Kompositmaterialer, der er baseret på kulstoffibre, kommer til at spille en nøglerolle i jagten på lettere biler. Det siger flere prognoser, selvom materialet byder på seriøse udfordringer ved samlebåndsproduktion.
Skrappere miljøregler og den stigende efterspørgsel efter biler i udviklingslandene har tvunget bilindustrien til at tænke nye og andre tanker. Nu er fokus indstillet på lettere karrosseridesign og batterilevetid. Fremtidens bilpark kan nemlig meget vel komme til at bestå af både hybrid-biler og egentlige elbiler, der er 100 procent afhængige af batterikraft.
Senest i 2014 vil så godt som alle bilproducenter have hybridbiler på programmet. Og dette er kun begyndelsen. Ferdinand Dudenhöffer, professor og leder af Center for Automotive Research ved Duisburg-Essen Universitet i Tyskland, kalder udviklingen for en fundamental teknologiændring.
”Ved udgangen af 2025 vil andelen af nyproducerede biler, der udelukkende kører på fossile brændstoffer, være faldet til 35 procent på verdensplan,” siger han.
Andre forudsiger, at der inden for 10 år vil blive solgt omkring 24 millioner hybrid- eller elbiler årligt. Dette tal, mener Dudenhöffer, er lige i underkanten. Samtlige bilfabrikanter vil imidlertid tumle med det samme problem: vægt. Når man installerer et batteri, stiger en 100 procent eldrevet bils vægt med omkring 250 kg. Tallet for en plug-in-hybrid ligger på omkring 200 kg.
Volvo Cars arbejder imidlertid på en mulig løsning. Sammen med forskere på Imperial College London’s Department of Aeronautics, er ingeniører i Gøteborg nået frem til et interessant kompositmateriale. Materialet er lavet af en blanding af kulstoffibre og polymer, der er i stand til at oplade og lagre energi. Ideen er, at Volvobiler i fremtiden skal have et karrosseri, der i realiteten skal fungere som et elektrokemisk batteri. Men hvor langt ud i fremtiden skal vi?
Per-Ivar Sellergren, udviklingsingeniør i Volvo Cars Materials Center, er ret optimistisk. ”Hvis alt går ifølge planen, har vi en prototype i form af et bagagerum ved udgangen af 2012,” siger han. Prisen er et vigtigt emne, men Sellergren siger, at selvom materialet endnu er langt dyrere end stål og titanium, så er og bliver kompositter fremtiden til el- og hybridbiler.
Ifølge Volvos beregninger kan prisen på en kølerhjelm i det nye materiale komme til at svare til prisen på en almindelig kølerhjelm plus prisen på et litium-ion-batteri. ”Og da vi er producent, er der råd til at betale det ekstra beløb for kølerhjelmen i kulstoffiber, da vi i realiteten får et batteri med i købet helt gratis,” siger han.
Ifølge Ulf Carlund, kompositekspert i Volvo Cars, har produktionsmetoderne hidtil været alt for langsomme. Man burde ydermere langt tidligere have undersøgt mulighederne for at investere i de traditionelle bilfabrikker. Men udfordringerne i dag skyldes også, at bilfabrikanter, der traditionelt har arbejdet med stål, har haft svært ved at tænke i og arbejde med kompositter. Men det gode er, at der hersker stor forandringsvillighed. Og ifølge eksperter hos Volvo kommer offentligheden til at opleve flere og flere polymermaterialer såvel indvendigt i som udvendigt på fremtidens biler.
Audi har – i kraft af aluminiumsbilen A2 – en forløber, når det gælder fremstilling af letvægtsbiler. I virksomhedens ”letvægts”-center i Neckarsulm, Tyskland, bygger Audi-ingeniører videre på de kulstoffiberteknikker, der allerede bruges af datterselskabet Lamborghini. De har også gavn af den kompositteknologi/ekspertise, der er blevet udviklet af moderselskabet Volkswagen til brug for deres luksuøse Bugatti-model.
