Czas polimerów

10.11.2017 08:15
Motocykle nie są już 'stalowymi rumakami', bo coraz więcej w nich tworzyw sztucznych. Ale 'żelazo' nie daje za wygraną.
1

stalowy sprzęt

Powyżej: Motocykl sprzed wieku niemal w całości wykonany był ze stali. Poza metalem wykorzystywano głównie gumę.

W czasach, gdy powstawały pierwsze motocykle, o tworzywach sztucznych można było tylko pomarzyć. Jeszcze na początku XX w. królowała w nich stal, którą powszechnie stosowano w dwukołowych, silnikowych konstrukcjach. Z kolei silniki nie mogły obejść się bez żeliwa.

2

Zawrotna kariera

Powyżej: Współczesny motocykl, zwłaszcza w sportowym wydaniu, to prawdziwy festiwal rozmaitych tworzyw sztucznych.

Elementy z tworzyw pojawiły się w latach trzydziestych. Były niewielkie, wykonane z bakelitu i najczęściej wprowadzano je do instalacji elektrycznej ze względu na dobre właściwości izolacyjne. Taki materiał był daleki jakościowo od tworzyw, jakie znamy dzisiaj.
Plastiki we współczesnym wydaniu zawitały na dobre do motocykli dopiero w latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Cały przemysł motoryzacyjny zaczął wówczas korzystać na szeroką skalę z dobrodziejstw tworzyw sztucznych. Był to wynik spadku cen, dostępności i zdecydowanej poprawy jakościowej tego typu materiałów.
Wzrost popularności tworzyw sztucznych w tamtym okresie wiązał się z szybkim rozwojem przemysłu chemicznego, w dużej mierze opartego na przerobie ropy naftowej. Tania ropa stała się wówczas podstawowym surowcem do produkcji całej gamy polimerów. O ile w 1965 r. światowa produkcja tworzyw sztucznych, powszechnie nazywanych też plastikami (choć od strony chemicznej są to odmienne materiały), wynosiła zaledwie 15 mln ton, to w 1976 r. sięgnęła 50 mln ton. W 2008 r. wzrosła do 280 mln ton a w 2015 r. wyniosła 322 mln ton. Triumfalny pochód tworzyw widać niemal w każdym rodzaju produktów codziennego użytku, także w samochodach i motocyklach.

3 Polimiery Polimiery Fot. BMW

Bakelit na początek

Powyżej: BMW R 100RS (1976) z pierwszą, pełną obudową z tworzywa.

Historia tworzyw sztucznych zaczęła się na dobre w 1907 r., gdy Leo Hendrik Baekeland przeprowadził udaną kondensację formaldehydu i fenolu, uzyskując żywicę fenolową. To pierwsze, w pełni syntetyczne, termoutwardzalne tworzywo, nazwano od nazwiska wynalazcy bakelitem. Był to materiał twardy i kruchy, ale miał dobre własności izolacyjne i sprawdzał się w elektrotechnice. Dzięki możliwości tłoczenia nadawał się do masowej produkcji różnych przedmiotów. Miał małą wytrzymałość mechaniczną, nie był odporny na wysoką temperaturę i ulegał pod jej wpływem zwęgleniu, ale stanowił podstawę do dalszego rozwoju tworzyw termoutwardzalnych, zyskujących sporą popularność.
W kolejnym dziesięcioleciu zaczęły się pojawiać w Stanach Zjednoczonych konkurencyjne, termoplastyczne tworzywa sztuczne, które do powszechnego użytku weszły w latach sześćdziesiątych. Od lat pięćdziesiątych stosowano też kompozyty na bazie włókna szklanego.

Poniżej: Honda Transalp (1986) - pierwsze zgrabnie obudowane enduro.


Fot. Honda

Coraz większe zapotrzebowanie na tworzywa sztuczne przyspieszało rozwój przemysłu chemicznego, a ten tworzył coraz więcej nowych produktów. Dzisiaj mamy na rynku dziesiątki rozmaitych tworzyw, mniej lub bardziej wytrzymałych, łatwiejszych lub trudniejszych w obróbce, tańszych i droższych. Te, po które najczęściej sięga motoryzacja, to polimery takie jak polipropylen (5500 zł/t), polistyren (7100 zł/t), ABS (9500 zł/t) i poliwęglan (12 700 zł/t). Przypomnijmy, że cena aluminium wynosi obecnie ok. 7300 zł/t, a stali w formie blachy walcowanej na gorąco zaledwie 2500-2600 zł/t. Jak widać tworzywa sztuczne są drogie, muszą zatem mieć sporo zalet, skoro producenci jednośladów sięgają po nie mimo wysokich kosztów.

4

Lekkie, ale kosztowne

Powyżej: Konstrukcja skutera tuż po wojnie w całości była wykonana ze stali. Taki standard wyznaczyła legendarna Vespa.

Tworzywa sztuczne rzeczywiście mają kilka istotnych walorów, niezwykle cennych dla wytwórców motocykli. Są stosunkowo łatwe w kształtowaniu, odporne na korozję i czynniki atmosferyczne, dobrze tłumią wibracje, skutecznie pochłaniają energię podczas kolizji czy upadku, wyglądają estetycznie ale przede wszystkim są lekkie.
Dla przemysłu motocyklowego niezwykle istotną cechę stanowi niska masa. Ten czynnik wydaje się najbardziej istotny. Podczas gdy gęstość stali wynosi 7,86 g/ccm a aluminium 2,7 g/ccm, to gęstość tworzyw sztucznych waha się od 0,89 do 1,54 g/ccm (wyjątkiem jest amerykański teflon - 2,1-2,25 g/ccm). Nic zatem dziwnego, że na przykład owiewki i osłony w jednośladach są wykonywane z tworzywa o nazwie akrylnitril-butadien-styren, powszechnie określanego jako ABS. Ma gęstość zaledwie 1,05 g/ccm, a przy tym bardzo dużą twardość i odporność na uderzenia.

Fot. poniżej: We współczesnym wydaniu skutery mają prostą, metalową ramę (stalową lub aluminiową). Reszta to królestwo tworzyw sztucznych.


Fot. Suzuki

Jeśli przyjmiemy, że owiewka sportowego motocykla ma powierzchnię 2,5 m2 to wykonana z blachy stalowej o grubości 0,2 mm ważyłaby blisko 40 kg. Gdyby wytłoczyć ją z blachy aluminiowej o grubości 0,3 mm (musi być nieco grubsza niż stalowa ze względu na wytrzymałość), to jej masa sięgnęła by 20 kg. Ta sama obudowa z ABS o przeciętnej grubości 0,4 mm (przeciętna ze względu na grubsze i cieńsze strefy) ważyłaby zaledwie 10,5 kg.
Wadą takiego tworzywa jest jednak jego koszt, który rzutuje nie tylko na finalną cenę motocykla, ale również na ceny części zamiennych wykonanych z ABS, o czym z pewnością dotkliwie przekonał się niejeden jeździec, który zeszlifował owiewki w swoim motocyklu.

5

Kłopotliwe kompozyty

Powyżej i poniżej: Różne zastosowania: tworzywa można szybko i łatwo kształtować, by tworzyć z nich skomplikowane struktury takie jak zbiorniki paliwa czy obudowy reflektorów. Tworzywa stosuje się nawet w przeniesieniu napędu (pasek w przekładni bezstopniowej).

Wadą tworzyw sztucznych jest nie tylko cena. Nawet te najtwardsze i najbardziej wytrzymałe, gdy zaistnieją specyficzne warunki użytkowania, mogą nie podołać wyzwaniom. Przykładem mogą być notoryczne uszkodzenia obudów i owiewek w punktach mocowania, gdzie struktura plastiku przełamana jest otworami, umieszczonymi blisko krawędzi elementu.
Do budowy bardziej wytrzymałych, a przy tym lekkich struktur zaczęto tworzyć kompozycje różnych materiałów. Tak powstały kompozyty, z których najbardziej znane są laminaty, włókno węglowe (zwane karbonem) i kevlar. Szczególnie ciekawe są dwa ostatnie, bowiem wyróżniają się niezwykłą wytrzymałością przy niskiej masie (gęstość odpowiednio 1,8 oraz 1,45 g/ccm).

