Produkcja opon - krok po kroku

Aby wyprodukować dobrą oponę, potrzebne są dziesiątki godzin pracy koncepcyjnej i wykonawczej. Sprawdź jak się produkuje i jak zbudowane są najbardziej znane kierowcom modele.

Pierwsza opona pneumatyczna powstała w 1845 roku.

Historia pneumatycznego ogumienia liczy sobie już ponad 150 lat. Pierwszym, który opatentował oponę pneumatycznej razem z dętką, był R. W. Thomson z Aberdeen w 1845 roku. Jego wynalazek nie uzyskał jednak większego poparcia. John Boyd Dunlop w 1888 roku ponownie, w sposób niezależny, wynajduje oponę pneumatyczną z dętką. Opona ta szybko zyskała popularność i staje się elementem samochodów. Pionierami z zakresu konstrukcji ogumienia byli także bracia Édouard i Andre Michelin. Opony te były powszechnie wykorzystywane w samochodach ciężarowych i osobowych już na początku XX w.

Jak sprawdzić rok produkcji opony?

Zanim omówimy złożony proces wytwarzania opony, warto uporządkować wiedzę na temat tego, gdzie znajdziemy informacje o roku jej produkcji. Oznaczenie DOT znajduje się na boku opony, a wytłoczone tuż za nim cyfry i litery pomogą nam odkodować datę produkcji ogumienia.

Droga do współczesnej produkcji opon

Przed erą komputerów opracowywanie nowych rozwiązań było żmudne i wymagało ogromnych nakładów w zakresie finansów i czasu. Projektowanie było oparte na wiedzy posiadanej przez inżynierów i konstruktorów, suwaku logarytmicznym i desce kreślarskiej. Następnie konstruowano prototyp i poddawano go testom. W przypadku, gdy nowy projekt nie spełniał przyjętych założeń, konieczne było powtórzenie całego długiego procesu projektowego i badawczego.

W ostatnich dziesięcioleciach nastąpił ogromny postęp. Zmienił się finalny produkt i metody za pomocą których jest wykonany. Jak obecnie produkuje się opony? Eksperymenty i praktyczne próby, początkowo często kończące się niepowodzeniem, mogą być obecnie uzupełniane i zastępowane symulacjami i obliczeniami komputerowymi. Dzięki temu, możliwy jest znacznie szybszy rozwój w zakresie wszystkich kluczowych osiągów ogumienia.

Budowa opony samochodowej:

• Bieżnik, czyli część opony, która ma kontakt z nawierzchnią oraz stanowi istotny element decydujący o prowadzeniu na drodze,

• Stopka, a więc część opony składająca się z nierozciągalnego rdzenia tzw. „drutówki” i owiniętych wokół niego warstw, ukształtowana odpowiednio do zarysu obręczy,

• Bok, czyli część opony pomiędzy bieżnikiem a stopką,

• Opasanie - warstwa materiału pod bieżnikiem z nitkami ułożonymi wzdłuż linii środkowej bieżnika, która ogranicza obwodowo osnowę,

• Osnowa opony, czyli utworzony wraz ze stopką gumowany kord tekstylny lub stalowy, stanowiący konstrukcyjny szkielet; to właśnie na osnowę działają niemal wszystkie obciążenia zarówno dynamiczne, jak i statyczne. Dlatego jakość opony bezpośrednio uzależniona jest od konstrukcji osnowy.

Fabryka opon Sava.

Produkcja opon w Polsce

Nie każdy kierowca ma świadomość, że na tle Europy jesteśmy potentatami w zakresie produkcji ogumienia. Według danych z 2018 roku, podanych przez Polski Związek Przemysłu Oponiarskiego, fabryki opon w Polsce wytwarzają rocznie ponad 35 mln sztuk. W kraju powstały zakłady największych światowych koncernów. W Poznaniu i Stargardzie odbywa się proces produkcji opon Bridgestone, w Dębicy Goodyear, natomiast w Olsztynie Michelin. Opony produkowane w Polsce dedykowane są nie tylko samochodom osobowym, ale także ciężarowym oraz maszynom rolniczym.

