwości mechanicznych, obróbki cieplnej i mikrostruktury z naszych drukowanych materiałów stanowią podstawę, na której można budować!”, oznajmiła spełnienie europejskich przepisów dotyczących ochrony środowiska REACH na koniec 2017 r. firma Oerlikon Balzers, anonsując pionierską metodę powlekania dla wszystkich zastosowań, gdzie od części z tworzyw sztucznych oczekuje się wysokiej jakości metalowych powierzchni. Przyjazna dla środowiska metoda wytwarzania powłok EPD działa bez użycia substancji toksycznych, takich jak chrom i pochodnych.
Razem z firmą Oerlikon Metco poczęto wtedy oferować przemysłowi motoryzacyjnemu przetestowane i kwalifikowane proszki niklu, tytanu, kobaltu i stali nierdzewnej, a wszystko ze wsparciem technicznym niezbędnym do pomyślnego „drukowania” powłok metalizowanych, które zabezpiecza się lakierem bezbarwnym.
Wysokiej jakości komponenty z błyszczącymi elementami, powierzchnie metalowe, takie jak te stosowane we wnętrzach, i wyposażenia zewnętrznego samochodów, pozwalają zwiększyć wartość produktu końcowego w oczach konsumentów. I nic dziwnego, że metaliczne powłoki lakiernicze są jednymi z najpopularniejszych zdobień w naszej branży.
Aksamitne w dotyku, innym razem szorstkie, bo o różnym stopniu gradacji. Dowolny element z tworzyw z recyklingu napyla się dziś coraz cieńszymi warstwami dowolnego metalu (złota, srebra czy stali), dzięki czemu sprawiają wrażenie „szlachetnych”. Oprócz uzyskania niestandardowej powierzchni wyrobu wykończenie to pomaga ukryć lub zmniejszyć widoczność wad produkcyjnych tworzywa sztucznego (z recyklingu). Powłoki takie składają się z trzech warstw: bazy, cienkiego napylania metalem i lakieru ochronnego wierzchniej warstwy. Warstwa bazowa służy do wyrównywania nierówności podłoża z tworzywa sztucznego formowanego wtryskowo.
A teraz? Zastępowanie elementów metalowych lżejszymi elementami z dowolnych tworzyw sztucznych, a zwłaszcza takimi, które pozyskujemy z recyklingu, otwiera nowy rozdział w historii motoryzacji.
Recykling i smart coatings
Nie bez powodu wspomnieliśmy firmę Oerlikon Balzers. Ten wiodący dostawca zaawansowanych rozwiązań powierzchniowych w 2021 r. dostarczył urządzenia do powlekania i rozwiązania do procesu metalizacji części z tworzyw sztucznych do fabryki Grupy BMW w Landshut. Technologia EPD to czysty, zgodny z normami REACH proces charakteryzujący się niskim zużyciem energii. Cienką warstwę metaliczną osadza się za pomocą napylania próżniowego (PVD – Physical Vapour Deposition) wszędzie tam, gdzie na elementach z tworzyw sztucznych wymagane są wysokiej jakości powierzchnie o metalicznym wyglądzie.
Powłoki typu EPD składają się z trzech warstw: bazy (warstwa UV), cienkiej metalicznej „folii” oraz ochronnego lakieru wierzchniego. Warstwa bazowa służy do wyrównywania nierówności tworzywa sztucznego formowanego wtryskowo. Projektanci i inżynierowie mogą łączyć ją z innymi technologiami, takimi jak druk cyfrowy, sitodruk i tampodruk oraz znakowanie laserowe, aby jeszcze bardziej zwiększyć zakres możliwych do uzyskania funkcjonalności.
Trójwarstwowa struktura, złożona z lakierów UV i powłoki PVD, to także przełomowe podejście do nowo projektowanych elementów z polimerów stosowanych w pojazdach elektrycznych lub hybrydowych. Brak tu odpadów, zapotrzebowanie na energię jest niskie, co czyni proces przyjaznym dla środowiska. I opłacalnym, co jest szczególnie cenione przez firmy skupiające się na zrównoważonych procesach.
Co więcej, dzięki systemowi powłok Inubia, który spełnia wymagania przemysłu motoryzacyjnego, następuje pełna integracja procesu z produkcją seryjną, z czego skwapliwie korzysta już Grupa BMW. A przed nami kolejny krok: wysokiej jakości metalizowane części z tworzyw sztucznych i zaangażowanie funkcjonalne w interaktywną komunikację między pojazdami. Powlekane narzędzie do formowania części nadwozia (zwanej nerką) zapewnia wysoką niezawodność procesu wytwarzania.