Audi fremstiller kun 15-20 stk om året af deres sportsvogn Audi R8 Spyder. Her anvendes der polymermateriale, der er blevet forstærket med kulstoffibre, i begge bilens sider og på toppen. Et forhold der understreger, at det ville blive langt mere omkostningseffektivt at massefremstille bilmodeller i den lidt billigere ende af skalaen, hvis et antal aluminiumskomponenter blev erstattet af en enkel komponent af kulstoffibre. ”Det ville betyde, at man i stedet for at bruge fem eller seks forskellige værktøjer, måske kunne nøjes med at bruge et enkelt værktøj,” siger Karl Durst, der er udviklingsingeniør i Audis Leichtbauzentrum
Her arbejder man blandt andet med at sammensætte fibre med kompositmaterialer for at øge vægtfordelen i forhold til aluminium fra cirka 17-18 procent til 25 procent. Projektet er afhængigt af, at man når frem til et materiale, der har samme egenskaber mht. træk- og brudstyrke som aluminium. Men der er stadig en række både større og mindre udfordringer i den forbindelse, fortæller Durst. En af dem er tendensen til korrosion i sammenføjningerne mellem kompositterne og de øvrige materialer. Og så er der også lydfaktoren. Lydniveauet stiger, for hvert kilo bilen bliver lettere. Det kræver isolering, der så tilfører mere vægt og nærmest udligner fordelen. Sidst men ikke mindst handler det om automekanikernes kendskab til og fortrolighed med materialet. ”Det skulle gerne være sådan, at selv det mindste Audi-værksted – hvor som helst i verden – kan reparere bilen og udskifte diverse bildele i komposit,” siger Durst.
Audis sportsvogn R8 Spyder har polymermateriale, der er blevet forstærket med kulstoffibre, i begge bilens sider og på toppen.
Produktionsprocessen skal forbedres. Lars Herbeck, der er chef for den tyske maskinproducent Voiths datterselskab Voith Composites, mener, at der skal sættes ind på flere områder. Et af områderne angår behovet for optimerede flow-processer, der tager højde for de forskellige materialetyper. Samtidig er processikkerhed og gennemløbstid en væsentlig faktor. Sammenlignet med komponenter i aluminium, der kan laves på få sekunder, kan det tage fra 20 minutter til en time at lave større dele i komposit. Det er måske ok i flyindustrien. Men det kommer aldrig til at fungere i bilindustrien med dens omfattende samlebåndsproduktion, der på verdensplan spytter mere end 55 millioner biler ud pr. år.
Oliver Geiger, der forsker i kompositmaterialer ved forskningsinstituttet Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie i Pfinztal i Tyskland, er ved at undersøge, hvordan man kan få store virksomheder inden for forskellige sektorer til at arbejde sammen. Og Audis Durst understreger behovet for et større, fremadrettet teknologisk skridt frem for at sætte sin lid til den langsommere evolutionære udvikling.
Også Daimler, der har anvendt kulstoffibre i deres racerbil SLR McLaren siden 2004, arbejder målrettet på at udvikle teknologien. I april 2010 indledte de et samarbejde med den japanske kemikalievirksomhed Toray, der er verdens førende producent af kulstoffibre. Målet er, at virksomheden inden for tre år skal være godt i gang med udviklingen af komponenter, der er lavet af kulstoffibre. Disse skal bruges i bilmodeller med en gennemsnitlig produktionsvolumen på 20.000 til 40.000 årligt.
BMW har investeret 100 millioner USDi en kompositfabrik i Moses Lake, Washington, i USA. Ifølge BMW’s økonomidirektør Friedrich Eichinger vil fabrikken producere ”store volumener til konkurrencedygtige priser”. Målet er at reducere materialeprisen til mindre end halvdelen af den nuværende pris på de kulstoffibre, der i dag bruges i racerbiler og koster 22 til 55 USD pr. kilo.
Kulstoffibermaterialet bliver lavet på to produktionslinjer og skal have en årlig kapacitet på omkring 1.500 ton. Materialet skal bruges til den nye elektriske bil fra BMW med projekttitlen Megacity Vehicle – en firepersoners hatchback med et 35 kWh litiumbatteri, der kan køre mere end 100 kilometer på en opladning. En sportsvognsversion med en lille ekstra dieselmotor og to elektriske motorer bliver i stand til at opnå en tophastighed på 200 kilometer i timen.
Megacity forventes at rulle af samlebåndet og ud på markedet i 2013-2014 fra Leipzig, hvor BMW har investeret mere end 400 millioner euro. Ifølge BMW bliver den verdens første masseproducerede bil, hvor hele passagerkabinen er lavet af kulstoffibermateriale på et chassis af aluminium. BMW har allerede frigivet de første tegninger, og her ser man en bil, der ligner noget, der er taget direkte ud af en science fiction-film. Bilen har et batteri, der ligner en flad madras, under hele coupé’en, overdimensionerede hjul og et dynamisk, næsten udfordrende udtryk.
