Norma Euro -7: laser TRUMPF spowalnia emisję drobnego pyłu

Większość zanieczyszczeń nie pochodzi z układu wydechowego. Do 70% drobnego pyłu powstaje podczas jazdy, z powodu ścierania się opon, nawierzchni dróg i hamulców. Dotyczy to również samochodów elektrycznych. Około 250 000 Europejczyków umiera co roku zbyt wcześnie z powodu wysokiego zanieczyszczenia pyłem – szacuje Agencja Środowiska UE EEA. Do tej pory Unia Europejska uregulowała w tzw. normach Euro tylko emisję spalin samochodów benzynowych i z silnikiem wysokoprężnym. Norma Euro 7 dotyczy teraz opon i hamulców wszystkich samochodów. Producenci samochodów, którzy chcą dalej sprzedawać nowe samochody w UE po 2026 r. – czyli wszyscy, potrzebują szybko pomysłu, jak zmniejszyć ścieranie hamulców o 80%.

Dr. Claus-Ulrich Lott jest dyrektorem zarządzającym Nagel Maschinen- und Werkzeugfabrik w Nürtingen. Idąc przez starą, wypełnioną światłem część głównego zakładu, odpowiada na pytanie: „Jak musi wyglądać rozwiązanie? Po pierwsze: musi być zgodne z normą. Zero ścierania. Jasne. Po drugie: musi być niedrogie. Hamulce są produktem masowym, w cenie jednostkowej chodzi o centy. I po trzecie: musi w miarę możliwości niezauważalnie zintegrować się w ugruntowanym przebiegu produkcji“. Lott zatrzymuje się przed instalacją próbną do produkcji tarcz hamulcowych. „Dlatego zdecydowaliśmy się wyprodukować maszynę, która nanosi ultratwardą powłokę na tarcze hamulcowe“.

Na okrągłym stole maszynowym tarcza hamulcowa samochodu osobowego wiruje pod układem optycznym lasera i siedmioma dyszami proszku. Komórka do szybkiego napawania laserowego, zwana NaCoat, nakłada dwie warstwy. Najpierw jedną warstwę przyczepną ze stali nierdzewnej o grubości 0,1 mm. I na nią warstwę funkcyjną o grubości 0,2 mm, w której znajdują się ultratwarde cząstki z karbidu. „Po trzydziestu sekundach obróbki warstwa powierzchniowa pod mikroskopem wygląda jak tabliczka czekolady z całymi orzechami: twarde cząsteczki wystają” – wyjaśnia Lott. „To jeszcze nie zmniejszyłoby emisji drobnego pyłu”.

Tak więc tarcza hamulcowa trafia do szlifierki NaGrind, która wygładza ją za pomocą 36 narzędzi diamentowych. Gotowym produktem jest ultratwarda samochodowa tarcza hamulcowa. Warstwa ścieralna jest średnio dziesięć razy twardsza niż standardowe odlewane tarcze i znacznie bardziej wytrzymała.

Lott: „Pomysł nałożenia na tarcze hamulcowe twardej powłoki jest blisko. Ale jak to zrobić?” Trzy procesy zostały szybko odrzucone: powlekanie elektrochemiczne – zbyt brudne. Powlekanie termiczne – zbyt wolne. Natryskiwanie zimnego gazu – zbyt drogie i nie nadaje się do każdej tarczy. Lott zdecydował się, z powodu czystszego procesu i krótszego czasu obróbki, na wariant napawania laserowego z dużą prędkością, tzw. Highspeed Laser Metal Deposition (HS-LMD).

„Problemy zaczynają się zawsze wtedy, gdy próbuje się zrealizować dobry pomysł – śmieje się Lott – na przykład żeliwo jest niewdzięcznym nośnikiem warstw“. Po prostu nie przykleja się łatwo, więc potrzeba dużo proszku. W procesie produkcji tarczy hamulcowej, na koniec dnia, proszek stanowi 60–70% kosztów produkcji. Nasza maszyna musi więc osiągać wysoką efektywność proszku, krótko mówiąc, wykorzystać jak najwięcej doprowadzonego proszku”. Jak firma Nagel poradzi sobie ze zużyciem proszku?

„Na etapie rozwoju połączyliśmy siły z firmą TRUMPF. Stosują oni podwójną sztuczkę podczas formowania wiązki“. Technologia kształtowania wiązki BrightLine Weld dzieli moc lasera na strefę rdzenia i pierścienia, które mogą być sterowane niezależnie od siebie, trochę jak głowica prysznicowa ze strumieniem rdzeniowym i pierścieniowym. Dostarczanie energii i ciepła można optymalnie ustawić. Z jednej strony oznacza to, że tarcza hamulcowa prawie w ogóle się nie odkształca. Z drugiej strony warstwa jest znacznie cieńsza, potrzeba zatem mniej proszku. Drugim kluczowym etapem w kwestii zużycia proszku jest technologia dwuogniskowa TRUMPF: jedna część promienia lasera lekko podgrzewa odlew tuż przed tym, jak spadnie na niego strumień proszku. Dzięki temu proszek od razu bez problemu się przyczepia, nie odrywa się na początku i nie staje się drogim odrzutem. Podczas procesu powlekania maszyna wykorzystuje do 94% proszku. Firma Nagel posiada teraz opłacalną metodę produkcji tarcz hamulcowych o niskim ścieraniu, która jest zgodna z normą Euro 7.

Prawdziwa wisienka na torcie czeka na wszystkich kierowców samochodów elektrycznych: nie tylko mogą oni cieszyć się jazdą po mieście z ekstratwardą i prawie bezpyłową tarczą hamulcową. Dzięki powlekanej tarczy samochód elektryczny jest jeszcze bezpieczniejszy. Bo tarcza jest odporna na korozję, a więc nie rdzewieje. I to jest dobra wiadomość przede wszystkim dla kierowców samochodów elektrycznych. Ponieważ w codziennym użytkowaniu samochody elektryczne prawie zawsze hamują z wykorzystaniem rekuperacji, czyli odzyskiwania energii. Powstaje opór w układzie przeniesienia napędu, który wyhamowuje pojazd. Mechaniczna tarcza hamulcowa jest rzadko używana i zaczyna rdzewieć.

„Jeśli podczas jazdy na autostradzie z dużą prędkością konieczne jest gwałtowne hamowanie, skorodowana tarcza hamulcowa jest skrajnie niebezpieczna: odczepiające się cząstki rdzy znacznie wydłużają drogę hamowania“ – wyjaśnia Lott. Ale z tarczami hamulcowymi pokrytymi twardym materiałem nikt nie musi się o to martwić.

Lott został dyrektorem zarządzającym w firmie Nagel dwa i pół roku temu i stawia całkowicie na transformację i tarcze hamulcowe. „Nasza dotychczasowa działalność była silnie związana z silnikiem spalinowym i odczuwalnie traci znaczenie. Dzięki naszemu rozwiązaniu do tarcz hamulcowych zgodnych z Euro 7 chcemy zaoferować produkt niezależny od napędu, a jednocześnie pozostać w branży, na której znamy się najlepiej”. Lista zamówień potwierdza jego rację: w ciągu pierwszych sześciu miesięcy firma Nagel dostarczyła dwucyfrową liczbę tarcz hamulcowych do produkcji seryjnej.

Producenci i dostawcy samochodów przygotowują się do wielkiego przejścia na normę Euro 7. Pierwszy samochód z tarczami hamulcowymi pokrytymi twardym materiałem będzie jeździć po ulicach pewnie pod koniec 2025 r.: szeroko zakrojone testy w pojazdach testowych już trwają. Lott jest dumny z sukcesu biznesowego, ale jego zachwyt trwa tylko chwilę i zaraz mówi poważnie: „Ważna jest jeszcze jedna kwestia: nasze urządzenia przyczyniły się do tego, że ludzie są mniej narażeni na drobny pył i dzięki temu są zdrowsi. Dla mnie to bardzo satysfakcjonujące uczucie“.