Jakého pokroku bylo dosaženo v oblasti špičkové povrchové úpravy v F1 v posledních letech?
Zircotec dodává 15 let širokou škálu keramických teplotních ochran pro Formuli 1. Jedná se o plazmový nástřik povlaků, které snižují povrchové teploty. Původně se jednalo o povlaky výfuků, ale v poslední době Zircotec poskytuje vrstvy, které chrání kompozity. To umožňuje jejich využití a prodloužení životnosti ve velmi horkých prostředích.
Aplikace se týkají brzdových bočnic (brake shroud), aerodynamických součástí, podlah. Naše povrchová úprava mnoha týmům umožnila využití výfukových difuzorů v roce 2010, kdy inženýři mohli prohánět velmi horké (750 °C) plyny skrz difuzory. Poskytujeme nástřiky kovů, které mohou být využity i pro kompozity. Tyto nabízejí odolnost proti odírání nebo dokonce vylepšují výkonnost elektromagnetické kompatibility (EMC).
Minulý týden jsme představili novou sadu produktů. Inženýři, kteří dříve museli spoléhat na více produktů, aby ochránili své kompozity a teplocitlivé části před různými formami teplotního poškození, nyní mohou u Zircotec specifikovat jedinou vrstvu či teplotní stínění.
Díky unikátní kombinaci keramiky a zlata, ThermoHold® *GOLD* (pro kompozity) a jeho sesterský produkt ZircoFlex® *GOLD* poskytují ochranu před vodivými i vyzařovanými teplotními zdroji v podobě 98% odrazuschopnosti díky směsi keramické izolace a skutečného 24karátového zlata.
ThermoHold GOLD - unikátní kombinace keramiky a zlata pro kompozitní materiály
Co Zircotec dokáže?
Zircotec nabízí širokou škálu plazmových povlaků keramických a kovových vrstev, které chrání díly proti účinkům horka, opotřebení, odírání a korozi. Velmi lehké a snadno uspořadatelné technologie Zircotec mohou být aplikovány na množství různých materiálů včetně kovů a kompozitů.
Technologie prověřené v F1 a v jaderném průmyslu nyní důvěřují automobilky, uživatelé z řad průmyslu, automobiloví nadšenci a řada dalších, kteří se snaží maximálně vylepšit výkonnost a spolehlivost.
A konkrétně v oblasti F1?
Původně jsme v F1 řešili problémy se spolehlivostí a ochranu před účinky horka na součástky. Naše úpravy jsou často již součásti designu vozu. Znamená to, že inženýři vědí, že mohou specifikovat lehké materiály nebo umístit kompozitové díly - jako například karosérii - mnohem blíže zdrojům tepla.
Také prodlužujeme životnost součástek: Například některá brzdová obložení mohou být po vystavení vysokým teplotám vyřazena, ale nyní je lze znovu využít. Tyto přínosy jsou to, proč v sezóně 2012 využívalo 11 ze 12 týmů Zircotec.
Inženýři mají rádi to, že povrchové úpravy skutečně fungují a jsou mnohem lehčí, než tradiční teplotní stínění. Typicky dokážeme snížit teplotu povrchů kompozitů o 125 °C a teplotu pod kapotáží GT vozů o 50 °C.
Co si představit pod plazmovým nástřikem (plasma spraying)?
Při plazmovém sprejování jsou vstřikovány částice prachu do dusíkové či argonové plazmy pomocí plamenu o teplotě přibližně 20 000 °K a rychlosti plynu Mach 2 - 3. Tyto částice se v proudu taví a vytvářejí "krytinu" na pracovním dílu. Vrstvy se pečlivě skládají. Přínosem tohoto procesu je to, že vrstva je účinná, přivařená k základu, s nímž díky tomu lépe drží.
Plazmový nástřik je složitý proces a vyžaduje velmi vysoký výkon (máme vlastní rozvodnu) a odběrové zařízení. V továrně máme tři buňky. Všechny části, které upravujeme, přicházejí do naší továrny. Nejedná se o proces, který mohou dělat týmy.
Jaká musí být tloušťka povlaku?
Tloušťka se liší v závislosti na použití. Můžeme rovněž upravit tloušťku tak, že je v zájmu minimalizace hmotnosti použito přesné množství. Například můžeme aplikovat silnější vrstvu pouze na část karoserie v oblasti výfuků. Rozsah tloušťky se obvykle pohybuje kolem 250 až 450 mikronů.
Jak se dále upravuje povrch? Může negativně ovlivňovat aerodynamiku (mezní vrstvu)?
Ano, může. Některé týmy požadují vyhlazení povrchu. Náš standardní povrch obvykle obsahuje texturu, ale dokážeme vytvořit i hladký povrch. Příležitostně nabízíme nepřilnavý povrch pro aerodynamické povrchy. Ještě důležitější to bylo při vysoké degradaci pneumatik, kdy se žmolky nalepovaly na křídla. Náš povrch Thermoslik využívající teflonová aditiva gumě stěžoval nalepování.
Thermoslik - hladký aerodynamický povrch
Jak se Zircotec liší od Pyrosicu (produkt společností Pyromeral Systems)?
Zircotec nabízí povlaky, které mohou být aplikovány na řadu materiálů od slinutého nylonu a skelných vláken po uhlíkové kompozity. Podle našeho vědomí Pyrosic musí být výchozím materiálem, takže náklady mohou být ještě vyšší. S naším řešením můžete využít levnější substráty a pouze v těch oblastech, které vyžadují ochranu. Dokážeme skrýt oblasti, které povlak nepotřebují, což může ušetřit hmotnost.
Na co všechno se Zircotec v F1 využívá?
Naše povlaky se využívají pro velké množství kompozitových částí - brzdové kanálky a bočnice, aerodynamické díly, podlahy, airboxy, části zavěšení, KERSu. Co se týče roku 2014, již pozorujeme, jak týmy přemýšlejí o rekuperaci energie a naší schopnosti udržet horko je pro to velmi důležitá.
Naše flexibilní teplotní stínění ZircoFlex - keramický/hliníkový materiál - dodávané v rolí, odebírá mnoho týmů. Může být využito pro řešení teplotních problémů na dráze. Může být ohýbáno a vyřezáváno, je to výborný způsob, jak získat řešení. Pro F1 dokážeme nastříkat díly během jediného dne, takže mohou být rychle připraveny, když to týmy potřebují.
Vrstva na karosérii z uhlíkových vláken v oblasti výfuků
Proč u stínění kolem F1 motorů stále vídáváme zlato místo keramických povlaků?
Zlato se používá, protože odráží teplo. Když jsme se však na tyto produkty podívali, ve skutečnosti se v mnoha případech jednalo o měď. Oxidují při 400 °C a nefungují. Pravá zlatá fólie je velmi drahá. Proto jsme vyvinuli nové zlaté povlaky. Nabízejí 24karátové zlato a keramickou izolaci v rámci jednoho produktu.
Teplotní stínění ZircoFlex *GOLD* dosahuje tloušťky pouhých 0,17 mm a při gramáži 230 g/m3 tvoří pouze polovinu hmotnosti současného ZircoFlex produktu. Díky kombinací superlehké váze a schopnosti vyřezávání a ohýbání je atraktivní v F1, v motosportu, v leteckém či zbrojním průmyslu pro aplikace citlivé na hmotnost či vnitřní uspořádání. Je dodáván jako rovný list a může být použit pro ochranu pomocných zařízení, jako jsou baterie, mezistěny, kompozitní díly a palivové nádrže.
Horní část současného 2,4l osmiválce Ferrari pokryta vrstvou zlata
ThermoHold *GOLD* (pro kompozity) je výsledkem dvouletého programu pro vývoj robustní schopnosti aplikovat zlato na naše keramické povlaky a zároveň zachovat komerční dostupnost. Pečlivá příprava a mísení výchozího produktu s novým procesem vrstvení nakonec dávala nejlepší výsledky. Pouhých 170 mikronů povlaku může nabídnout významné snížení povrchové teploty.
A co náklady? Jak drahé jsou takové špičkové povlaky?
Myslíme si, že celkově nabízíme výjimečnou hodnotu. Pokud dokážete prodloužit životnost kompozitů, pak jsou náklady na úpravu povrchu velmi ekonomické. Naše teplotní stínění ZircoFlex stojí kolem Kč 600,- za velikost A4 a nový ZircoFlex GOLD vychází na Kč 4800,- za plochu A3. To je podstatně méně než za zlatou fólii.
U nástřiku kompozitů záleží na několika parametrech: na kvantitě, povrchové oblasti a množství potřebné přípravy. Prvotní techniky přípravy povrchu aplikované na libovolný kompozitní díl jsou pro spolehlivost povlaku nejdůležitější.
Graf - Snížení teploty povrchu kompozitů v čase díky povlakům Zircotec
Týká se to přilnutí dané vrstvy k povrchu pryskyřice. Poznání substrátu a jeho vytvrzování je rovněž klíčové pro dosažení dobré soudržnosti. V určitých případech je horní vrstva pryskyřice odstraňována.
Skelná vlákna mají typicky velmi slabé tepelné zpracování a mohou v pryskyřici dokonce obsahovat škálu nevázaných monomerů. Při snaze o přilnutí našeho povlaku by došlo k plynovému vytěsnění monomeru a velmi bídné soudržnosti.
McLaren se před dvěma lety v předsezónních testech trápil s výfukovým systémem přezdívaným "chobotnice." Jak to, že se někdo dnes může se špičkovými materiály takto trápit?
Nevíme, jaké problémy měl McLaren s tímto výfukem, ale není jednoduché umožnit kompozitům fungování v tak drsném prostředí. F1 neustále posouvá hranice, inženýři se o to neustále snaží.
Nechvalně proslulé výfuky McLarenu nazývané "chobotnice"
Zircotec about development of high-performance coating in F1: Higher performance and lifetime
What progress has been done in high-performance coating in F1 in last couple of years?
Zircotec has been supplying a range of ceramic thermal barriers to F1 for over 15 years. These are plasma sprayed coatings that reduce surface temperatures. Initially these were exhaust coatings but more recently Zircotec has been providing coatings that protect composites. This enables their use and extends the service life of composites in high temperature environments.
Applications include brake shrouds, aero parts, floors. Our coating enabled many teams to exploit the blown diffuser in 2010, allowing engineers to pass high temperature (750 °C) gases through the diffuser. We also offer metal coatings that can be applied to composites. These can offer resistance against abrasion or even improve EMC (electromagnetic compatability) performance.
Last week, we presented a new range of products. Engineers who previously had to rely on multiple products to protect composites and heat-sensitive parts from different forms of heat damage can now specify a single coating or heatshield from Zircotec.
Thanks to its unique combination of ceramic and gold, ThermoHold® *GOLD* (for composites) and its sister product ZircoFlex® *GOLD* provide protection from both conductive and radiant heat sources thanks to the blend of ceramic insulation and real 24 carat gold providing 98 percent reflectivity.
ThermoHold GOLD - unique combination of ceramic and gold for composites
What is Zircotec capable of?
As a company…
Zircotec offers a wide range of plasma sprayed ceramic and metallic coatings that protect components against the effects of heat, wear, abrasion and corrosion. Lightweight and easily packaged, Zircotec’s technologies can be applied to a broad range of different materials including metals and composites.
Proven in F1 and the nuclear industry, the technology is now trusted by car manufacturers, industrial users, car enthusiasts and in an increasing range of other applications to ultimately enhance performance and reliability.
For F1…
Originally our applications in F1 were about solving reliability issues and preventing the effects of heat on parts. Increasingly our coatings are now ‘designed into’ the car. This means that engineers know that they can specify lighter materials or place composite parts such as bodywork much closer to heat sources.
We also extend the life of parts; For instance some brake shrouds would be discarded after being exposed to high temperatures but now they can re used. These benefits are why 11 of the 12 teams in 2012 used Zircotec.
The engineers like the fact that the coating really does work and is much lighter than using traditional heatshields. Typically we can reduce surface temperatures on composites by 125°C and can lower underbonnet temperatures on a GT car by up to 50°C.
What does it mean plasma spraying?
During plasma spraying, powder particles are injected into a nitrogen or argon plasma with a flame temperature of circa 20,000°K and a gas velocity of Mach 2-3. The particles become molten in the stream and build up as ‘splats’ on the work piece. The layers are carefully built up. The benefit of this process is that the coating is in effect, welded to the substrate, making it adhere more effectively.
Plasma spraying is a complex process and requires very high power (we have our own substation) and extraction facility. We have three booths in our factory. All parts we treat come to our factory. This is not a process that can be done by the teams.
How thick must be the layer of coating?
The thickness varies depending on the application. We can also adjust the thickness so that the exact amount is used to minimise the weight. So for instance on a body part we may apply a thicker layer on just the area that is closest to the exahaust. The variation in thickness is usually between 250 and 450 microns.
What about the surface finishing? Does it influence aerodynamic (boundary layer) negatively?
Yes it does. Some teams request a smooth surface finish. Our standard finish is usually textured but we can create a smooth finish. We have occaisionally offered a non stick surface for aero surfaces. This was more crucial when there was high tyre degradation with the marbles sticking to the wings. Our Thermoslik coating, using a Teflon additive, meant it was harder for the rubber to adhere.
Thermoslik - smooth surface finish of aero surfaces
How Zircotec differs from Pyrosic (by Pyromeral Systems)?
Zircotec offers a coating that can be applied to a range of materials from sintered nylon and glass fibre through to carbon composites. From our understanding the pyrosic material has to be specified as the core material so the cost could be much higher. With our solution you can apply to cheaper substrates and only to the areas that need protection. We can mask areas that do not need to be coated. This could save weight.
What are potential disadvantages of Zircotec?
Zircotec is more expensive than some solutions but this is offset by the performance and packaging benefits. There are some exhaust waddings that the teams consider and offer similar performance but they take up more space and are difficult to apply. We think we offer the best balance of performance, durability and flexibility to use only where it is needed.
What are its F1 applications?
For our coatings we are used on a great number of composite parts – brake ducts and shrouds, aero parts, floors, airboxes, suspension parts, KERS components. For 2014 we are already seeing teams thinking about heat recovery and our ability to contain heat is extremely relevant.
Our ZircoFlex flexible heat shield – ceramic/aluminium material– supplied in rolls is carried by many teams. It can be used to solve heat problems at the track. It can bent and cut and is an excellent way to get a solution. For F1 we can coat parts in a single day so parts can be quickly prepared if the teams require.
Composite coating around exhaust
Why are we still seeing gold around the F1 engines instead of ceramic coatings?
Gold is used because it offers heat reflection. However when we looked at these products we saw many were in fact copper. These oxidise at 400 °C and don’t work. Real gold leaf is highly expensive. This is why we developed the new Gold coatings. They offer 24 carat gold and ceramic insulation in single products.
ZircoFlex *GOLD* heatshield is just 0.17mm thin and at 230 g/m? is half the weight of the current ZircoFlex product. Combining superlight weight with its ability to be cut and folded makes it attractive for weight sensitive or package restricted applications such as Formula One, high-end motorsport, aerospace or defence. Supplied as a flat sheet, it can be used to protect ancillaries such as batteries as well as bulkheads, composite parts and fuel tanks.
Upper part of current 2.4l V8 Ferrari F1 engine covered with gold leaf
ThermoHold *GOLD* (for composites) is the result of a two year programme to develop a robust capability to apply gold to our ceramic coating and yet remain commercially affordable. Careful preparation and mixing of the feedstock combined with a new ‘layering’ application process was eventually determined to give the best results. Just 170 microns coating can provide significant surface temperature reductions.
What about its costs? How expensive is such a high-performance coating?
We think that overall we offer exceptional value. If you can extend the life of composites then the cost of the coating is very economic. Our ZircoFlex heat shield is around £20 for an A4 sheet and the new ZircoFlex GOLD is £160 for an A3 sheet. That is significantly cheaper than gold leaf.
Composite coating depends on a number of parameters; quantity, surface area and the amount of preparation required. The initial surface preparation techniques applied to any composite part is paramount to the reliability of the coating.
Chart - Temperature reduction of composites thanks to Zircotec coatings
This ensures that the bond coat will effectively bond onto the surface of the resin. Understanding the substrate and its curing is equally critical to achieving good adhesion. In some cases the top layer of resin is removed.
Typically, glass fibre parts have had a very low heat treatment and may even have a range of unbound monomers in the resin. Trying to bond our coating onto this would result in the out gassing of the monomer and very poor bond strength.
McLaren struggled with its exhaust system called "octopus" during pre-season testing 2 years ago. Why do you think someone could struggle despite having such a great materials in these days?
We don’t know what problems McLaren had with this exhaust system but enabling any composite to operate in a harsh environment is challenging. F1 is constantly pushing the boundaries, it is what the engineers strive for.
Infamous McLaren exhaust system called Octopus
© Photos: Scuderia Ferrari, McLaren Mercedes, Zircotec