Det bliver spændende at se, hvilken ”ravage” dette vil skabe i en industri, der allerede er under pres. ”Det er en satsning,” siger en specialist i letvægtsbiler fra en af BMW’s konkurrenter.
Direktør Norbert Reithofer er helt bevidst om risikoen. På en bilkonference i Nürnberg i 2010 sagde han: ”Det er muligt, at vi ikke kommer til at tjene penge i løbet af den første produktionsperiode med denne teknik. Men så vil den blive understøttet med traditionelle teknikker.”
Produktion af fremtidens biler på samlebånd kan gå hen og byde på visse udfordringer.
24
millioner hybrid- eller elbiler. Det er det forventede årlige salgstal i 2025.
35 %
af de nyproducerede biler i 2025 vil ifølge skøn være 100% brændstofdrevne.
Kulstoffibre
De kompositter, der anvendes i fly- og bilindustrien, er for det meste lavet af epoxy eller vinylester, der er forstærket med kulstoffibre. Fordelene ved disse kompositter er deres lave vægt og mekaniske egenskaber såsom høj grad af spændstighed. Kulstoffibre deler sig let, men de kan også formes til at absorbere store mængder energi. Dette er vigtigt i racerbiler, hvor der er fare for frontalkollisioner med høj hastighed.
Bilindustrien har længe anvendt mindre avancerede fiberforstærkede plaststoffer. I det tidligere Østtyskland producerede man mere end tre millioner Trabanter af duroplast, der bestod af bomuld fra Sovjetunionen og fenol-resin fra kemiske fabrikke.
TEKNISK INDBLIK
Et stykke vej endnu
Kompositter til flyindustrien er allerede et vækstmarked. Sandvik Coromant kan tilbyde en række værktøjsløsninger på dette område herunder PCD (polykrystallinsk diamant) og hårdmetalbor. I bilindustrien hersker der imidlertid stadig en del usikkerhed, da ingen rigtig ved, hvor stor efterspørgslen på kompositter reelt vil blive.
Teknologi, der omfatter kulstoffiber, er allerede udbredt til racerbiler i Formel 1 og bliver også brugt til dyre luksusbiler og sportsvogne. Men disse biler bliver mere eller mindre bygget manuelt og i få antal.
”Når det gælder masseproduktion, befinder vi os stadig i forskningsog udviklingsfasen,” siger Francis Richt, der arbejder med kompositudvikling i Sandvik Coromant. ”Men vi regner med, at dette nye materiale snart vil blive inddraget for at reducere vægten på hybrid- og elbiler.” Richt tilføjer, at anvendelsen er mere kompleks i flyindustrien end i bilindustrien. Dette skyldes et øget krav til kvalitet og parallel håndtering af kompositter og andre materialer såsom titanium.
Vi ved, at biler har en mere ensartet struktur end fly, hvilket eksempelvis reducerer behovet for at skulle bore tusindvis af huller og fræse store områder,” siger Richt. ”På den anden side er det vigtigt at være parat til nye tider og forhold. Vi oplever, at der er andre behov på spil i bilindustrien sammenlignet med den noget mere avancerede flyindustri.”
Allerede i dag findes der flere værktøjer, der snildt kan anvendes i bilindustrien. Ikke mindst Sandvik Coromants CoroDrill-produkter, der har en diamantoverflade, der forbedrer såvel hulkvaliteten som ydelsen.
Kompositter bliver allerede brugt til Formel 1-racerbiler. Udfordringen i dag handler om, hvordan man effektivt kan overføre den teknik, der bruges i fremstillingen af biler i meget begrænset antal, til masseproduktionen af privatbiler.
Sådan forvandler man et karosseri til et batteri
Volvo Cars løsning til at opnå lettere elbiler er enkel: I stedet for at installere tunge batterier håber virksomheden på, at de kan forvandle hele karosseriet til et batteri. Allerede dette vil give dem en besparelse i vægt på 250 kilo, og hvert kilo tæller, når det handler om at gøre produktionen af elbiler til virkelighed. Og brugen af nye kompositmaterialer spiller i denne forbindelse hovedrollen. Sådan fungerer det:
