A szénszálalapú kompozit anyagok várhatóan döntő szerephez jutnak a könnyebb autók kifejlesztését célzó kutatásokban annak ellenére, hogy tömegtermelésük komoly kihívásokat támaszt.
Szigorúbb környezetvédelmi követelmények és a gépjárművek használatának folyamatos növekedése a bővülő városokban újfajta gondolkodásmódra késztette az autóipart. Középpontba került az új, könnyű súlyú karosszéria és az akkumulátorok élettartama legyen szó akár a hibrid, akár a tisztán elektromos autókról.
Legkésőbb 2014-ig csaknem valamennyi gyártó választékában szerepel majd hibrid autót, és ez csak a kezdet. Ferdinand Dudenhöffer a németországi Duisburg-Essen-i Egyetem Autóipari Kutatóközpontjának professzora és vezetője beszél a technológia változásáról.
„2025-re a pusztán csak ásványi fűtőanyaggal futó új autók aránya globálisan 35 százalékra fog csökkenni” – mondja.
Egy másik előrejelzés szerint tíz éven belül évente világméretekben mintegy 24 millió hibrid vagy elektromos autót fognak értékesíteni. Ez a szám visszafogott becslésen alapul – jegyzi meg Dudenhöffer. Minden autógyártó ugyanazzal a gonddal szembesül majd, és ez pedig a súly. Ha a járműbe beépítik az akkumulátort, a tisztán elektromos autó súlya mintegy 250 kilóval több lesz, egy a háztartási hálózathoz köthető plug-in hibrid autó esetében a súlynövekedés 200 kilogramm.
A Volvo Cars cég a lehetséges megoldáson munkálkodik. A londoni Imperial College légügyi fakultásának kutatóival karöltve a svédországi Gothenburg mérnökei olyan kompozit anyaggal álltak elő, amely a szénszál és a polimer vegyítéke, és képes az energia feltöltésére és tárolására. Az ötlet az, hogy a jövőbeli Volvo autók olyan karosszériával rendelkezzenek, amelyek valójában elektrokémiai akkumulátorként funkcionálnak. De milyen mesze vagyunk egy ilyen megoldástól?
Per-Ivar Sellergren, a Volvo Cars anyagközpontjának fejlesztő mérnöke derűlátó. „Ha minden a terv szerint alakul, akkor 2012 végére rendelkezünk majd az autó motorházának prototípusával” – mondja. A költség ugyan fontos tényező, de Sellegren szerint ha ez az autó motorháza lényegesen drágább is lesz, mint az acél vagy az alumínium motorház, a jövőt az elektromos és a hibrid autók kompozit anyagai jelentik.
A Volvo számításai szerint az új akkumulátor anyagból gyártott motorháztető költsége akkora lehet, mint egy eredeti motorházé, plusz egy lítium-ion akkumulátoré. „Mi, a gyártók többletösszeget adhatunk a szénszálas motorháztetőhöz, mivel valójában ingyen jutunk az akkumulátorhoz” – jegyzi meg.
Ulf Carlund, a Volvo Cars kompozit szakértője szerint mostanáig a gyártási módszerek túlságosan lassúak voltak, és a hagyományos autóalkatrészek gyártásába eszközölt korábbi befektetéseket is ki kellett aknázni. Ebben részben közrejátszott az is, hogy a fémekből és ötvözeteikből készülő autók gyártói nehezen tudták megérteni a kompozitokat és azokkal dolgozni. Ugyanakkor erőteljes a változtatás iránti igény, és az emberek egyre több polimer anyagot látnak majd az autók belsejében és külsején – vélik a Volvo szakértői.
Az Audi az A2-es alumínium autója révén a könnyű autók gyártásának egyik éllovasa. A vállalatnak a dél-németországi Neckarsulmban lévő „könnyűsúlyú” központjában az Audi mérnökei olyan szénszálas technológiára építenek, amelyet már használ a cég leányvállalata, a Lamborghini, egyben olyan kompozit technológiára/szakértelemre támaszkodnak, amelyet a Volkswagen anyacég luxus Bugatti modelljénél használnak.
Az Audi R8 Spyder sportautó több mint 120 000 euróba kerül, és abból naponta csak mintegy 15–20 darabot állítanak elő. Az Audi e jármű esetében szénszállal megerősített polimert használ mind az oldalaknál, mind pedig a tetőelemnél. Annak egyik előfeltétele, hogy az olcsóbb, sorozatban gyártott autó költséghatékony legyen az, hogy számos alumínium alkatrészt egyetlen szénszálas alkatrésszel helyettesítsenek. „Öt vagy hat eltérő szerszám helyett lehetséges, hogy csak egyetlen szerszámra lesz szükség” – mondja Karl Durst, az Audi Leichtbauzentrumának mérnöke.
