Hiilikuitupohjaiset komposiitit ovat sarjatuotantoon liittyvistä haasteista huolimatta avainroolissa tavoiteltaessa yhä kevyempiä autoja.
Kiristyvät ympäristövaatimukset ja kehittyvien markkinoiden autoistuminen on pakottanut autoteollisuuden muuttamaan ajattelutapojaan. Kehitystyö keskittyy autojen painon pudottamiseen ja hybridi- tai täyssähköautojen akkujen kestoiän pidentämiseen.
Vuoteen 2014 mennessä käytännössä kaikki autonvalmistajat tarjoavat hybridimalleja – ja se on vasta alkua. Saksalaisen Duisburg-Essenin yliopiston autotutkimuskeskuksen professori Ferdinand Dudenhöffer kertoo alan teknologiamuutoksista.
"Vuonna 2025 pelkästään polttonesteellä käyvien uusien autojen osuus on maailmanlaajuisesti enää 35 prosenttia", hän toteaa.
Toisen ennusteen mukaan hybridi- ja sähköautojen vuosimyynti nousee kymmenessä vuodessa 24 miljoonaan. Dudenhöfferin mukaan ennuste on varovainen. Kaikilla autonvalmistajilla on vastassaan sama ongelma: paino. Akut nostavat sähköauton painoa noin 250 kilolla ja plug-in-hybridin noin 200 kilolla.
Volvo Cars on mahdollisen ratkaisun jäljillä. Yhtiön insinöörit Göteborgista ovat yhdessä lontoolaisen huippuyliopiston Imperial Collegen lentotekniikan osaston kanssa kehittäneet hiilikuidusta ja polymeeristä koostuvan komposiittimateriaalin, joka kykenee ottamaan vastaan ja säilömään energiaa. Ajatuksena on, että tulevaisuuden Volvoissa itse kori toimii elektrokemiallisena akkuna. Kuinka kaukana ratkaisu vielä on?
Volvo Carsin materiaalikeskuksen insinööri Per-Ivar Sellergren on optimistinen. "Jos kaikki menee suunnitellusti, auton takakonttiin rakennettu prototyyppi on valmis vuoden 2012 lopussa", hän toteaa. Pääosaan nousevat kustannukset. Vaikka ratkaisu on paljon terästä ja alumiinia kalliimpi, Sellergrenin mukaan sähkö- ja hybridiautojen tulevaisuus on komposiiteissa.
Volvon laskelmien mukaan uudesta akkumateriaalista valmistetun konepellin kustannukset voisivat vastata perinteisen pellin ja litiumioniakun yhteenlaskettuja kustannuksia. "Voisimme valmistajina hyväksyä hiilikuidun käyttämisestä aiheutuvat suuremmat kustannukset, saammehan ikään kuin akun kaupan päälle", hän huomauttaa.
Volvo Carsin komposiittiasiantuntijan Ulf Carlundin mukaan tuotantomenetelmät ovat olleet liian hitaita, tehtaisiin jo tehtyjä investointeja ei ole voitu jättää hyödyntämättä. Osittain ongelman takana on autonvalmistajien kankeus muuttaa komposiitteihin liittyviä ajattelu- ja työskentelytapojaan. Muutoshalua kuitenkin löytyy, ja Volvon asiantuntijoiden mukaan kuluttajat tulevatkin näkemään yhä enemmän polymeerimateriaaleja niin autojen sisä- kuin ulko-osissa.
Audi on täysalumiinisen A2-mallinsa ansiosta kevytrakenteisten autojen edelläkävijä. Insinöörit Audin kevytteknologiakeskuksessa Neckarsulmissa Etelä-Saksassa hyödyntävät tytäryhtiö Lamborghinin käyttämää hiilikuitutekniikkaa sekä emoyhtiö Volkswagenin luksusmerkki Bugattin kehittämää komposiittiosaamista.
Audi käyttää lähtöhinnaltaan noin 300 000 euron Audi R8 Spyder -urheiluautossaan hiilikuituvahvisteisia komponentteja. Autoa valmistetaan vain 15–20 kappaletta päivässä. Kustannustehokkuuden lisäämiseksi autojen sarjatuotannossa yhdellä hiilikuitukomponentilla pitäisi pystyä korvaamaan useita alumiinikomponentteja. "Silloin tarvittaisiin viiden tai kuuden työkalun sijasta vain ehkä yksi", toteaa Audin kevytteknologiakeskuksen insinööri Karl Durst.
Keskus pyrkii mm. kuitujen määrää lisäämällä kasvattamaan painoetua alumiiniin nähden 17–18 prosentista noin 25 prosenttiin. Projektin onnistuminen riippuu siitä, onnistutaanko kehittämään alumiinin veto- ja puristuslujuutta vastaava materiaali. Tästä huolimatta ongelmia, niin isoja kuin pieniä, löytyy Durstin mukaan runsaasti. Yksi suurimmista on korroosio komposiittien ja muiden materiaalien välisissä liitoksissa. Myös melu nousee kuvioihin. Jokaista säästettyä painokiloa kohden melun määrä lisääntyy, mikä vaatii lisäeristystä – se tietenkin taas tuo lisäpainoa. Myös automekaanikkojen pitäisi pystyä käsittelemään materiaalia. "Autot pitäisi pystyä korjaamaan pienimmässäkin Audi-korjaamossa missä päin maailmaa tahansa", Durst sanoo.
Audi käyttää Audi R8 Spyder -urheiluautossaan hiilikuitukomponentteja.
Valmistusprosessia on kehitettävä. Lars Herbeck on saksalaisen konepajayhtiö Voithin tytäryhtiön Voith Compositesin johdossa. Hän näkee kehittämisen tarvetta monilla alueilla. Materiaalivirtoja on optimoitava, komponenttituotanto on nostettava yli 100 000 kappaleeseen vuodessa ja läpimenoaikoja on nopeutettava. Alumiinikomponentti valmistuu sekunneissa, kun suurten komposiittiosan valmistus voi viedä aikaa 20 minuutista aina tuntiin asti. Se ei ole ongelma ilmailuteollisuudessa, mutta tilanne muuttuu, kun autonvalmistajien kokoonpanolinjoilta suolletaan yli 55 miljoonaa autoa vuodessa.
Oliver Geiger toimii tutkijana Fraunhofer-instituutin komposiittimateriaalien osastolla Pfinztalissa Saksassa. Hänen tavoitteenaan on lisätä isojen yhtiöiden yhteistyötä alalla. Audin Durst kaipaa pikku hiljaa tapahtuvan kehityksen sijaan teknologiahyppäystä.
Myös Daimler, joka käytti komposiittia SLR McLaren -urheiluautossaan, on keskittynyt komposiittiteknologian kehittämiseen. Yhtiö aloitti huhtikuussa 2010 yhteistyön japanilaisen Torayn kanssa. Yhtiö on maailman johtavia hiilikuidun valmistajia. Tavoitteena on kehittää kolmessa vuodessa hiilikuitukomponentteja Daimlerin automalleihin, joita valmistetaan keskimäärin 20 000–40 000 kappaletta vuodessa.
Pahin kilpailija BMW on nostanut kokonaan jalan jarrulta ja päättänyt investoida 100 miljoonaa dollaria yhdessä saksalaisen SGL Carbonin kanssa komposiittitehtaaseen, joka rakennetaan Moses Lakeen Washingtonin osavaltioon. BMW:n talousjohtaja Friedrich Eichingerin mukaan kyseessä on ensimmäinen tehdas, joka pystyy tuottamaan suuria volyymeja kilpailukykyiseen hintaan. Tavoitteena on leikata hiilikuitumateriaalien käytöstä aiheutuvat kustannukset puoleen kilpa-autojen nykyisestä noin 22–55 dollarista per kilo.
Uusi tehdas valmistaa hiilikuitua kahdella linjalla noin 1 500 tonnia vuodessa. Hiilikuitu käytetään BMW:n uudessa Megacity-sähköautossa. Kyseessä on nelipaikkainen viistoperä, jonka 35 kWh:n litiumakku antaa yli 100 km:n toimintasäteen. Auton sporttiversiossa on pieni dieselmoottori ja kaksi sähkömoottoria, joiden pitäisi pystyä kyydittämään auto yli 200 kilometrin tuntinopeuteen.
Megacityn valmistuksen odotetaan alkavan v. 2013 tai 2014 Leipzigin tehtaalla, johon BMW on investoinut yli 400 miljoonaa euroa. BMW:n mukaan Megacitystä tulee maailman ensimmäinen sarjatuotantoauto, jossa on kokonaan hiilikuitukomposiittinen kori alumiinialustalla. BMW:n julkaisemissa alustavissa piirroksissa auto näyttää kuin se olisi otettu suoraan scifi-elokuvasta. Akusto sijaitsee alumiinialustassa, renkaat näyttävät valtavilta ja muutenkin ulkomuoto on dynaaminen, jopa aggressiivinen.
Nähtäväksi jää, mikä mallin vaikutus on jo nyt valtavien paineiden kanssa painivaan autoteollisuuteen. "Se on melkoista riskipeliä", huomauttaa BMW:n kilpailijan kevytteknologia-asiantuntija.
Johtaja Norbert Reithofer on hyvin perillä riskeistä, kuten hänen lausuntonsa Nürnbergin automessuilla lokakuussa osoittaa: "On mahdollista, ettemme tee uuteen teknologiaan perustuvalla autolla aluksi lainkaan voittoa, mutta tappiot katetaan perinteisillä autoilla."
Sarjatuotanto asettaa tulevaisuuden autoille isoja haasteita.
24
miljoonaa = hybridi- ja sähköautojen vuosimyynti vuonna 2025.
35 %
= pelkällä polttonesteellä kulkevien uusien autojen arvioitu osuus vuonna 2025.
Hiilikuitu
Ilmailu- ja autoteollisuuden komposiittien matriisiaineena on yleensä epoksi tai vinyyliesteri ja lujiteaineena hiilikuitu. Näiden komposiittien etuna on niiden keveys ja mekaaniset ominaisuudet, kuten korkea jäykkyys. Hiilikuitu katkeaa helposti mutta kykenee toisaalta sitomaan valtavasti energiaa, mikä antaa kilpa-autoille erinomaisen kolariturvallisuuden.
Yksinkertaisempia hiilikuituvahvisteisia muoveja on käytetty autoteollisuudessa jo pitkään. Entisessä Itä-Saksassa valmistettiin yli kolme miljoonaa Trabanttia duroplast-muovista, joka tehtiin Neuvostoliitosta tuodusta puuvillasta ja fenolihartsista.
TEKNIIKKAPALA
Epävarmuus varjostaa
Ilmailuteollisuudessa komposiittien käyttö yleistyy jatkuvasti, ja Sandvik Coromant tarjoaakin tälle alueelle useita työkaluratkaisuja, kuten PCD- ja kovametalliporia. Autoteollisuus ei kuitenkaan ole vielä läheskään varma komposiittimateriaalien tarpeesta.
Hiilikuidun käyttö on vakiintunut F1-autoissa sekä kalliissa luksus- ja urheiluautoissa, mutta niitä valmistetaankin hyvin pieniä määriä ja pitkälti käsityönä.
"Sarjatuotannon suhteen olemme vasta kehitysvaiheessa", toteaa komposiittitekniikkaa Sandvik Coromantilla kehittävä Francis Richt. "Olemme kuitenkin varmoja, että komposiitteja käytetään lähitulevaisuudessa sähkö- ja hybridiautojen painon pudottamiseen." Richt huomauttaa, että ilmailusovellukset ovat autoja vaativampia. Laatuvaatimukset ovat omaa luokkaansa, ja työstettävänä on usein komposiitin ja muiden materiaalien, kuten alumiinin, yhdistelmiä.
"Autojen rakenteet ovat yksinkertaisempia, eikä niissä ole tarvetta esimerkiksi porata tuhansia reikiä tai jyrsiä laajoja pintoja", Richt sanoo. "Toisaalta on oltava valmis koneistamaan muunlaisia reikiä ja taskuja. Autoteollisuudella on omia, pitkälle kehittyneestä ilmailutekniikasta poikkeavia vaatimuksiaan."
Autoteollisuudessa voidaan käyttää nykyisiä työkaluja, kuten Sandvik Coromantin timanttipinnoitettua CoroDrill-poraa, joka nostaa reikien laatua ja koneiden suorituskykyä.
Komposiitteja käytetään yleisesti F1-autoissa. Haasteena on teknologian käyttöönotto henkilöautojen sarjatuotannossa.
Autonkorista akku
Volvo Carsin ratkaisu sähköautojen keventämiseksi on yksinkertainen: raskaiden erillisakkujen sijaan auton korista tehdään akku. Painoa säästyy jopa 250 kiloa, millä on huima merkitys, kun sähköautosta pyritään saamaan käytännössä toimiva konsepti.