Pierwszy etap produkcji – metoda elementów skończonych i systemy CAD

W zakresie projektowania przełomem okazało się opracowanie metody elementów skończonych i wykorzystywanie komputerów do procesu projektowego. Metodę tę po raz pierwszy wykorzystano w przemyśle oponiarskim w latach 80. XX wieku. Początki były trudne. Zaprojektowanie opony wymaga rozwiązania setek tysięcy równań. Przy mocy obliczeniowej ówczesnych komputerów, wykonanie nawet najmniej złożonych obliczeń trwało kilkadziesiąt godzin.

Duże znaczenie dla przemysłu oponiarskiego miał także rozwój systemów CAD (projektowania wspieranego komputerowo), który nastąpił w latach 90-tych XX wieku. Deska kreślarska i rapidograf (pisak kreślarski) zostały zastąpione komputerem, klawiaturą i myszką. Pozwala to na szybsze, dokładniejsze i lepsze analizowanie danych. Daje tez możliwość ocenienia skutków wyborów dotyczących:

• rzeźby i kształtu bieżnika opony,

• konstrukcji wewnętrznej opony,

• materiałów przed wykonaniem prototypu modelu opony.

Metoda elementów skończonych – zaawansowana metoda rozwiązywania układów równań. Opiera się na podziale badanej struktury na skończone elementy. Rozwiązanie dla tych elementów jest przybliżane przez konkretne funkcje. Elementy są następnie poddawane działaniu praw mechaniki. W efekcie można określić wytrzymałość, odkształcenia, naprężenia i rozkład ciepła w różnych warunkach (także w najbardziej ekstremalnych). Wyprodukowanie już w pierwszym podejściu najbardziej wydajnego prototypu staje się dzięki temu bardziej prawdopodobne.

Drugi etap produkcji – prototyp opony i testy samochodowe

Wykonanie prototypów jest jednym z ważniejszych etapów procesu koncepcyjnego. Najczęściej tworzy się kilka prototypów. Następnie wybiera się ten spośród nich, który najlepiej odpowiada przyjętym założeniom. Jeżeli żaden z nich nie spełnia oczekiwań, następuje ponowne projektowanie modelu. Obecnie stosowane projektowanie komputerowe zwiększa szanse na spełnienie założeń przez prototyp. Znacznie przyspiesza to proces tworzenia opony. Prototyp poddawany jest próbom laboratoryjnym i ekstremalnym testom. Podczas nich następuje weryfikacja tego, czy prototyp cechuje się takimi samymi właściwościami, jakie wynikają z wcześniejszych obliczeń komputerowych. Wykonuje się testy różnego rodzaju. Wszystko zależy od założeń, które zostały przyjęte podczas projektowania. Wykonuje się testy niszczące lub na autach badawczych wyposażonych w piąte koło, lecz najważniejszym sprawdzianem są oczywiście testy samochodowe.

Po zakończeniu badań laboratoryjnych opony są poddawane sprawdzianom w ruchu ulicznym i na torach testowych. Jest to etap ważny z dwóch powodów:

• bierze pod uwagę rzeczywiste warunki drogowe,

• uwzględnia ocenę człowieka.

Dochodzi w tym momencie do interakcji na płaszczyznach człowiek/samochód/opona/droga. Opony są testowane pod każdym kątem, w zmiennych warunkach. Bierze się także pod uwagę ich przeznaczenie – opony zimowe są często badane w ekstremalnych warunkach na północy. Testy przeprowadzają wyszkoleni kierowcy, którzy dokonują obserwacji i notują ich wyniki na specjalnych urządzeniach badawczych.

Jest jeszcze jeden warunek niezbędny do rozpoczęcia seryjnej produkcji danego modelu. Wybrane rozwiązania muszą być wykonalne w przemysłowych warunkach. Wykonanie prototypów nie musi przekładać się na możliwość wydajnego produkowania takich samych opon na szeroką skalę. Znane są przypadki w historii przemysłu oponiarskiego, kiedy rozwiązania bardzo dobre pod względem osiągów nie trafiały do produkcji i dystrybucji. Wielokrotnie odkładane były do szuflady i czekały np. na dopracowanie procesów wytwórczych.

Trzeci etap produkcji – przygotowanie i dobór materiałów

Po etapie projektowania opony, opracowania jej dokumentacji i testach prototypów nadchodzi czas przygotowanie materiałów, z których będzie wyprodukowana. Każdy model składa się z różnych mieszanek, elementów, kordów tekstylnych i stalowych. W jaki sposób wytwarza się te materiały?

Przy produkcji ogumienia wykorzystywane są różne surowce m. in.:

• sadze,

• tkaniny kordowe,

• różne rodzaje kauczuków,

• substancje olejowe,

• druty stalowe.

Aby uzyskać oponę dobrej jakości należy odpowiednio dobrać te składniki pod kątem:

• właściwości chemicznych i fizycznych,

• grubości,

• wielkości,

• kątów cięcia itp.

Produkcja zaczyna się od wymieszania kauczuku z sadzą, specjalnymi olejami, przyspieszaczami, przeciwutleniaczami i innymi składnikami. Dobór poszczególnych składników jest tajemnicą producenta. Ostatecznym efektem etapu jest otrzymanie optymalnej mieszanki gumowej.

W skład mieszanek zwykle wchodzą:

• kauczuki naturalne,

• kauczuki syntetyczne (BR, SBR, butyl),

• napełniacze (sadza, krzemionka),

• oleje,

• żywice,

• siarka,

• przyspieszacze wulkanizacji,

• antyutleniacze (środki przeciwdziałające starzeniu),

• inne w zależności od specyfiki mieszanki.

Przykładowo do produkcji 100 kg mieszanki bieżnikowej opony do samochodu osobowego potrzeba:

• 50 kg kauczuku (obecnie głównie syntetycznego),

• 15 kg krzemionki,

• 15 kg sadzy,

• 2kg siarki,

• 2 kg żywicy,

• 10 kg olejów,

• inne składniki.

Skład mieszanki gumowej jest dostosowany do funkcji poszczególnych elementów opony i jej przeznaczenia. Inna kompozycja zostanie zastosowana w oponie letniej, a inna w zimowej. Także różne części opony (boki, wypełniacze strefy stopki, warstwa wewnętrzna – kapa) są zbudowane z różnych mieszanek gumowych.

Kauczuk wpływa na elastyczność opony, a tym samym na jej przyczepność. Źle znosi jednak zbyt niską temperaturę i bardzo szybko się zużywa. Dawniej (do lat 20-tych) przy wytwarzaniu ogumienia używano prawie wyłącznie kauczuku, ale miało to wady – takie opony zużywały się po przebyciu ok. 2-3 tysięcy km. Zaczęto więc analizować i ulepszać składy opon, szukając sposobu na wydłużenie czasu eksploatacji ogumienia. Właśnie dlatego do mieszanki zaczęto dodawać sadzę, która nadawała oponie czarny kolor i utwardzała ją.

Kilka dekad później – w latach 70-tych poprawiono żywotność opony i podniesiono przyczepność dzięki odkryciu Metzelera: wprowadzeniu krzemionki do mieszanki gumowej. Bardzo dobrze radzi ona sobie w niskich temperaturach, a także zachowuje optymalną elastyczność. Właśnie dlatego stosuje się ją najczęściej w oponach zimowych.

Przyjęte założenia konstrukcyjne muszą być przestrzegane w każdej fabryce danego producenta niezależnie od jej lokalizacji. Dzięki temu dany model opony posiada takie same osiągi bez względu na miejsce produkcji.

Czwarty etap produkcji – powstawanie mieszanki

Wszystkie wymienione wyżej składniki są dodawane w odpowiedniej kolejności na maszynie nazywanej mikserem. Ważna jest nie tylko ilość danego składnika, ale także moment jego dodania. Składniki miesza się ze sobą do momentu uzyskania jednorodnej konsystencji. Gotowa mieszanka otrzymuje kształt wstęg lub płyt, które posiadają wymiary pozwalające na wykorzystanie w późniejszych fazach produkcji. Następnie powierzchnię mieszanek pokrywa się środkiem antyadhezyjnym. 

Środek antyadhezyjny – ułatwia oddzielenie warstw gumy podczas dalszych etapów korzystania z mieszanki. Zjawisko adhezji polega na łączeniu się ze sobą różnych powierzchni. Wynika ono z oddziaływań międzycząsteczkowych stykających się substancji. Takie zjawisko powstaje na przykład w wyniku klejenia. Środek antyadhezyjny zapobiega sklejaniu się warstw gumy przygotowanych do produkcji opon.

Mieszanki gumowe są cały czas badane pod kątem spełniania założeń przyjętych podczas ich produkcji. Jeśli wszystko jest w porządku są przekazywane do następnych faz produkcji. Po trafieniu na kolejne stanowiska produkcyjne guma jest wykorzystywana do tworzenia gumowych elementów profilowanych i płaskich, bądź też do kalandrowania kordów stalowych lub tekstylnych.

Wytłaczarki potrafią wytwarzać gumowe elementy profilowane z dokładnością do 0,1 mm. Kiedy mieszanka trafia do maszyny jest uplastyczniana przez walce lub ślimak i przeciskana przez specjalny szablon. W ten sposób otrzymuje się odpowiedni kształt, który jest wykorzystywany do produkcji opony surowej. Otrzymane elementy są nawijane na duże kasety lub szpule. Często są też cięte na określoną długość. W taki właśnie sposób produkuje się:

• bieżniki,

• paski stopowe,

• wypełniacze,

• inne profilowane elementy opony.

Jeśli produkt jest płaski (nie musi posiadać określonego kształtu, a tylko określoną grubość) przechodzi proces kalandrowania. Otrzymane elementy nawijane są w szpule. W taki sposób powstaje kapa butylowa i inne dodatkowe elementy opony.

Kalandrowanie – jest to proces wytłaczania wyrobów z tworzyw sztucznych. Tworzywo jest uplastyczniane, a następnie kształtowane pod wpływem nacisków wywieranych przez zespoły walców kształtujących zwanych kalandrami.

Piąty etap produkcji opon – kordy i drutówki

Opona nie składa się wyłącznie z gumowych elementów. Zbudowana jest także z kordów tekstylnych i stalowych. Elementy te stanowią szkielet opony, który gwarantuje jej kształt i sztywność, a co za tym idzie odpowiedni poziom osiągów podczas jazdy.

Każda nitka kordu tekstylnego składa się ze skręconych splotów wielu cienkich włókien:

• nylonowych,

• wiskozowych,

• poliestrowych,

• aramidowych.

Aby wyprodukować oponę w rozmiarze 195/65 R15 potrzeba 1500-1800 nitek kordu. Są one ułożone równolegle do siebie i odpowiednio zaimpregnowane (tekstylne kordy zabezpieczane są tzw. adhezyjnym układem lateksowo-żywicznym). Ułatwia to połączenie się nitek z gumą. Następnym etapem jest ich wprasowywanie pomiędzy warstwy gumy podczas procesu kalandrowania. W taki sposób powstaje pogumowana tkanina tekstylna, która następnie jest przycinana w odpowiedni sposób zależnie od funkcji jaką ma pełnić w oponie (może spełniać funkcję warstwy tekstylnej lub wzmocnienia). Po odpowiednim przycięciu tkanina jest nawijana na szpule lub kasety i trafia do opon.

Produkcja kordu stalowego jest bardziej skomplikowana. Na początku druty stalowe o średnicy sięgającej kilku mm są wyciągane na maszynach do osiągnięcia pożądanej średnicy ok. 0,2-0,5 mm. Takie druty są następnie splatane. Otrzymuje się w ten sposób elastyczny, ale bardzo wytrzymały kord o średnicy nieprzekraczającej 1 mm. W kolejnym etapie pokrywany jest on warstwą mosiądzu lub brązu – takie rozwiązanie zapewni dobre połączenie z gumą podczas procesu wulkanizacji. Po tym zabiegu nitki kordu stalowego trafiają na kalander pomiędzy dwie warstwy gumowej mieszanki i zostają pocięte zgodnie z przeznaczeniem.

