Väčšina dnešných hliníkových diskov vzniká technológiami, ktoré už veľmi dobre poznáme. Kov môžeme odliať, následne tvárniť technológiou flow forming alebo môžeme celé koleso vytvoriť z kovaného polotovaru. Vedľa hliníka existujú horčíkové kolesá a úplne inú materiálovú vetvu predstavujú kompozity vystužené uhlíkovými vláknami.

Vývoj sa však pri týchto technológiách nekončí.

Výskumné pracoviská, výrobcovia kolies, automobilky aj materiálové spoločnosti skúmajú výrobné procesy a konštrukcie, ktoré môžu postupne zmeniť nielen spôsob výroby disku, ale dokonca aj naše chápanie toho, čo automobilové koleso vlastne je.

Najskôr dôležité rozlíšenie: výskum nie je sériová výroba

Pri technológiách budúcnosti je veľmi ľahké zameniť technickú možnosť za priemyselnú realitu.

To, že sa podarí vyrobiť jeden funkčný prototyp, ešte neznamená, že rovnakým spôsobom dokážeme ekonomicky vyrábať státisíce kolies ročne.

V tomto článku preto jednotlivé technológie rozlišujeme podľa toho, ako ďaleko sa dostali:

Nie každá technológia musí prejsť celou touto cestou. Niektoré zostanú zaujímavým experimentom. Iné môžu vyriešiť problém, ktorý dnešné výrobné procesy riešia iba veľmi komplikovane.

1. Aditívna výroba: čo ak disk nebudeme odlievať ani obrábať, ale vytlačíme ho?

Jedným z najradikálnejších smerov je aditívna výroba kovov, známa aj ako kovová 3D tlač.

Rozdiel oproti tradičnej výrobe je principiálny.

HRE3D+: titánové koleso vytvorené 3D tlačou

Reálnym príkladom je experimentálny projekt HRE3D+, ktorý vznikol spoluprácou výrobcu HRE Wheels a spoločnosti GE Additive.

Cieľom nebolo vytvoriť lacnejšiu náhradu dnešného liateho disku. Projekt mal ukázať, čo sa stane, keď konštruktér prestane byť obmedzený tradičnými výrobnými procesmi.

Použitým materiálom bol titán a pri výrobe sa využívali technológie tavenia veľmi tenkých vrstiev kovového prášku pomocou elektrónového alebo laserového lúča.

Výsledkom boli tvary, ktoré by bolo klasickým liatím, kovaním alebo obrábaním mimoriadne komplikované alebo prakticky nemožné vytvoriť.

Najväčšou výhodou 3D tlače nemusí byť samotná hmotnosť

Pri tradičnom kovanom monobloku môže výroba začínať veľkým kovovým polotovarom, z ktorého CNC obrábanie odstráni značnú časť pôvodného materiálu.

HRE pri svojom porovnaní uviedlo, že pri tradičnom obrábanom monobloku môže byť odstránených približne 80 % pôvodného materiálu. Pri experimentálnom aditívnom procese HRE3D+ bolo potrebné odstrániť približne 5 % materiálu, ktorý bolo navyše možné opätovne spracovať.

Ešte zaujímavejšia je však geometrická sloboda.

Aditívna výroba umožňuje vytvárať dutiny, vnútorné výstuhy, organické tvary alebo mriežkové štruktúry, ku ktorým sa obrábací nástroj vôbec nemusí vedieť dostať.

Topologická optimalizácia: materiál iba tam, kde ho potrebujeme

Práve s aditívnou výrobou veľmi dobre spolupracuje topologická optimalizácia.

Počítač pri nej pracuje s definovaným priestorom, zaťaženiami a obmedzeniami a hľadá rozloženie materiálu, ktoré dokáže požadované sily preniesť pri čo najnižšej hmotnosti.

Výsledkom často nie sú tradičné rovné lúče a geometrické plochy, ale organicky pôsobiace štruktúry.

Problémom doteraz často bolo, že optimálny matematický tvar nebolo možné rozumne vyrobiť.

Aditívna výroba túto hranicu posúva.

