Kompozitní materiály na bázi uhlíkových vláken budou hrát zásadní roli v konstrukci lehčích automobilů, a to i přesto, že vnášejí do výroby na automatických výrobních strojích řadu překážek.
Stále přísnější omezení týkající se životního prostředí a stále rozšířenější užívání automobilů ve velkých městech nutí výrobce v automobilovém průmyslu myslet nově. Pozornost se zaměřuje na nové, odlehčené tvary karoserií a životnost baterií v hybridních či čistě elektrických autech.
Nejpozději do roku 2014 bude většina automobilek nabízet hybridní automobily, a to je jenom začátek. Ferdinand Dudenhöffer, profesor a ředitel Centra pro automobilový výzkum na Duisbursko-Essenské univerzitě v Německu, hovoří o zásadní změně v technologiích.
„Do roku 2025 klesne po celém světě podíl nových aut, která budou jezdit na klasické pohonné hmoty, o pětatřicet procent,” říká.
Další odhady říkají, že během příštích deseti let se ročně prodá dvacet čtyři miliónů elektrických automobilů. „A to je konzervativní odhad,“ říká Dudenhöffer. Všechny automobilky se však budou potýkat se stejným problémem - s hmotností. Po instalaci baterie se váha čistě elektrického auta totiž zvýší o nějakých dvě stě padesát kilogramů, v případě hybridů s elektrikou o dvě stě.
Volvo Cars se v současné době snaží najít řešení. Společně s vědci z katedry Aeronautiky na londýnské Imperial College a s inženýry z Göteborgu ve Švédsku vyvinuli kompozitní materiál ze směsi uhlíkových vláken a polymerů, který lze nabíjet a lze v něm uchovávat energii. V podstatě by automobily firmy Volvo měly mít v budoucnosti karoserii, která bude fungovat jako elektrochemická baterie. Ale jak daleko je takové řešení?
Per-Ivar Sellergren, inženýr ze střediska pro vývoj materiálů ve firmě Volvo Cars, je optimista. „Pokud vše půjde podle plánu, budeme mít prototyp karoserie hotový do konce roku 2012,” říká. Zatím je problémem cena, ale Sellergren se domnívá, že i když je nový materiál podstatně dražší než ocel a hliník, budoucnost bude patřit kompozitním materiálům pro elektrické a hybridní automobily.
Podle výpočtů firmy Volvo se náklady na výrobu jedné karoserie z materiálu, který funguje jako baterie, budou rovnat nákladům na výrobu dosavadní karoserie plus náklady na výrobu lithium=ionové baterie. „Jako výrobci si můžeme dovolit vydat více za karoserii, protože baterie je v tomto případě vlastně zadarmo,” dodává.
Podle Ulfa Carlunda, odborníka firmy Volvo Cars na kompozitní materiály, byly výrobní postupy dosud příliš pomalé, a nejprve bylo potřeba využít dřívější investice do tradičních automobilek. Také se ukázalo, že automobilkám, které tradičně pracují s ocelí, se práce s kompozitními materiály zdála příliš náročná. To se však v současné době mění, a podle odborníků z firmy Volvo bude veřejnost svědkem stále většího podílu polymerů v součástkách uvnitř i vně vozidel.
Firma Audi má díky svému hliníkovému automobilu A2 ve výrobě lehkých vozidel náskok. Ve firemním středisku firmy Audi „pro odlehčení“ v jihoněmeckém Neckarsulmu vycházejí inženýři ze zkušeností s technologií uhlíkových vláken, které se již využívají v dceřiné společnosti Lamborghini, ale i z technologie a znalostí kompozitních materiálů, které použila mateřská firma Volkswagen pro stavbu svého luxusního modelu Bugatti.
Ve sportovních vozech Audi R8 Spyder, které stojí více než 120 000 eur a vyrábí se v počtu asi patnácti až dvaceti kusů denně, firma Audi použila polymery vyztužené uhlíkovými vlákny na boční stěny karoserie a střechu. Základní podmínkou snížení nákladů pro výrobu levnějších vozů pro masovou spotřebu je nahrazení součástek z hliníku kompozitním materiálem na bázi uhlíku. Řešení, které by umožnilo vyrábět vozy pro masovou spotřebu levněji, spočívá v nahrazení několika součástek z hliníku jednou součástkou na bázi uhlíkových vláken. „Místo pěti až šesti nástrojů by byl potřeba jen jeden nástroj,” říká Karl Durst, pracovník z oddělení vývoje ze střediska pro konstrukci odlehčených vozů (Leichtbauzentrum) firmy Audi.
Zde se také pracuje na projektu, jehož cílem je zvýšení podílu uhlíkových vláken v kompozitních materiálech na 25 procent v porovnání se 17-18 procenty v případě hliníku, což přispěje ke snížení hmotnosti. Projekt závisí na materiálu, který má stejnou pevnost v tahu a tlaku jako hliník. „Kromě toho je zapotřebí vyřešit ještě několik dalších větších i menších problémů,“ říká Durst, „jako je například vznik koroze ve spojích mezi kompozitními a ostatními materiály. Dalším problémem je hluk. S každým kilogramem, o který se hmotnost vozu sníží, se míra hluku zvýší. Následně se musí použít izolace, která hmotnost vozu opět zvýší. V neposlední řadě bude potřeba, aby se automechanici po celém světě seznámili s novými materiály. „I v té nejmenší opravně vozů Audi by měli umět vůz opravit a vyměnit součástky z kompozitních materiálů,” dodává Durst.
Sportovní vůz Audi R8 Spyder má boční stěny karoserie a střechu z polymeru vyztuženého uhlíkovým vláknem.
Výrobní proces se musí vylepšit. Lars Herbeck, který pracuje jako manažer v dceřiné společnosti německého výrobce obráběcích strojů Voith, Voith Composites, vidí prostor pro zlepšení v několika oblastech. Jedna se týká zajištění plynulého přísunu materiálu, další spočívá v rovnoměrné výrobě nejméně jednoho sta tisíc součástek ročně, a další v podstatném zrychlení výrobního cyklu. V porovnání s výrobou hliníkových součástek, která trvá například jednu minutu, může výroba součástek z kompozitního materiálu trvat dvacet minut, u větších součástek až hodinu. Na to je možné přistoupit v případě výroby pro letecký průmysl, ale v automobilovém průmyslu, kde se v rámci sériové výroby na automatických výrobních linkách ročně vychrlí padesát pět milionů aut, je to zhola nemožné.
Oliver Geiger, odborník na výzkum kompozitních materiálů z výzkumného institutu pro chemické technologie, Fraunhofer- Institut für Chemische Technologie, v německém Pfinztalu, se snaží přijít na nějaký způsob spolupráce mezi velkými společnostmi z různých sektorů. Durst z firmy Audi říká, že místo postupné evoluce v technologiích je spíše zapotřebí velký skok kupředu.
Také ve firmě Daimler, která používá kompozitní materiály v závodním voze SLR McLaren již od roku 2004, dnes věnují velké úsilí vývoji této technologie. V dubnu roku 2010 začala firma spolupracovat s japonskou petrochemickou společností Toray, předním výrobcem uhlíkových vláken. Časový horizont pro vývoj součástek z kompozitních materiálů a jejich použití u modelů, které se vyrábějí v sérií asi dvaceti až čtyřiceti kusů ročně, jsou tři roky.
Hlavní rival Daimleru, firma BMW, podniká mnohem odvážnější kroky. V partnerství s německou firmou SGL Carbon BMW investovala sto milionů dolarů do továrny na výrobu kompozitních materiálů ve městě Moses Lake v americkém státě Washington. Podle finančního ředitele BMW Friedricha Eichingera bude továrna vyrábět materiál ve velkých objemech a vůbec poprvé, za „přijatelné ceny”. Cílem je snížit cenu kompozitních materiálů na bázi uhlíkových vláken o více než polovinu v porovnání se současnou cenou. Cena těchto materiálů, ze kterých se vyrábějí součástky pro závodní vozy, se dnes pohybuje mezi dvaadvaceti až pětapadesáti dolary za kilogram.
Uhlíkové vlákno se bude vyrábět na dvou výrobních linkách s kapacitou asi 1 500 tun ročně a bude se používat pro výrobu nového elektrického automobilu BMW, tzv. Megacity Vehicle, čtyřmístného sedanu s 35 kWh lithiovou baterií a s dojezdem delším než sto kilometrů na jedno nabití. Sportovní varianta s jedním malým přídavným dieselovým motorem a dvěma elektrickými bude údajně schopna vyvinout rychlost vyšší než 200 kilometrů v hodině.
Očekává se, že první Megacity sjede s výrobní linky v Lipsku, do níž firma BMW investovala více než 400 milionů eur, v letech 2013–2014. Podle BMW se bude jednat o první spotřební automobil na světě, jehož karoserie bude vyrobena z lehkého kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken a podvozek z hliníku. První výkresy, které firma BMW ukázala veřejnosti, zobrazují automobil dynamického, téměř agresivního tvaru, s baterií podobající se ploché matraci pod podvozkem a s obrovskými koly, který jako kdyby vypadl z vědeckofantastického filmu.
Jaký bude dopad na tovární výrobu, která je již tak pod tlakem, se teprve uvidí. „Je to risk,” říká odborník na odlehčené vozy z konkurenční firmy.
Ředitel Norbert Reithofer si je rizik plně vědom. Na konferenci automobilového průmyslu v říjnu 2010 v Norimberku řekl: „Je dost dobře možné, že v první fázi budou naše zisky kvůli nové technologii nulové, ale pokud ano, budeme ji subvencovat z tradiční výroby.”
Hlavním problémem při výrobě aut budoucnosti budou automatické výrobní linky.
24
milionů hybridních či elektrických automobilů se začne ročně prodávat do roku 2025.
35%
nových automobilů bude podle odhadů v roce 2025 jezdit na fosilní paliva.
Uhlíkové vlákno
Kompozitní materiály, které se používají ve výrobě pro letecký a automobilový průmysl, se skládají z epoxidu (epoxidové pryskyřice) nebo vinylesteru, vyztužených uhlíkovým vláknem. Mezi výhody těchto kompozitních materiálů patří malá hmotnost a mechanické vlastnosti, jako například vysoká pevnost. Uhlíková vlákna se snadno lámou, ale je možné je upravit tak, aby byla schopna absorbovat velké množství energie. Na této vlastnosti záleží především u sportovních vozů, kde se počítá s tím, že může dojít k čelním srážkám při vysokých rychlostech.
Jednodušší technologie plastů vyztužených uhlíkovými vlákny se v automobilovém průmyslu používají již dlouho. V bývalém východním Německu se z duroplastu, který se skládal z bavlny vypěstované v Sovětském svazu a syntetické pryskyřice, vyrobené v chemičkách, vyrobilo více než tři miliony automobilů značky Trabant.
Technické údaje
Spousta otázek
Výroba součástek z kompozitních materiálů pro letecký průmysl je rostoucím odvětvím. Sandvik Coromant nabízí v této oblasti celou řadu nástrojů, včetně vrtáků povlakovaných polykrystalickým diamantem PCD a vrtáků ze slinutého kabridu. Co se týče automobilového průmyslu není zdaleka jisté, do jaké míry se v něm kompozitní materiály budou využívat.
Materiály s uhlíkovými vlákny se již běžně používají při výrobě vozů Formule 1, a také při výrobě drahých luxusních a sportovních automobilů. Ale tyto vozy se vyrábějí více méně ručně ve velmi malých sériích.
„Co se týče výroby pro masovou spotřebu, jsme vlastně teprve na úrovni výzkumu a vývoje,” vysvětluje Francis Richt, který pracuje na vývoji kompozitních materiálů ve společnosti Sandvik Coromant. „Ale jedno je jisté. Očekáváme, že se nový materiál začne brzy používat při výrobě elektrických a hybridních automobilů, především kvůli snížení hmotnosti.” Richt dodává, že součástky vyráběné pro letecký průmysl jsou mnohem složitější než součástky pro automobilový průmysl. Vyšší důraz se klade i na kvalitu výroby a zpracování kompozitů s jinými materiály, jako je například titan.
„Automobily se vyznačují homogeničtější strukturou než letadla, díky čemuž, například, není třeba vrtat tisíce děr či obrábět velké plochy,” říká Richt. „Na druhé straně je potřeba se připravit na výrobu nových otvorů a dutin. Nicméně, požadavky automobilového průmyslu se v porovnání s vysoce rozvinutým leteckým průmyslem liší.”
Již dnes však existují nástroje, které je možné použít při obrábění těchto materiálů pro automobilový průmysl. Například vrtáky CoroDrill od společnosti Sandvik Coromant se vyznačují diamantovým povlakem, a zajišťují proto vyšší kvalitu obrobeného povrchu i vyšší výkonnost obráběcích strojů.
Kompozitní materiály se již dnes používají při výrobě vozů Formule 1. Otázkou je, jak přenést technologie, které se používají při výrobě několika vozů do sériové výroby osobních automobilů.
Jak proměnit auto v baterii
Řešení firmy Volvo Cars v oblasti výroby lehčích elektrických automobilů je jednoduché: Namísto instalace těžkých baterií do automobilů se firma chystá proměnit karoserii vozu v baterii. Tento postup by ubral až 250 kilogramů z celkové hmotnosti. Až se začnou vyrábět plně elektrické automobily, bude každý kilogram dobrý. Tato nová technologie však bude plně záviset na nových kompozitních materiálech. A takhle to bude fungovat:
