Kolfiberbaserade kompositmaterial förväntas spela en huvudroll i jakten på lättare bilar – trots de enorma utmaningar det innebär för tillverkningen.
Tuffare miljökrav och den konstant ökande bilismen i städer i utvecklingsländer har tvingat bilindustrin att tänka i nya banor. I fokus är nu nya lättviktskarosser och livslängden för batterier, antingen till hybridbilar eller helt elektriska bilar.
Senast 2014 kommer de allra flesta biltillverkare att erbjuda hybridbilar – och det är bara början. Ferdinand Dudenhöffer, professor och chef för Center for Automotive Research vid tyska DuisburgEssens universitet, talar om ett teknikskifte.
”År 2025 kommer den globala andelen bilar som enbart drivs med bensin att ha sjunkit till 35 procent”, säger han.
En annan prognos hävdar att 24 miljoner hybrid eller elbilar kommer att säljas årligen inom tio år. Dudenhöffer menar att den här siffran är för låg. Alla biltillverkare kommer dock att brottas med samma problem – vikt. När batteriet installeras ökar en helt elektrisk bils vikt med ungefär 250 kilo. För en pluginhybrid är siffran cirka 200 kilo.
Volvo Personbilar arbetar på en möjlig lösning. I samarbete med forskare vid avdelningen för aeronautik vid Imperial College i London har ingenjörer i Göteborg tagit fram ett kompositmaterial som består av en blandning av kolfibrer och polymer som kan generera och lagra energi. Tanken är att Volvos bilar i framtiden ska ha en kaross som fungerar som ett elektrokemiskt bilbatteri. Men hur långt borta är en sådan lösning?
PerIvar Sellergren, utvecklingsingenjör vid Volvo Cars Materials Center, är optimistisk. ”Om allt går enligt planerna kommer vi att ha en prototyp i form av ett bagageutrymme framme vid slutet av 2012”, säger han. Kostnaden är ett problem, men Sellergren säger att även fast kompositer fortfarande är betydligt dyrare än stål och aluminium är det där framtiden finns för hybrid- och elbilar.
Enligt Volvos beräkningar kan kostnaden för en motorhuv av det nya batterimaterialet bli lika hög som för en originalhuv plus ett litiumjonbatteri. ”Som tillverkare kan vi addera en extra summa för kolfiberhuven eftersom vi, i effekt, får batteriet utan kostnad”, säger Sellergren.
Enligt Ulf Carlund, Volvo Personbilars kompositexpert, har produktionsmetoderna hittills varit alltför långsamma. Tidigare investeringar i traditionella bilfabriker har också behövt utnyttjas. Det beror även delvis på att tillverkare av traditionella bilar av stål har haft svårt att tänka om och arbeta med kompositer. Men det finns en stark förändringsvilja och allmänheten kommer att få se mer polymermaterial både in och utvändigt i nya bilar enligt Volvos experter.
På grund av sin aluminiumbil A2 har Audi blivit en pionjär inom tillverkningen av lättviktsbilar. Vid företagets Leichtbauzentrum – ”lättviktscenter” – i Neckarsulm i södra Tyskland bygger Audis ingenjörer vidare på den kolfiberteknik som redan används av dotterföretaget Lamborghini, men även på den teknik och expertis inom kompositer som utvecklats för moderföretaget Volkswagens lyxmodell Bugatti.
I sportbilen Audi R8 Spyder, som kostar mer än 120 000 euro och endast tillverkas med en takt på ungefär 15–20 stycken per dag, använder Audi kolfiberförstärkta polymerer i både sidorna och taket. En förutsättning för att kunna göra det kostnadseffektivt i billigare, massproducerade bilar är att ett antalaluminiumkomponenter skulle kunna bytas ut mot en enda komponent av kolfiber. ”I stället för fem eller sex olika verktyg kanske man bara behöver en”, säger Karl Durst, utvecklingsingenjör vid Audis Leichtbauzentrum.