2. Čo ak kov nebude ani úplne tekutý, ani úplne tuhý?

Medzi klasickým liatím a tvárnením tuhého kovu existuje ďalší technologicky zaujímavý priestor: spracovanie kovu v polotuhom stave.

Materiál sa pri týchto procesoch nachádza medzi kvapalinou a pevnou látkou. Časť kovu je už tuhá a časť zostáva kvapalná.

V odbornej literatúre sa môžeme stretnúť s pojmami ako semi-solid forming, thixoforming, thixoforging alebo rheocasting.

Jednotlivé procesy nie sú totožné, ale spája ich práca s kovom v oblasti čiastočného stuhnutia.

Prečo je polotuhý kov zaujímavý?

Klasické liatie dokáže veľmi efektívne vyplniť komplikovanú formu, ale tekutý kov prináša vlastné metalurgické problémy.

Kovanie naopak pracuje s tuhým materiálom a dokáže vytvoriť veľmi kvalitnú štruktúru, ale možnosti toku materiálu a geometrie sú iné.

Polotuhé spracovanie sa snaží využiť vlastnosti oboch svetov.

Výskum priamo na hliníkových automobilových kolesách ukázal, že thixo-forging môže vytvoriť jemnejšiu mikroštruktúru a po vhodnom tepelnom spracovaní dosiahnuť lepšie mechanické vlastnosti než porovnávané liate koleso.

To neznamená, že každé koleso vyrobené z polotuhého kovu bude automaticky lepšie než liate alebo kované koleso. Výsledok stále závisí od zliatiny, konštrukcie, procesných parametrov, tepelného spracovania a skúšok.

3. Kovový kompozit: keď hliník prestane byť iba zliatinou

Ďalším smerom materiálového vývoja sú kompozity s kovovou matricou.

Základom môže byť napríklad hliník, do ktorého sú pridané častice ďalšieho materiálu s cieľom upraviť jeho vlastnosti.

Výskum automobilových kolies skúmal napríklad hliníkové materiály vystužené časticami karbidu kremíka a ďalšími prísadami.

Myšlienka je principiálne veľmi zaujímavá:

Lokálne vystužovanie môže byť ešte zaujímavejšie

Koleso nie je vo všetkých miestach zaťažované rovnako.

Oblasť otvorov pre skrutky, prechod lúča do ráfika alebo samotný ráfik riešia rozdielne druhy zaťaženia.

Jednou z možných budúcich ciest preto nemusí byť výroba celého kolesa z drahšieho materiálu, ale lokálne upravenie alebo vystuženie iba tých oblastí, ktoré to skutočne potrebujú.

Je to podobná filozofia, akú pri kompozitoch z uhlíkových vlákien poznáme z lokálnej zmeny počtu a orientácie jednotlivých vrstiev.

4. Budúcnosť nemusí meniť iba disk. Môže zmeniť celé koleso.

Doteraz sme stále predpokladali klasickú architektúru:

disk + pneumatika + stlačený vzduch

Existujú však technológie, ktoré spochybňujú aj tento základný model.

Najvýznamnejším smerom sú bezvzduchové kolesá a pneumatiky.

Michelin UPTIS: keď pneumatika nepotrebuje tlak vzduchu

Michelin vyvíja systém UPTIS, pri ktorom klasickú pneumatiku naplnenú stlačeným vzduchom nahrádza pružná nosná štruktúra.

UPTIS kombinuje hliníkové koleso s pružnou nosnou štruktúrou z plastu vystuženého sklenenými vláknami.

Pretože konštrukcia nepotrebuje stlačený vzduch, nemôže dostať klasický defekt spôsobený stratou tlaku po prepichnutí pneumatiky.

Toto už nie je iba laboratórny model.

Michelin testoval prototypy UPTIS v reálnej prevádzke, okrem iného vo vozidlách používaných spoločnosťami DHL a La Poste. Do konca roku 2023 mali skúšobné prototypy podľa Michelinu najazdených viac než 4,5 milióna kilometrov.

NASA ide ešte ďalej: pneumatika zo zliatiny s tvarovou pamäťou

Ešte radikálnejší smer vznikol pri vývoji kolies pre vesmírne vozidlá.

NASA Glenn Research Center vyvinulo Superelastic Tire – bezvzduchovú pružnú konštrukciu, ktorá používa zliatiny s tvarovou pamäťou, predovšetkým materiály na báze niklu a titánu.

Tieto materiály dokážu znášať veľké reverzibilné deformácie a následne sa vrátiť do pôvodného tvaru.

NASA pri svojej technológii uvádza vratnú deformáciu až približne 10 %, čo je rádovo viac než pri bežných elasticko-plastických kovových materiáloch.

Koncepcia vznikla pre budúce lunárne a marťanské vozidlá, NASA však medzi možnými aplikáciami uvádza aj pozemné automobily, nákladné vozidlá a ďalšie dopravné prostriedky.

A tu sa začína strácať hranica medzi diskom a pneumatikou

Práve bezvzduchové koncepcie otvárajú otázku, ktorá je z pohľadu vývoja kolesa možno ešte dôležitejšia než nový výrobný materiál.

Dnešné rozdelenie vzniklo z technickej logiky pneumatického kolesa. Kovový disk nesie vozidlo a vytvára základ pre pneumatiku, zatiaľ čo pružnosť a kontakt s vozovkou zabezpečuje pneumatika naplnená vzduchom.

Ak pružnosť začne zabezpečovať nosná kompozitná alebo kovová štruktúra, jednotlivé funkcie sa môžu postupne prelínať.

Budúci vývoj preto nemusí znamenať iba:

„z čoho vyrobíme lepší disk?“

ale aj:

„ako úplne nanovo rozdelíme funkcie celého kolesa?“

Nie každý experiment si zaslúži označenie „budúcnosť“

Výskumná literatúra obsahuje množstvo návrhov kolies využívajúcich nové zliatiny, polyméry, prírodné vlákna, keramické častice, hybridné kompozity alebo nanomateriály.

Samotná existencia vedeckého článku alebo počítačovej simulácie však nestačí na tvrdenie, že daný materiál predstavuje budúcnosť automobilových kolies.

Pri hodnotení technologického smeru preto považujeme za dôležité postupne hľadať odpovede na päť otázok:

1. Čo sa oproti dnešnému kolesu mení?
2. Aký konkrétny problém tým technológia rieši?
3. Čo už bolo reálne vyrobené alebo odskúšané?
4. Čo technológii dnes bráni v sériovej výrobe?
5. Existuje realistická cesta k automobilovej aplikácii?

Kde sú jednotlivé technológie dnes?

Budúcnosť pravdepodobne nepríde jedným veľkým skokom

Pri pohľade na experimentálne technológie je lákavé hľadať jednu, ktorá nahradí dnešné hliníkové koleso.

História výroby však skôr ukazuje postupné prekrývanie technológií.

Nízkotlakové liatie nevytlačilo všetky ostatné spôsoby liatia. Flow forming nenahradil klasické liate disky. Kovanie nenahradilo flow forming. Karbónové kolesá nenahradili hliník.

Každá technológia si našla oblasť, v ktorej dáva jej kombinácia ceny, vlastností a výrobnej náročnosti zmysel.

Od formy až po koleso, ktoré už možno nebude potrebovať pneumatiku

Vývoj automobilového kolesa môžeme vnímať ako postupné uvoľňovanie konštrukčných obmedzení.

Najskôr sme zdokonaľovali spôsob, akým kov nalejeme do formy.

Potom sme začali odliaty materiál ďalej mechanicky tvárniť.

Kovaním sme získali ešte väčšiu kontrolu nad vlastnosťami kovového polotovaru.

Horčík zmenil kov, z ktorého možno ľahké koleso vyrobiť.

Kompozity vystužené uhlíkovými vláknami umožnili navrhovať nielen geometriu, ale do značnej miery aj samotnú vnútornú štruktúru materiálu.

Aditívna výroba môže postupne odstrániť ďalšie geometrické obmedzenia.

A bezvzduchové technológie napokon kladú ešte radikálnejšiu otázku: či musí byť disk a pneumatika navždy dvojicou samostatných výrobkov.

Tento článok budeme aktualizovať

Na rozdiel od zavedených výrobných technológií je táto oblasť otvorená.

Technológia, ktorá je dnes iba prototypom, sa môže dostať do skúšobnej prevádzky. Experimentálny materiál môže získať prvú sériovú aplikáciu. A naopak, niektoré sľubné koncepty sa nemusia nikdy ekonomicky presadiť.

Preto tento článok chápeme ako živú mapu technologického horizontu automobilových kolies. Keď sa niektorý smer významne posunie, jeho stav budeme aktualizovať.

Často kladené otázky

Dá sa automobilový disk vytlačiť na 3D tlačiarni?

Áno. HRE Wheels a GE Additive vytvorili funkčné titánové kolesá HRE3D+ pomocou aditívnej výroby kovov. Ide však o experimentálnu technológiu, nie o bežný spôsob sériovej výroby automobilových diskov.

Čo je polotuhé spracovanie hliníka?

Ide o skupinu procesov, pri ktorých sa kov spracováva v stave, keď je čiastočne tuhý a čiastočne kvapalný. Patria sem napríklad thixoforming, thixoforging alebo rheocasting. Výskum týchto procesov existuje aj priamo pre automobilové kolesá.

Čo je kovový matricový kompozit?

Je to materiál, v ktorom kovová matrica obsahuje ďalšiu výstuž, napríklad keramické častice. Cieľom môže byť zmena pevnosti, tuhosti, odolnosti proti opotrebeniu alebo ďalších vlastností. Pri automobilových kolesách ide zatiaľ prevažne o výskumný smer.

Existujú bezvzduchové automobilové kolesá?

Áno. Michelin UPTIS používa namiesto klasickej pneumatiky naplnenej vzduchom pružnú nosnú štruktúru a prototypy už absolvovali rozsiahlu skúšobnú prevádzku na verejných cestách. Stále však nejde o bežnú náhradu klasických pneumatík na masovom trhu.

Čo je NASA Superelastic Tire?

Ide o bezvzduchovú konštrukciu vyvinutú NASA Glenn Research Center, ktorá využíva zliatiny s tvarovou pamäťou. Bola vyvíjaná predovšetkým pre vesmírne vozidlá, NASA však uvádza možné využitie technológie aj v pozemnej doprave.

Nahradí 3D tlač dnešné liate alebo kované disky?

Dnes na takýto záver nemáme dostatok dôkazov. Aditívna výroba prináša mimoriadnu geometrickú slobodu, ale musí prekonať problémy s cenou, výrobným časom a veľkosériovou produkciou. Pravdepodobnejšie je, že jednotlivé výrobné technológie budú dlhodobo existovať vedľa seba a používať sa tam, kde dávajú technický a ekonomický zmysel.

Zdroje a metodika

Pri experimentálnych technológiách rozlišujeme medzi vedeckým výskumom, fyzickým prototypom, skúšobnou prevádzkou a sériovou výrobou. Existenciu experimentu preto nepovažujeme automaticky za dôkaz budúceho komerčného úspechu technológie.

• HRE Wheels: HRE3D+ – 3D-printed titanium wheel – experimentálna aditívna výroba titánového automobilového kolesa.
• HRE Wheels: HRE Wheels & GE Additive – výrobný proces a porovnanie materiálovej efektívnosti aditívnej a tradičnej výroby.
• Transactions of Nonferrous Metals Society of China: Microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy wheels prepared by thixo-forging – výskum polotuhého spracovania hliníkových automobilových kolies.
• International Journal of Vehicle Structures and Systems: Effect of Mg, SiC and Fly Ash Particulates in Aluminium Alloy for Automotive Wheel Rim Applications – výskum hliníkového matricového kompozitu pre automobilové koleso.
• Michelin: Michelin – AIRLESS technology and UPTIS – konštrukcia UPTIS a údaje z reálnej skúšobnej prevádzky.
• NASA Glenn Research Center: Superelastic Tire – bezvzduchová konštrukcia využívajúca zliatiny s tvarovou pamäťou.