Ebben a könnyűgyártó központban a szálakat kompozit anyagokkal vegyítik, hogy fokozzák az alumíniumhoz képesti súlyelőnyöket a 17–18 százalékról mintegy 25 százalékra. A projekt sikere egy olyan anyagtól függ, amelynek szakító és nyomószilárdsága azonos az alumíniuméval. Ennek ellenére számos nagyobb és kisebb problémát kell még megoldani – jegyzi meg Durst, nem utolsósorban a kompozitok és más anyagok érintkezésénél keletkező korrózió gondját. És ott van a zajtényező is. Minden egyes kiló, amivel az autó könnyebb lesz, növeli a zajszintet, ami olyan szigetelést igényel, amely viszont többletsúlyt okoz. További kihívást fog jelenteni, hogy miként barátkoznak majd meg az anyaggal az autószerelők. „Az autókat ki kell tudni javítani és kicserélni a kompozit alkatrészeiket mindenütt a világon, még a legkisebb Audi műhelyben is” – mondja Durst.
Az Audi R8 Spyder sportautónál szénszállal megerősített polimert használnak az autó mindkét oldalánál és a tetőrészen.
Javítani kell a gyártási eljárást. Lars Herbeck, aki a német Voith cég Voith Composites nevű leányvállalatának vezetője, több területen jelentős felfutást vár. Az egyik ilyen terület az anyagmegmunkálási folyamat optimalizálása, a másik a több mint évi 100 000 részegység legyártása, és a gyorsabb ciklusidő megteremtése. Minden másodpercben legyártható egy alumínium alkatrész, ezzel összevetve, a nagyobb kompozit alkatrészek gyártása 20 perctől egy óráig is eltarthat. Ez elfogadható a repülőgépiparban, de nem az autóipar nagy mennyiségű, gyártósori összeszerelésénél. A gyártósorokról évente világszerte 55 millió autó kerül ki.
Oliver Geiger, aki a németországi Pfinztal Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie kutatóintézet kompozit anyagok részlegének kutatója, keresi a nagyvállalatok együttműködési lehetőségeit a különböző szektorokban. Durst az Auditól a technológia terén történő ugrás fontosságát hangsúlyozza, szemben a lassúbb ütemű fejlődéssel.
A Daimler, amely 2004 óta, az SLR MCLaren versenyautójában használja a szénszálas anyagokat, szintén erőteljesen összpontosít a technológiai fejlődésre. 2010 áprilisában együttműködésre lépett a japán Toray vegyipari céggel, amely a szénszálak világpiaci vezető vállalata. A vállalat célja, hogy három éven belül évente átlagosan 20 000-től 40 000 autó számára fejlessze fel a szénszálas alkatrészek gyártását.
Ugyanakkor a konkurens BMW sokkal merészebb. Német partnerével, az SGL Carbon BMW-vel 100 millió dollárt fektet be egy kompozit gyárba az Egyesült Államokban a Washington állambeli Moses Lake-ben. A BMW pénzügyi vezetője, Friedrich Eichinger szerint ez az üzem első ízben lesz képes kompozitok „nagy mennyiségben, versenyképes áron” történő gyártására. A szándék az, hogy a szénszálak ára a mostaninak, a versenyautókban használt anyag kilónkénti 22–55 dolláros árának a felére csökkenjen.
A szénszálat két, évi 1500 tonna kapacitású gyártósoron állítják majd elő, és az anyagot az új BMW elektromos autóknál, a Megacity Vehicle-nél, a négyüléses, 35 kWh-s lítium akkumulátorral felszerelt autónál használják majd fel. Ez az autó egy feltöltéssel több mint 100 kilométer megtételére képes. Sportautó változata, amelyet egy további kis dízelmotorral és két elektromos motorral is ellátnak, több mint 200 kilométeres óránkénti sebesség elérésére képes.