Ett av flera projekt här är att packa in fibrer i ett kompositmaterial för att öka viktfördelen jämfört med aluminium; från cirka 17–18 procent till ungefär 25 procent. Projektet handlar om ett material med samma förmåga för drag- och tryckbelastning som aluminium. Trots detta återstår det att lösa flera både mindre och större problem enligt Durst, inte minst korrosionen i fogarna mellan kompositerna och andra material. Det är också en fråga om buller. För varje kilo som bilens vikt minskar ökar bullernivån, vilket gör det nödvändigt med isolering. Det i sin tur adderar vikt. Något som också kommer att bli en utmaning är att göra materialet känt bland de mekaniker som ska hantera det. ”Det måste gå att fixa bilen och byta ut bildelar av kompositer även i den minsta Audiverkstad, oavsett var du är i världen”, säger Durst .
I sportbilen Audi R8 Spyder finns kolfiberförstärkta polymerer i karossen..
Produktionsprocessen behöver förbättras. Lars Herbeck, som är chef för den tyska maskintillverkaren Voiths dotterbolag Voith Composites, förutser stora behov inom flera områden. Ett är en optimerad produktionsprocess av material, ett annat en jämn produktionstakt för mer än 100 000 komponenter om året och ytterligare ett är mycket snabbare tillverkningscykler. Jämfört med aluminiumkomponenter, som kan tillverkas varje sekund, kan det ta från 20 minuter till en timme större kompositkomponenter. Det räcker inom flygindustrin, men inte för bilindustrins storskaliga monteringslinjer med en sammanlagd årlig global produktionsvolym på mer än 55 miljoner bilar.
Oliver Geiger, forskare vid avdelningen för kompositer vid det tyska forskningsinstitutet Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie i Pfinztal, tittar på sätt att få stora bolag att samarbeta inom olika områden. Durst hos Audi talar om behovet av att ta ett stort steg framåt inom tekniken, snarare än att lita på en kontinuerlig utvecklingstakt.
Daimler, som har använt kolfiber i sin racerbil SLR McLaren sedan 2004, har också en kraftig fokus på teknikutveckling. I april 2010 inledde företaget ett samarbete med det japanska kemiföretaget Toray, som är världens ledande tillverkare av kolfiber. Daimlers mål är att inom tre år utveckla komponenter av kolfiber till bilmodeller som har en genomsnittlig tillverkningsvolym på 20 000 till 40 000 bilar per år.
Samtidigt är Daimlers tyska ärkerival BMW avsevärt mycket modigare. Tillsammans med sin tyska partner SGL Carbon investerar BMW 100 miljoner amerikanska dollar i en kompositfabrik i Moses Lake, Washington, USA. Enligt BMW:s ekonomichef Friedrich Eichinger kommer fabriken att tillverka ”stora kvantiteter till konkurrenskraftiga priser” för första gången. Målet är att minska materialkostnaden till mindre än hälften av dagens kolfiberpris. Det kolfiber som används i dagens racerbilar har ett kilopris på mellan 22 och 55 dollar.
Kolfibret kommer att tillverkas vid två produktionslinjer med en årlig kapacitet på omkring 1 500 ton. Det kommer att användas i BMW:s nya elbil Megacity Vehicle, en fyrsitsig halvkombi med ett litiumbatteri på 35 kilowattimmar. Den kommer att kunna köra mer än 10 mil på en laddning. En sportbilsvariant som dessutom har en liten dieselmotor och två elmotorer ska kunna nå en topphastighet på mer än 200 kilometer i timmen.
Någon gång 2013–2014 förväntas Megacity rulla av produktionslinjen i Leipzig, där BMW har investerat mer än 400 miljoner euro. Enligt BMW kommer det att vara världens första massproducerade bil med en hel kupé tillverkad av lätt kolfiberkomposit som monterats på ett aluminiumchassi. På de första skisserna som BMW har släppt ser man en bil som liknar något som hämtats direkt från en sciencefictionfilm, med ett batteri som ser ut som en platt madrass under hela kupén, överdimensionerade hjul och en dynamisk, nästan aggressiv formgivning.
Det återstår att se vilken effekt det egentligen får på fabriksgolvet i en bransch som redan går på knäna. ”De spelar ett högt spel”, säger en lättviktsspecialist hos en av BMW:s konkurrenter.
Chefen Norbert Reithofer är också helt införstådd med riskerna. Vid en bilkonferens i Nürnberg i oktober 2010 sade han: ”Det är möjligt att vi inte kommer att tjäna några pengar på den här teknikens första produktionscykel, men i så fall kommer den att subventioneras av traditionella tekniker”.
Löpande bandtillverkning av bilar innebär en stor utmaning i framtiden.
24
miljoner hybridbilar kommer att säljas varje år 2025.
35 %
av alla nya bilar kommer enligt beräkningar att drivas enbart med bensin 2025 .
Kolfiber
De kompositer som används inom flyg- och bilindustrierna är oftast uppbyggda av epoxi eller vinylester som förstärkts med kolfiber. Dessa kompositers fördelar är deras låga vikt och mekaniska egenskaper, som exempelvis hög styvhet. Kolfibrer sönderdelas lätt, men de kan också formas för att ta upp stora mängder energi. Detta är nödvändigt i racerbilar som riskerar att frontalkrocka i mycket höga hastigheter.
Mindre avancerade fiberförstärkta plaster har använts länge inom bilindustrin. I före detta Östtyskland tillverkades mer än tre miljoner Trabant-bilar av duroplast som bestod av återvunnen överskottsbomull från Sovjetunionen och fenolharts från kemifabriker.
TEKNISKA INSIKTER
Stor osäkerhet
Kompositer inom flygindustrin är redan en tillväxtmarknad. Sandvik Coromant erbjuder många verktygslösningar inom området, bland annat PCD (polykristallin diamant) och hårdmetallborrar. Inom bilindustrin råder dock fortfarande stor osäkerhet kring vilka behov av kompositer som faktiskt kommer att finnas.
Kolfiberteknologi är väletablerad inom tillverkningen av Formel 1-racerbilar, men även av dyra lyxbilar och sportbilar. Men här handlar det om bilar som tillverkas mer eller mindre för hand i mycket små antal.
”Om vi tittar på massproduktion är vi fortfarande på forsknings- och utvecklingsstadiet. Men vi räknar med att detta nya material snart kommer att användas för att minska vikten på el- och hybridbilar”, säger Francis Richt, som arbetar med kompositutveckling hos Sandvik Coromant. Han säger vidare att tillämpningarna inom flygindustrin är mer komplexa än för fordon med högre kvalitetskrav och samtidig bearbetning av kompositer och andra material som titan.
”Vi är medvetna om att bilar har en mer homogen konstruktion än flygplan, vilket bland annat minskar behovet av att borra tusentals hål och fräsa stora ytor. Å andra sidan måste vi vara beredda på behov av att skapa nya hål och fördjupningar. Hur som helst ser vi andra behov i bilindustrin jämfört med den mycket avancerade flygindustrin”, säger Richt.
Det finns redan i dag verktyg som kan användas inom bilindustrin. Exempelvis har Sandvik Coromants CoroDrill-borrar en diamantyta som förbättrar hålkvaliteten och prestandan hos användarnas maskiner.
Kompositer används redan i Formel 1-racerbilar. Utmaningen är att skala upp användningen från denna nischtillverkning till massproduktion av personbilar.
Så här blir en bilkaross ett batteri
Volvo Personbilars lösning för att göra lättare elbilar är enkel: i stället för att installera tunga batterier hoppas bolaget kunna förvandla hela bilen till ett batteri. Vikten skulle kunna minska med upp till 250 kilo och varje kilo är mycket viktigt när det gäller att få elbilar att fungera på riktigt. Kärnan i den här nya tekniken är användningen av nya kompositmaterial. Så här fungerar det:
