Metal czy plastik? To właśnie to jedno połączenie nogi podporowej decyduje o tym, jak markiza się starzeje

Markiza posiada jedno połączenie, które działa przy każdym otwarciu lub zamknięciu: złącze w miejscu styku nogi podporowej z przednią belką. Żadna inna część markizy nie obraca się tak często ani nie przenosi obciążenia podczas obrotu.

Zanim udzielimy odpowiedzi, warto najpierw sformułować pytania. Każde połączenie obrotowe musi mieć szczelinę, bo inaczej nie obracałoby się – co więc dzieje się z tą szczeliną na przestrzeni lat? Aluminium chroni powłoka proszkowa, więc co się dzieje, gdy nakłada się ją na powierzchnię, która obraca się w stosunku do innej powierzchni? Nylon jest materiałem o większej wytrzymałości według danych technicznych, więc dlaczego nie nadaje się do zastosowania w tym miejscu? I dlaczego część, której żaden klient nigdy nie zobaczy, nosi nazwę japońskiej marki materiałowej?

To pierwszy z serii artykułów poświęconych elementom, na podstawie których faktycznie ocenia się markizę.

Gdzie znajduje się staw skokowy i jaka jest jego funkcja

Element ten stanowi obrotowe połączenie między nogą podporową a przednią belką, a istotne są dwie kwestie dotyczące jego położenia. Gdy markiza jest zamknięta, znajduje się całkowicie w obudowie, poza zasięgiem wzroku i chroniona przed słońcem — w takim stanie pojazd spędza większość czasu. Gdy markiza jest otwarta, element ten znajduje się bezpośrednio pod tkaniną, a przed nim znajduje się aluminiowa obudowa przedniej belki.

W obu tych stanach dociera do nich bardzo mało bezpośredniego światła słonecznego. Już sam ten fakt podważa większość powszechnych przekonań dotyczących plastikowych elementów w pojeździe i właśnie dlatego poniższa dyskusja dotyczy raczej zużycia, ciepła i wilgoci, a nie wpływu czynników atmosferycznych.

Dlaczego to połączenie jest z tworzywa sztucznego, a nie z metalu?

Przegub obrotowy musi mieć luz, ponieważ bez niego nie obraca się. Jest to kwestia mechaniki, a nie dokładności obróbki, więc tak naprawdę nie chodzi o to, jak ciasne jest dopasowanie, ale o to, z jakiego materiału wykonane są elementy po obu stronach tej szczeliny.

Gdyby ta część była wykonana z aluminium pokrytego powłoką, miałyby miejsce dwie rzeczy. Powłoka uległaby zużyciu, ponieważ malowanie proszkowe służy raczej jako zabezpieczenie przed korozją i wykończenie estetyczne, a nie jako powierzchnia odporna na ścieranie; na powierzchni, która obraca się w stosunku do innej powierzchni, powłoka jest stopniowo ścierana, aż do odsłonięcia znajdującego się pod spodem aluminium. Grubość tej powłoki sama w sobie stanowi część dopasowania, więc gdy zniknie, luz się zwiększy, a połączenie poluzuje się.

Drugą konsekwencją jest hałas. Metal uderzający o metal, w miejscu, gdzie musi istnieć szczelina, oznacza, że dwie metalowe powierzchnie uderzają o siebie za każdym razem, gdy pojazd najeżdża na wyboje. Jest to najczęstsza skarga dotycząca mechanizmów obrotowych w pojazdach i właśnie to użytkownik końcowy zauważa jako pierwsze.

Tworzywo konstrukcyjne zastosowane w tym miejscu eliminuje oba te problemy. Jego zużycie w kontakcie z dopasowaną częścią stalową jest bliskie zeru, współczynnik tarcia pozostaje stabilny w czasie, a ponadto posiada właściwości tłumiące, dzięki czemu pochłania drgania drogowe, zamiast je przenosić – ta sama zasada sprawia, że tworzywa sztuczne stosuje się w zawiasach drzwi samochodowych i mechanizmach regulacji siedzeń. W tym miejscu tworzywo sztuczne nie stanowi pogorszenia jakości w porównaniu z metalem; jest ono bardziej niezawodne z tych dwóch materiałów. Pytanie brzmi jednak: które tworzywo sztuczne wybrać — a tak naprawdę są to dwa pytania: które z nich sprawdzi się teraz i które będzie nadal działać za pięć lat.