Splecione w specjalną matę włókna węglowe lub aramidowe to tylko forma "zbrojenia" kompozytu, tworzonego na bazie żywic epoksydowych (laminaty tworzone są na bazie mat szklanych). Proces wielowarstwowego zatapiania mat w żywicy a potem ich obróbka termiczna w specjalnych autoklawach są praco- i czasochłonne.
Próby tworzenia ram z włókna węglowego w produkcji seryjnej podjęła Bimota już w połowie lat osiemdziesiątych, ale pomysł nie sprawdził się. Kilka lat temu próbowało też Benelli, jednak nawet jak na potrzeby tak ekskluzywnej, krótkoseryjnej produkcji proces wytwarzania był zbyt długi. Produkcja jednej ramy trwała 3 dni.
W latach osiemdziesiątych pojawiły się również ramy tworzone w systemie tak zwanych "plastrów miodu". Ten specyficzny materiał, złożony z odpowiednio ukształtowanych, bardzo cienkich wytłoczek aluminiowych, (0,025 mm) przyklejonych do plastikowych płyt, pozwalał w tamtych latach sprowadzić masę sportowego motocykla klasy 250 ccm do ok. 90 kg. Epoksydowy klej utwardzano w temperaturze 120°C. Żadnych nitów, spawów, śrub, pełna odporność na korozję a do tego masa 1 m2 wynosząca zaledwie 3,77 kg ! Jednak ta specyficzna, heksagonalna kanapka produkowana w Szwajcarii i Belgii to bardzo drogie przedsięwzięcie. Jeden metr bieżący struktury o szerokości niecałych 22 mm kosztował w tamtym czasie ok. 1000 zł. Taki sam odcinek podobnej struktury z włókien węglowych był dwukrotnie droższy.
Pracochłonność i czasochłonna produkcja to główne wady kompozytów, mocno windujące ich koszt. Metr kwadratowy maty karbonowej o gramaturze 160 g/m2 i grubości 0,25 mm kosztuje 50-60 zł. Gdyby przeliczyć to na tonę tego materiału, wychodzi jakieś... 350 tys. zł! Dlatego na razie karbonowe lub kevlarowe elementy znajdziemy jedynie w motocyklach wyczynowych, ekskluzywnych albo w maszynach po tuningu, których właściciele sięgnęli głęboko do portfela.

6

Stal się broni

Jednym z pierwszych entuzjastów tworzyw sztucznych w motocyklu był brytyjski Vincent. W 1954 r. miał dwa modele (Tour 1000 Black Knight i Black Prince), w których zamontowano sporej wielkości panele z włókna szklanego. Wówczas uznawano to wręcz za futurystyczny pomysł.
Plastikowa lawina ruszyła na początku lat siedemdziesiątych. Zaczęło się od obudów reflektorów, korpusów tablic rozdzielczych, bocznych pokryw, błotników. Wkrótce pojawiły się także owiewki - częściowe i pełne.
Pierwszą pełną obudowę z tworzywa sztucznego zastosowało niemieckie BMW w modelu R 100RS z 1976 r. Sceptyków nie brakowało, a zwolennicy "żelaza" kpili z nowości jeszcze w latach osiemdziesiątych. Pierwsze enduro z pełną obudową (Honda Transalp) nazywano "kubkiem po jogurcie". Opór przeciwko tworzywom nie miał jednak sensu, jeśli weźmiemy pod uwagę, że mamy dzięki nim lżejsze, łatwiejsze w prowadzeniu i oszczędniejsze jednoślady. Lecz jeśli chodzi o trwałość pojazdów, to "plastikowi" sceptycy mieli rację.
Przykładem może być grupa entuzjastów starej motoryzacji, która kilka lat temu postanowiła uruchomić stuletni motocykl pozostawiony w bezruchu na cały wiek. Udało się, bo metalowe elementy, jeśli są ochronione przed korozją, ulegają niewielkiej degradacji nawet w tak długim czasie. Motocykl pełen plastiku raczej nie zadziała po stu latach, bo tworzywa sztuczne, choć nie ulegają korozji, starzeją się, utleniają, deformują, dochodzi w nich do mikropęknięć. Problemy mogłaby sprawić rozszczelniona obudowa albo nadający się tylko do wyrzucenia króciec w kanale ssącym.
Jednak postępu nikt nie powstrzyma. Udział elementów z tworzyw sztucznych w konstrukcji motocykla może wynosić nawet 10% masy. Z tworzyw wytwarza się rzeczy, które jeszcze kilkanaście lat temu kojarzyły się wyłącznie z metalem. Znajdziemy je nawet w rozmaitych, mało obciążonych, wolnobieżnych przekładniach.
Konstruktorzy współczesnych jednośladów nie ukrywają, że ze względu na niską masę albo inne walory użytkowe stosują tworzywa wszędzie, gdzie to możliwe. Przykładem mogą być polimery, wprowadzane do mieszanek gumowych w oponach. Ale zwolennicy metalu, a zwłaszcza stali, mogą mieć powody do zadowolenia. Wciąż blisko 70% seryjnych motocykli z silnikami powyżej 125 ccm ma stalowe ramy. Na dodatek od kilku lat wyraźna jest moda na motocykle nawiązujące do konstrukcji sprzed lat albo o prostym, spartańskim charakterze. Plastiku w nich jak na lekarstwo, dominuje "żelazo", z którym tak mocno identyfikuje się wielu bezkompromisowych motocyklistów. Stal, oprócz niskiej ceny, ma jak widać jakąś magiczną moc, która pozwala ludziom wracać do czasów, gdy motocykle były maszynami dla naprawdę twardych ludzi. Plastik może tylko pomarzyć o takich wyznawcach.

Skomentuj:
Czas polimerów
Zaloguj się lub komentuj jako gość

Aby ocenić zaloguj się lub zarejestrujX