Technologia EPD pozwala pojazdom „rozmawiać” ze sobą, a to będzie miało kolosalne znaczenie dla realizacji jazdy autonomicznej. Nadal mowa o powłokach zapewniających atrakcyjność wizualną. Jak inaczej mogą wyglądać elementy składowe systemów wspomagania kierowcy (ADAS)? To nowatorska technologia produkcji, bo zaangażowana do wytwarzania elementów pojemnościowych lub niewidocznych bądź półprzezroczystych – za każdym razem uzupełniających design nowoczesnych pojazdów. Pozwala na umieszczanie symboli graficznych, np. na podświetlanych przyciskach. Takie powłoki są trwałe i odporne na zarysowania oraz mogą być transparentne dla wiązki radarowej. Ułatwiają też instalację czujników radarowych za kratkami pokrytymi EPD w celu pomiaru odległości od poprzedzającego pojazdu.
Dość powiedzieć, że światowy lider w zakresie cienkich warstw zdobył nagrodę Magna Supplier Innovation 2022 w kategorii „Transmission Solutions” za koncepcję „Smart Coatings”. Dział układów napędowych firmy Magna, wiodącego dostawcy branży samochodowej z grupy Tier 1, tym razem zainteresował konkursem ponad 40 firm. Zadanie polegało na przedstawieniu rozwiązań dla napędów jutra. Oerlikon Balzers zdobył pierwsze miejsce, prezentując pomysł, aby użyć cienkich powłok jako czujników do monitorowania podzespołów samochodowych w czasie rzeczywistym.
Innowacyjność powłok, które „rozmawiają” ze sobą
Nowoczesne samochody mają około 100 miniaturowych czujników, które monitorują stan podzespołów w czasie rzeczywistym. Dzięki wykorzystaniu Smart Coatings czujniki są zintegrowane bezpośrednio z komponentami. W ten sposób gromadzone są dane o obciążeniu, temperaturze czy ciśnieniu, a pomiarów dokonuje się w czasie rzeczywistym. Na całym świecie w zakładach Oerlikon Balzers i u klientów stosuje się ponad 1300 systemów nakładania powłok powierzchniowych.
Nie pierwszy raz przemysł motoryzacyjny pozostaje największym innowatorem. Tym razem to bardzo spektakularne rozwiązania, skoro łączą paradygmat gospodarki w obiegu zamkniętym z mobilnością „jutra”, w której wizja zero (wypadków) jawi się tak obiecująco.
Wspomnijmy, że sektor motoryzacyjny jest nadal największym inwestorem w badania i rozwój w UE. Pod względem wydatków (I miejsce w 2019 r. z udziałem w wysokości 33%) góruje nad pozostałymi sektorami gospodarki. Farmacja i biotechnologia (16% w 2019 r. i 17% w 2020 r.) zajmuje drugie miejsce. Na szarym końcu, bo tylko z 4%, plasują się przemysł lotniczy i przemysł obronny. I jakkolwiek od ostatnich kilku lat to firmy motoryzacyjne z Chin najbardziej inwestują w innowacje, to Stary Kontynent nadal ma na tym polu rolę wiodącą.
Od gigantów rynku i wschodzących gwiazd wśród dostawców innowacyjnych powłok oczekuje się dziś sprostania wyzwaniom globalnym. W ich swoistym rankingu przewija się pogląd, że najnowsze technologie powinny skupiać się na czterech czynnikach stymulujących innowacje. Za każdym razem realizując zrównoważony rozwój, produktywność, funkcje ochronne (zwiększona trwałość powłok). Z megatrendów wymieńmy: bezpieczeństwo i ochronę środowiska, niskie koszty wytwarzania i produkcję w obiegu zamkniętym. W tym wyścigu liczą się szybkość zidentyfikowania przeszkód i wyzwań oraz ekonomika wdrożeń rozwiązań. I na tym polu opisywane powłoki mają wielki potencjał rozwojowy.
Jest tak, skoro tak potraktowane powłokami części mogą skrywać przydatne nowe funkcje. Tak metalizować można także polimery z grupy elastycznych, tj. bez ryzyka pękania warstwy uszlachetniającej podczas wyginania lub rozciągania. Dość powiedzieć, że wytworzone w ten sposób produkty – jak obiecują ich pomysłodawcy – są atrakcyjne na czas demontażu!
Rafał Dobrowolski
Fot. materiały firm: BMW Group, Oerlikon Balzers
Komentarze (0)