Różnica między tworzywem sztucznym a tworzywem konstrukcyjnym

Kiedy większość ludzi mówi o “tworzywie sztucznym”, ma na myśli ABS i podobne materiały – grupę wykorzystywaną do produkcji obudów, paneli i elementów wykończeniowych. POM, zwany również polioksymetylenem lub acetalem, należy do innej klasy materiałów. Jego głównym zastosowaniem przemysłowym są właśnie tego typu elementy: koła zębate, łożyska, prowadnice i części obrotowe, które podczas ruchu przenoszą obciążenia.

Tworzywo ABS nie jest przeznaczone do stosowania w obciążonych elementach poddawanych powtarzającym się ruchom obrotowym, a w takiej sytuacji szybko pojawiłyby się ślady zużycia i odkształcenia. Surowiec POM jest znacznie droższy od ABS, a właśnie taki koszt wynika z funkcji, jaką ma pełnić ten element.

Jak starzenie się faktycznie wpływa na ten materiał

Części z tworzyw sztucznych mają opinię, że z upływem czasu stają się kruche, i warto o to zapytać, zamiast odrzucać tę kwestię. Najczęstsza przyczyna kruchości nie ma jednak tutaj zastosowania. Tworzywa sztuczne, które z upływem czasu twardnieją i pękają, zwykle robią to z powodu utraty plastyfikatora — wiele materiałów zawdzięcza swoją elastyczność dodatkowi, który z czasem wyparowuje lub migruje, pozostawiając materiał twardy i podatny na pękanie. Tak właśnie stało się w przypadku zniszczonych uszczelek i kruchych rur z PVC, znanych ze starszych pojazdów.

POM jest z natury wytrzymały i nie zawiera plastyfikatorów. Jego wytrzymałość wynika z budowy molekularnej, a nie z obecności dodatków, które mogłyby ulec wydzieleniu, dlatego ten mechanizm starzenia się po prostu nie ma tu zastosowania. Z biegiem lat znaczenie mają jeszcze trzy inne właściwości: jest to tworzywo konstrukcyjne o wysokiej krystaliczności, więc jego właściwości mechaniczne pozostają stabilne bez odchyleń; jego absorpcja wody jest bardzo niska, więc nie ulega on zmianom pod wpływem warunków pogodowych; jest też samosmarujący, więc nie ma w nim zastosowanego smaru, którego utrata mogłaby spowodować spadek wydajności.

Przemysł motoryzacyjny testuje ten materiał od dziesięcioleci: POM znajduje zastosowanie w zwijaczach pasów bezpieczeństwa, siłownikach szyb oraz mechanizmach regulacji foteli, gdzie oczekuje się, że jego żywotność będzie odpowiadać żywotności pojazdu. Gdyby ta klasa materiałów kruszyła się po kilku latach, nie byłaby tam stosowana. Nie niszczy go również nasycone solą powietrze nadmorskie, a kopolimer acetalowy jest odporny na środki czyszczące stosowane do mycia markiz.

Dlaczego nie nylon, który na papierze wydaje się mocniejszy?

Pozostaje więc jedna poważna alternatywa – i to właśnie ta, która jest najczęściej proponowana. Nylon również jest tworzywem konstrukcyjnym, a patrząc na suche dane techniczne, przewyższa acetal pod względem wytrzymałości na rozciąganie, temperatury topnienia oraz kosztu. Kluczowym słowem w tym kontekście jest suchy. Każdy z tych elementów jest mierzony na pręcie, który właśnie wyszedł z formy, a żadna część znajdująca się w eksploatacji nie pozostaje w takim stanie.

Nylon ma właściwości higroskopijne: po zamontowaniu nieustannie pochłania wilgoć z powietrza i osiąga stan równowagi w ciągu kilku tygodni lub miesięcy. Acetal praktycznie nie pochłania wilgoci, więc podane wartości są jednocześnie wartościami rzeczywistymi.

Typowe wartości podawane w publikacjach dotyczą gatunków bez wypełniaczy; poszczególne gatunki mogą się różnić.

Wynikają z tego trzy rzeczy, o których warto wiedzieć. Element z nylonu poddanego obróbce utracił ponad połowę modułu sprężystości określonego w specyfikacji, a wspornik w tym połączeniu przenosi obciążenie zginające — właśnie z tego powodu jest żebrowany. Jego tarcie względem stali zmienia się wraz z wilgotnością powietrza, co stanowi różnicę między markizą, która za każdym razem otwiera się w ten sam sposób, a taką, która w sierpniu jest cięższa niż w marcu. Okazuje się też, że jego słynna wytrzymałość jest tylko pozorna: nylon jest wytrzymalszy od acetalu tylko wtedy, gdy element jest nowy, wchłonął wilgoć i znajduje się w umiarkowanej temperaturze, co nigdy nie ma miejsca w momencie zgłoszenia reklamacji.

Żadna z tych trzech przyczyn nie była powodem, dla którego wykluczyliśmy nylon. Każda z nich ma odwracalne skutki: wystarczy wysuszyć element, a problem znika. Pozostają dwie kwestie, których nie da się tak łatwo odwrócić, a pierwsza z nich stanowi problem jeszcze przed pierwszym użyciem markizy.

Część jest ukończona niezależnie od tego, gdzie ostatecznie trafi

Nylon musi zostać wysuszony przed formowaniem, więc element z nylonu opuszcza fabrykę w stanie suchym. Wszystkie pomiary przeprowadzane podczas kontroli końcowej są wykonywane właśnie w tym stanie — jedynym stanie, w jakim element ten już nigdy się nie znajdzie.

Od momentu zapakowania produkt pochłania wilgoć z otaczającego go powietrza, a to powietrze nie jest nasze. Ten sam numer katalogowy odnosi się zarówno do ogrzewanego mieszkania podczas północnej zimy, jak i do nadmorskiego lata w Japonii czy Queenslandzie, a także do wszystkich warunków pomiędzy — a każda z tych sytuacji prowadzi do innego stanu równowagi, a tym samym do innej sztywności, wytrzymałości i wrażeń dotykowych. Minęły miesiące od momentu, gdy opuścił nas, a nic się nie zepsuło.

Dla producenta jest to właśnie ta niewygodna strona: element nylonowy nie może zostać w pełni zweryfikowany przez fabrykę, która go wytwarza, ponieważ połowa warunków jego eksploatacji zależy od warunków klimatycznych panujących u klienta. Przetestowanie go tutaj oznacza przetestowanie tylko jednego przypadku spośród wielu, a dla dystrybutora odsetek reklamacji nabiera charakteru geograficznego. Acetal praktycznie nie pęcznieje, więc część, która przechodzi kontrolę końcową, jest tą samą częścią, którą otrzymuje klient na każdym rynku, na który dostarczamy nasze produkty.

To wszystko nadal sprowadza się do spójności, a spójność da się uwzględnić w projekcie. Tego, co nastąpi później, nie da się uwzględnić.

Jedyny proces starzenia się, którego nie da się cofnąć

To jest właśnie powód, a pozostała część porównania ma w tym kontekście drugorzędne znaczenie.

Szkielet molekularny nylonu jest utrzymywany razem przez wiązania amidowe, a wiązania te ulegają zerwaniu pod wpływem wspólnego działania ciepła i wody. Nie jest to opisane powyżej wchłanianie wilgoci. To zjawisko ma charakter fizyczny i jest odwracalne. Tutaj mamy do czynienia z procesem chemicznym: łańcuchy ulegają przerwaniu, masa cząsteczkowa spada i nic nie jest w stanie ich przywrócić. Element, który przeszedł ten proces, jest trwale mniej wytrzymały niż element, który został zamontowany, niezależnie od tego, jakie warunki pogodowe panują później i jak sucha jest pora roku.

Zamknięta obudowa latem zapewnia wszystkie warunki niezbędne do zachodzenia reakcji, a wszystko to jednocześnie — nagromadzenie ciepła w szczelnej przestrzeni, tworzenie się kondensatu podczas nocnego ochładzania oraz bardzo słabą wentylację, która nie pozwala na odprowadzenie wilgoci. Opis ten jest bardzo zbliżony do środowiska, które stworzyłbyś celowo, gdyby Twoim zamiarem było poddanie poliamidu procesowi starzenia.

Szkielet acetalowy to —CH₂—O—. W całym tym związku nie ma żadnego wiązania podlegającego hydrolizie, więc dla tego materiału nie ma takiej możliwości — ani powoli, ani w dłuższej perspektywie, ani w gorącym klimacie.

Warto jasno powiedzieć, jak duże znaczenie ma ta kwestia. Sztywność, tarcie i wytrzymałość w różnych warunkach pogodowych to kwestie związane z właściwościami materiału, a kompetentny konstruktor potrafi je obejść: dodać żebro, zwiększyć prześwit lub wybrać inny gatunek materiału. Hydroliza nie jest kwestią związaną z właściwościami użytkowymi. Chodzi o to, czy zatwierdzony przez ciebie element będzie nadal tym samym elementem za pięć lat, a nie ma możliwości zaprojektowania rozwiązania, które zastąpiłoby wiązanie, którego od początku nie ma.

Część, której nikt nie widzi, opisana tak, jakby ją widzieli

W przypadku acetalu nadal należało podjąć decyzję. Występuje on w dwóch postaciach: jako homopolimer i kopolimer, przy czym homopolimer jest o około dziesięć procent wytrzymalszy. Jest on jednak mniej odporny na działanie zasad, gorącej wody, długotrwałego działania wysokiej temperatury — a także właśnie na hydrolizę opisaną powyżej.

Markiza jest myta wodą i środkami czyszczącymi, a latem wewnątrz obudowy gromadzi się ciepło. To właśnie w takich warunkach homopolimer sprawia problemy, a kopolimer nie, dlatego zgodziliśmy się na niewielkie pogorszenie wytrzymałości na rzecz stabilności, która ma znaczenie w perspektywie wieloletniego użytkowania.

Sam gatunek to DURACON®, kopolimer acetalu produkowany przez japońską firmę Daicel Corporation — wprowadzony do produkcji w 1964 roku i będący jedną z najdłużej istniejących marek acetalu na świecie, plasującą się na tym samym poziomie co Celanese i BASF. Pod względem kosztów plasuje się znacznie powyżej krajowego POM-u ogólnego przeznaczenia, a znacznie powyżej ABS.

To jest element wewnętrzny. Klient nigdy go nie zobaczy, a żadna specyfikacja techniczna w tej branży go nie wymienia. Zastosowanie najwyższej jakości japońskiego tworzywa inżynieryjnego w takim miejscu to najwyraźniejszy dowód na to, że nie oszczędzamy na jakości.

Wybór materiałów musi być dostosowany do stanowiska

Przegub obrotowy, profil nośny i tkanina narażona na działanie czynników atmosferycznych – każda z tych kwestii dotyczy innego zagadnienia i każda z nich powinna być rozpatrywana osobno.

Zasada ta działa w obie strony i warto wyjaśnić, w jakich przypadkach działa ona na niekorzyść acetalu. W bezpośrednim świetle słonecznym kolejność się odwraca: acetal ulega degradacji w wyniku procesu „rozpinania się”, który stabilizator może opóźnić, ale nie jest w stanie zatrzymać po jego rozpoczęciu, podczas gdy fotoutlenianie nylonu można skutecznie powstrzymać. W przypadku elementów wyposażenia pozostających na otwartej przestrzeni — klamer mocujących, kołków do wbijania w ziemię, zacisków do tkanin — właściwym materiałem jest czarny poliamid stabilizowany przeciw promieniowaniu UV, a acetal jest materiałem niewłaściwym. W tej samej linii produktów celowo stosuje się oba materiały.

Opisane tutaj połączenie to część markizy, która jest najbardziej obciążona i najmniej widoczna, i właśnie dlatego warto je wyjaśnić.