Drutówki to elementy, które umożliwiają osadzenie opony na feldze. Każdy producent ma inną metodę tworzenia drutówek. Mogą to być pierścienie, które powstają przez zaplecenie kilku drutów, które mają okrągły przekrój lub też są tworzone poprzez nawinięcie kilku warstw taśmy. Składa się ona z pojedynczych drutów, które pokryto gumową mieszanką (mają one przekrój wielokąta lub prostokąta).

Szósty etap produkcji – opona surowa

Po przygotowaniu niezbędnych elementów składowych opony następuje proces konfekcjonowania, czyli dokładnego ułożenia tych elementów w określony sposób. Na czym polega ten etap produkcji opon?

Drugi etap wytwarzania opon to przygotowanie elementów surowej opony:

• czoła bieżnika,

• opasania,

• osnowy,

• boków,

• wypełniacza,

• ekranu,

• wykładziny wewnętrznej.

Wypełniacz, boki i bieżnik są wykonane z różnych rodzajów mieszanek gumowych. Przy optymalnym ciśnieniu i temperaturze odpowiedni szablon nadaje kształt surowemu elementowi.

Sposób, w jaki jest budowana opona zależy od maszyn i rozwiązań konstrukcyjnych stosowanych przez danego producenta. Część z nich produkuje opony w procesach jednostadiowych (cała opona powstaje na jednym urządzeniu), inni wytwarzają swoje produkty w dwóch etapach:

• w pierwszym etapie powstaje karkas,

• drugi etap polega na dodaniu pakietu, czyli opasania, bieżnika i innych dodatkowych elementów.

Kolejność nakładania poszczególnych elementów jest podobna u większości producentów:

1. umieszczenie nieprzepuszczalnej kapy butylowej, która pełni funkcję dętki we współczesnych oponach bezdętkowych,

2. umieszczenie boków po dwóch stronach, których zadaniem jest ochrona wewnętrznej konstrukcji opony przed uszkodzeniami,

3. poprzeczne nakładanie warstwy kordu tekstylnego, która ma stanowić szkielet opony,

4. umieszczenie drutówki wraz z wypełniaczem na warstwie tekstylnej po obu stronach,

5. w razie konieczności dodanie innych elementów (jeśli wymaga tego konstrukcja karkasu).

Wszystkie elementy kładzie się płasko na bębnie. Następnie zostaje on (lub membrany konfekcyjne) napełniony powietrzem. Sprawia to, że wszystkie elementy przylegają do siebie i opona zaczyna powoli przypominać kształtem finalny produkt. Następnie całość jest poddawana procesowi rolowania. Proces ten pełni kilka funkcji:

• oponie nadaje się odpowiedni kształt,

• zapewnia odpowiednie połączenie wszystkich elementów składowych opony,

• gwarantuje odprowadzenie powietrza, które mogło znajdować się pomiędzy poszczególnymi elementami składowymi.

Opona surowa zostaje poddana badaniom pod kątem obecności różnych błędów. Część z nich może zostać naprawionych, inne powodują wycofanie opony z dalszej produkcji.

Siódmy etap produkcji – wulkanizacja opon

Po etapie konfekcji opony surowe trafiają do magazynów, a następnie pod odpowiednie prasy wulkanizacyjne. Na tych prasach zamontowane są formy wulkanizacyjne, które najczęściej mają budowę:

• kontenerową: jej elementami są dwa boki formy, pierścienie nadają kształt bokom opony, wytłaczają napisy, a segmenty rzeźby znajdujące się pomiędzy bokami nadają kształt bieżnikowi,

• dwupołówkową: zbudowane są z dwóch połówek, z których każda odpowiada za odwzorowanie jednego boku i połowy bieżnika.

Proces wulkanizacji 

Surowa opona pokrywana jest płynami antyadhezyjnymi, które zapobiegają przywarciu do membrany lub formy. Mieszanki gumowe pod wpływem wysokiej temperatury (ponad 150 st. C) przekształcają się w tworzywo o jednorodnych właściwościach. W efekcie, w wyniku reakcji chemicznych, powstaje guma, która charakteryzuje się elastycznością w szerokim zakresie temperatur. Do nich wprowadza się media wulkanizujące. Surowa opona nakładana jest na membranę, a prasę zamyka się. Następnie, pod wpływem temperatury i ciśnienia, wewnątrz membrany surowa opona wypełnia zarys w formie. Wulkanizacja gumy przebiega w określonym ciśnieniu i temperaturze, a zewnętrzny kształt opony i jej rzeźba bieżnika odwzorowane są na formie wulkanizacyjnej. Opona osobowa przebywa w formie około 10 minut, potem jest wyjmowana i pozostawiana do momentu wystygnięcia.

Kontrola końcowa

Końcowa kontrola jakości polega na:

• ocenie wizualnej, np. czy nie ma żadnego obcego ciała pomiędzy elementami opony,

• sprawdzeniu wnętrza promieniami rentgena, w celu wyeliminowania opon z wadami i uszkodzeniami wewnętrznymi,

• badaniu kryteriów niejednorodności związanych z masą, sztywnością i kształtem,

• badaniu wartości efektu stożkowego, siły promieniowej i innych parametrów mających wpływ na komfort i bezpieczeństwo podróżowania,

• sprawdzeniu budowy przeciętych opon w celu stwierdzenia zgodności wyrobu z założeniami konstrukcyjnymi, ma to zapewnić właściwy poziom osiągów i bezpieczeństwa.

Opony, które pozytywnie zaliczyły etap kontroli końcowej mogą trafić do klienta. W opisany powyżej sposób wytwarzane jest ok. 80% opon dostępnych na rynku. Poszczególne fabryki opon różnią się między sobą jedynie zautomatyzowaniem i usprawnieniem poszczególnych procesów produkcji.

Każda opona to kompromis osiągów

Projektowanie opon jest kompromisem między żywotnością a przyczepnością. Nie wyprodukowano do tej pory mieszanki optymalnie zachowującej właściwości w temperaturach ujemnych i dodatnich oraz bieżnika odprowadzającego śnieg, wodę i błoto, a także gwarantującego bardzo dobrą przyczepność na lodzie i asfalcie.

W przypadku letnich jeździmy zarówno na suchych, jak i na mokrych nawierzchniach. W pierwszym wariancie, aby utrzymać odpowiednią przyczepność kluczowe jest użycie odpowiedniej mieszanki gumowej, a sama rzeźba bieżnika ma znaczenie drugorzędne. W przypadku drugiego wariantu - podczas jazdy na mokrej drodze - jest odwrotnie, najważniejszym elementem jest dobrze sprofilowany bieżnik. W przypadku ogumienia zimowego, podczas jazdy na śniegu ważniejsza jest rzeźba bieżnika, a na lodzie bardziej istotny jest skład mieszanki.

Podobnie sytuacja wygląda w przypadku komfortu jazdy i hałasu, a przyczepności. W tym przypadku czynnikiem decydującym jest używanie dwuskładnikowej mieszanki. Jeżeli elementy, które mają kontakt z nawierzchnią są miękkie, a bazowa część bieżnika (BASE), która bezpośrednio nie styka się z jezdnią, jest sztywna, wówczas osiągamy odpowiednią przyczepność, ale jednocześnie dość niski komfort jazdy. Jednocześnie lepsze wyciszenie, ale gorszą przyczepność otrzymujemy w odwrotnej sytuacji. Wzmocnienie opony to z kolei większa trwałość oraz odporność na ciężar i uszkodzenia, przy jednoczesnym zwiększeniu emitowanego hałasu. Widać więc, że projektowanie opon w każdym przypadku odbywa się przez poprawę niektórych parametrów, ale kosztem innych.