Καταστροφικές καταπονήσεις οχημάτων
Authors: Κιτσέλης Αλέξανδρος 
Published: September 2024

Τα Χρόνια Περνάνε, οι Εποχές Αλλάζουν! Και μαζί αλλάζουν οι προτεραιότητες και οι ανάγκες της ανθρωπότητας. Καινούριες τεχνολογίες , νέες εφευρέσεις και έρευνες, για δημιουργίες νέων προϊόντων και υλικών, τρέχουν για να προλάβουν τις σημερινές αλλά και μελλοντικές μας ανάγκες. Ένα από αυτά τα υλικά είναι και τα ανθρακονήματα, των οποίων η χρήση και εφαρμογή θα απασχολήσει αυτή την διατριβή. Τα τελευταία χρόνια γίνεται ευρεία χρήση των ανθρακονημάτων για κατασκευή και χρήση εξαρτημάτων τα οποία δεν περιορίζονται μόνο στους παραδoσιακούς για αυτά τομείς: Αμυντικοί Εξοπλισμοί, Αεροδιαστημική Βιομηχανία, Μηχανοκίνητος Αθλητισμός. Έχει γίνει ευρεία εξάπλωση σε προϊόντα καθημερινής χρήσης, σε όλους τους τύπους οχημάτων, καθώς και των ποδηλάτων, ειδικά, των Αγωνιστικών Ποδηλάτων Δρόμου. Από την έρευνά μας έχει προκύψει ότι παρόλη την εξάπλωση των ανθρακονημάτινων σκελετών, τα ποδήλατα αυτά σπάνε πολύ εύκολα αν δεχτούν φορτίο λίγο διαφορετικό από το προβλεπόμενο των προτύπων ασφαλείας.Γιατί αφενός παρά τον προσεκτικό σχεδιασμό και την υψηλή ποιότητα κατασκευής, υπάρχουν αστοχίες, που προκύπτουν, τόσο από πτώσεις, όσο και από το γεγονός ότι οι σκελετοί που σχεδιάζονται και κατασκευάζονται με τη λογική του «μηχανικού αεροσκαφών» ο οποίος ακολουθεί τις οδηγίες του τμήματος marketing, είναι πολύ άκαμπτοι και εν γένει ψαθυροί. Αφετέρου η οδική συμπεριφορά σε απρόβλεπτες καταστάσεις, πχ λακκούβες, κίνηση, καιρικές συνθήκες, χειροτερεύει το πρόβλημα των αστοχιών. Σε ότι αφορά την τιμή τους, έχουν πολύ υψηλό κόστος γιατί χρησιμοποιούν μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής από την Αεροπορική κυρίως βιομηχανία, όπου απαιτούνται εξειδικευμένοι μηχανικοί και πανάκριβα λογισμικά. Επίσης στο κατασκευαστικό κομμάτι, χρησιμοποιείται ακριβός εξοπλισμός (autoclave ή πρέσες με θερμαινόμενες πλάκες καθώς και ειδικά καλούπια που απαιτούνται για την παραγωγή). Oι αστοχίες αυτές αυξάνουν το τίμημα για τους χρήστες τους, αφού η αντικατάστασή τους είναι και κοστοβόρα και χρονοβόρα, δεδομένου ότι η συνεχής εξέλιξη και το marketing καθιστούν δύσκολη την εξεύρεση ανταλλακτικών. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής προτείνεται και αναπτύσσεται μια νέα μέθοδος σχεδιασμού και κατασκευής για τους σκελετούς ποδηλάτων δρόμου με σκοπό τη μείωση του κόστους και του αριθμού των σπασμένων σκελετών. Πιο συγκεκριμένα η μέθοδος σχεδιασμού και ανάλυσης η οποία αναπτύχθηκε είναι η ακόλουθη: Αφού σκεφτούμε την κατασκευή που θέλουμε να κάνουμε, σχεδιάζουμε και μελετάμε ανεξάρτητα τμήματά της σε στρεπτική και καμπτική δυσκαμψία καθώς και σε αεροδυναμική συμπεριφορά αν απαιτείται και μετά τα συνθέτουμε και κάνουμε ελάχιστες έως και καθόλου δοκιμές στο σύνολο. Ακολουθεί η μελέτη της διαστρωμάτωσης σε ένα τελικό σχέδιο όπου ρυθμίζουμε την αντοχή και τη συμπεριφορά της κατασκευής μας μέσω αυτής. Με αυτόν τον τρόπο γλυτώνουμε την κοστοβόρα διαδικασία σχεδιασμού ολόκληρων μοντέλων και τις χρονοβόρες αλλαγές των ενώσεών τους που θα απαιτούνταν στην περίπτωση που σχεδιάζαμε και μελετούσαμε σε κάθε σενάριο ολόκληρο μοντέλο. Επιπλέον αυτή η μέθοδος μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε και βάση δεδομένων για μελλοντική χρήση και εύκολη εξέλιξη νέων υποπαραλλαγών της κατασκευής. Στο σκελετό του ποδηλάτου στην περίπτωσή μας μελετήσαμε διάφορα πιθανά σχήματα σε κάθε σωλήνα τόσο σε αεροδυναμική όσο και σε δυσκαμψία και επιλέξαμε για κάθε σωλήνα ένα σχήμα. Μετά τα ενώσαμε και δημιουργήσαμε το τελικό μοντέλο το οποίο και μελετήσαμε ως συνολικό μοντέλο για διαστρωμάτωση. Η διαδικασία αυτή όχι μόνο μας κέρδισε πολύ χρόνο στο κομμάτι του σχεδιασμού αλλά μας έδωσε και τη δυνατότητα, να κάνουμε πολύ εύκολα υποπαραλλαγές πχ διαφορετικά μεγέθη. Στα πλεονεκτήματα περιλαμβάνεται η εύκολη δημιουργία νέων μοντέλων με διαφορετικά χαρακτηριστικά αφού έχουμε μια βάση δεδομένων έτοιμη με ποιοτικές και ποσοτικές πληροφορίες αεροδυναμικής και δυσκαμψίας.Στο κατασκευαστικό κομμάτι, η μέθοδος κατασκευής η οποία αναπτύχθηκε είναι η ακόλουθη: Κάνουμε τη διαστρωμάτωση που έχουμε πάρει από τη μελέτη μας για το όποιο εξάρτημα θέλουμε να κατασκευάσουμε, επιλέγοντας εξ αρχής τον τύπο overlap που θα ακολουθήσουμε. Μετά για το ψήσιμο, αντί για autoclave με υψηλή πίεση και θερμοκρασία χρησιμοποιούμε απλό κλίβανο ή θερμαινόμενες κουβέρτες, και δημιουργούμε υποπίεση με μια αντλία κενού από την ατμόσφαιρα. Κατά τη διάρκεια του ψησίματος και όσο η μήτρα η οποία έχει χρησιμοποιηθεί βρίσκεται σε ρευστή κατάσταση εφαρμόζουμε δονήσεις πχ με έναν πνευματικό δονητή στο καλούπι κοντά στο σημείο συντονισμού του. Κάνουμε αργό κύκλο ψησίματος επιλέγοντας τη χαμηλότερη θερμοκρασία που μας επιτρέπει η μήτρα ώστε να αυξηθεί ο χρόνος κατά τον οποίο το ιξώδες της είναι χαμηλό. Αυτό διώχνει τις φυσαλίδες μέσα από τις στρώσεις του σύνθετου υλικού. Αν απαιτείται κάνουμε και post cure για να ανεβάσουμε το Tg ή για να αυξήσουμε την αντοχή σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Το αποτέλεσμα είναι ένα εξάρτημα με πορώδες, αντίστοιχο αυτού που θα είχαμε, αν είχαμε κάνει τη διαδικασία σε autoclave. Το τελικό κομμάτι όμως είναι λιγότερο ψαθυρό και έχει σημαντικά καλύτερη αντοχή σε χτυπήματα ενώ παρουσιάζει και αντίστοιχη ή καλύτερη διάρκεια ζωής. Στο σκελετό του ποδηλάτου στην περίπτωσή μας, το αποτέλεσμα, σε σχέση με το σκελετό που κατασκευάστηκε σε autoclave ήταν, η σημαντικά αυξημένη απορροφητικότητα κραδασμών και η μη αστοχία σε αρκετές περιπτώσεις όπου ο σκελετός από το autoclave αστόχησε πχ από πέτρες που πέταξαν τα λάστιχα και από πτώσεις. Επιπλέον το γεγονός ότι δε χρειάζεται autoclave μειώνει σημαντικά το κόστος επένδυσης και χρήσης ειδικού εξοπλισμού άρα και του τελικού προϊόντος. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να αξιοποιηθεί από πολλούς τομείς, εκτός από την περίπτωση των σκελετών ποδηλάτων, με σκοπό τη μείωση του κόστους σχεδιασμού και παραγωγής των εξαρτημάτων από Σύνθετα Υλικά. Ενδεικτικά μερικοί από αυτούς είναι: Η Βιομηχανία Αθλητικού Εξοπλισμού πάσης φύσεως, η Αυτοκινητοβιομηχανία, η Ιατρική, η Ναυτιλία, η Αεροπορική Βιομηχανία, η Οικοδομή, οι Εφαρμογές Βiocomposites και οι Επισκευές Εξαρτημάτων από σύνθετα υλικά. Αν αυτή η μέθοδος εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα μπορεί να κάνει τα σύνθετα υλικά πιο προσβάσιμα με αποτέλεσμα να εισαχθούν σε πολλούς τομείς της ζωής μας βελτιώνοντάς την. Θέλω να πιστεύω ότι η επιστημονική κοινότητα και η βιομηχανία θα την εξελίξουν ακόμα περισσότερο προς όφελος όλης της οικουμένης!