Десятилетие впереди: навигация в неопределенности с ясной दृष्टью

Вступая в десятилетие 2020-х, стоит рефлектировать, что 2010-е принесли композитному сообществу и как эти инновации могут или не могут сформировать будущее. В традиционном композитном рынке авиации Boeing 787 вошел в эксплуатацию в 2011 году, с подобным композит-насыщенным Airbus A350 XWB, последовавшим в 2015 году. Bombardier's CSeries однопроходной самолет с смольно-инфузированными крыльями вошел в эксплуатацию в 2016 году. Затем Airbus приобрел продуктовую линейку CSeries в 2018 году, ребрендинг её в A220. Наконец, и печально, 2019 год ознаменовался отменой Airbus A380, самолета больше жизни, который первопроходцем стал многими композитными инновациями.

На автомобильном фронте BMW встряхнула индустрию, вводя в 2013 году i8 и i3, устанавливая глобальную вертикальную цепочку поставок и заставляя многих спекулировать, что эпоха углеродно-интенсивных автомобилей скоро придет en masse. Два года позже BMW представила переработанный 7-й ряд, многоматериальный автомобиль с примерно 15 структурными деталями из углеродного волокна, предполагая, возможно, альтернативный путь к массовому принятию. В конце десятилетия General Motors представила пикап Sierra Denali с коробкой из прессованного углеродно-пластика, и в 2019 году заднемоторную версию Corvette с изогнутым пультрудированным задним бамперным балкой.

В области переработки композитов, особенно углеродных композитов (помимо отходов волокна), десятилетие началось практически без базы поставки и закончилось с более чем дюжиной поставщиков, многих из которых обеспечивают коммерческие объемы в нисходящие применения. Ветроэнергетика имела знаковое десятилетие, более чем утроив мощность по всему миру и доказав быть сильным рынком для композитов. Я подробнее рассмотрю ветер в следующем месяце, поэтому сфокусируюсь здесь на авиации и авто.

Хотя я базируюсь в США, у меня была возможность в начале 2019 года посетить несколько исследовательских институтов в Великобритании, фокусирующихся на композитах, и в декабре я посетил множество институтов Fraunhofer и объектов DLR в северной и южной Германии, а также несколько производственных объектов, обслуживающих авиационные и автомобильные рынки. Эти визиты и обсуждения дополняют мои наблюдения в США о том, куда направляются материальные и процессные разработки с началом 2020 года. Хотя различия существуют на некотором уровне между странами, главные направления действительно глобальны — увеличение скорости производства и снижение затрат доминируют, с переработкой и устойчивостью, интегральными для этих НИОКР-усилий. Все переподтверждает, что международное сотрудничество для решения этих проблем не только полезно, но императивно, если композиты должны действительно вытеснить традиционные материалы.

Пока вопросы остаются, будущее композитов в авиации становится немного яснее. Несмотря на отсутствие официальных объявлений о заменах для однопроходных флагманов Boeing и Airbus, очевидно, что много авиационных исследований фокусируется на доставке технологий для производства, обработки, контроля и сборки больших передовых композитных структур на более высоких темпах. Одно дело — доставлять 100–140 широкофюзеляжных реактивов в год, но совсем другое — строить 700–900 однопроходных самолетов ежегодно с композитными несущими структурами. Когда учитываете смежные рынки беспилотников (UAV) и городской воздушной мобильности (UAM), таких как аэротакси, объемы, вероятно, будут в тысячах ежегодно. Хотя есть значительный интерес в термопластиках, большие структуры для пассажирских самолетов, скорее всего, останутся в термореактивных (вакуумно-инфузионные или внеавтоклавные отверждающиеся препреги), с термопластиками в клипсах, кронштейнах, ребрах и других мелких компонентах. Для рынков UAV и UAM ожидайте, что индустрия будет рассматривать термопластики и также вкорпорирует технологии, разработанные для авто, такие как высокодавное литье смолы под давлением (HP-RTM), пультрузия и компрессионное формование.

Автомобильный мир, с другой стороны, показывает значительную неопределенность. Все еще сильный интерес в углеродном волокне, но его ценность теперь должна рассматриваться в свете других движущих сил — электрификации, мобильности и автономии — не только облегчения ради облегчения. За последние 10 лет время циклов и стоимость углеродных композитов снизились на 50% или более, но еще есть куда идти. Непрерывное углеродное волокно, либо переработанное, либо из дешевле предшественников/процессов, найдет дом как армирование для прессовочных или впрыскиваемых компаундов, где автоматизация высока и процент брака низок. Хотя BMW недавно объявила, что продолжит строить i3 до 2024 года, немецкая автопромышленность в целом отступает от новых применений для непрерывного углеродного волокна. Будущее углеродного волокна в высоковольных несущих структурах будет зависеть от снижения стоимости готовой детали ниже 18 евро за килограмм (примерно 10 долларов за фунт). Возможные промежуточные решения включают непрерывное стекловолокно или гибридные стекло/углерод структуры, а также усиленную разработку гибридных налитых компонентов.

Что даст следующие 10 лет для композитов? Для вещей, которые летают, будущее выглядит ярко. Но для наземных транспортных средств нам все еще нужно несколько прорывов.