A Megacity várhatóan 2013–2014-ben gördül majd le a szerelőszalagról Lipcsében, ahol a BMW 400 millió eurós beruházást hajt végre. A BMW szerint a Megacity lesz a világon az első olyan sorozatban gyártott autó, amelynek alumínium alvázon lévő utastere teljes egészében könnyű szénszálból készül. Az autó, a BMW által közzétett első vázlatok alapján úgy néz ki, mintha egy sci-fi filmből lépett volna elő, akkumulátora olyan mint egy lapos matrac a kupé egésze alatt húzódva, és a kocsi túlméretezett kerekekkel, dinamikus, már-már agresszív külsővel rendelkezik.
Az majd kiderül, milyen hatása lesz mindennek üzemi szinten egy olyan iparágban, amely már most is nyomás alatt áll. „Ez egy hazárdjáték”– mondja a BMW egyik versenytársának könnyűanyag szakértője.
Norbert Reithofer igazgató tökéletesen tisztában van a kockázatokkal. Egy 2010 októberében Nürnbergben rendezett autókonferencián közölte: „Elképzelhető, hogy ezzel a technológiával a gyártás első időszakában semmilyen pénzhez nem jutunk, és akkor azt finanszíroznunk kell a hagyományos technológiával gyártott autóink eladásából.”
A jövő autóinak összeszerelő soron történő gyártása komoly kihívást jelent.
24
millió hibrid vagy elektromos autót fognak értékesíteni 2025-ig
35%
ilyen arányban fut majd új autó 2025-ben ásványi üzemanyaggal a becslések szerint
Szénszál
A repülőgépiparban és az autóiparban használt kompozitokat döntően szénszállal megerősített epoxiból vagy vinylester gyantából gyártják. Ezeknek a kompozitoknak az előnye, hogy könnyűek és jók a mechanikai tulajdonságaik, köztük a szilárdságuk. A szénszálak könnyen hasadnak, de könnyen alakíthatók át úgy, hogy jelentős energiákat nyeljenek el. Ez fontos a versenyautók esetében, amelyek a nagy sebesség melletti frontális ütközések veszélyének vannak kitéve.
A kevésbé korszerű, szálakkal megerősített műanyagokat már régóta használják az autóiparban. A volt Kelet-Németországban több mint 3 millió Trabantot gyártottak hőre keményedő (duroplastic) műanyagból, amit szovjet vegyi üzemekben állítottak elő gyapotból és fenolgyantából.
TECHNOLÓGIAI KITEKINTÉS
Bizonytalansággal teli
A kompozitok repülőgépipari felhasználása most is bővülő piacot jelent. A Sandvik Coromant számos szerszámmegoldási ajánlattal rendelkezik e területen, köztük a PCD (polikristályos gyémánt) és a keményfém fúrókkal. Ugyanakkor az autóiparban még sok a bizonytalanság azzal kapcsolatban, hogy mekkora lesz a kompozitok iránti igény.
A szénszálas technológia már stabilan teret nyert a Forma-1-es autókban, a drága luxus- és sportkocsik esetében. Ám ezeket az autókat többé-kevésbé egyedileg gyártják, kis számban.
„A tömegtermelést érintően most még a kutatási, fejlesztési fázisban vagyunk” –mondja Francis Richt, aki a Sandvik Coromantnál a kompozitok fejlesztésén dolgozik. „Arra számítunk azonban, hogy ezt az új anyagot hamarosan használni fogják az elektromos és a hibrid autók súlyának csökkentése érdekében.” Richt ehhez hozzáteszi, hogy a repülőgépipari berendezések sokkal összetettebbek, mint az autóiparban használatosak, az előbbieknél a minőségnek és egyidejűleg a kompozitok és más anyagok, köztük a titán felhasználásának nagyobb jelentősége van.
„Tudjuk, hogy az autók szerkezete sokkal egységesebb, mint a repülőgépeké, és emiatt nem kell ezernyi furatot megmunkálni és nagyobb felületeket marni – mondja Richt. Ugyanakkor fel kell készülnünk más jellegű furatok és süllyesztékek gyártására. Mindemellett az autóiparban a nagyon fejlett repülőgépiparhoz képest más igényekre számítunk.”
Ma már bizonyos szerszámok használhatók az autóiparban. Például a Sandvik Coromant CoroDrill drillshave gyémántfelületének köszönhetően nő a furatminőség és így az adott gép teljesítménye.
Kompozitokat már használnak a Forma-1-es versenyautóknál. Kihívást jelent, hogy a kis számban használt technológiát miként alkalmazzák a személyautók gyártásának tömegtermelésében.
Hogyan változtatható az autó karosszériája akkumulátorrá?
A Volvo Cars egyszerű megoldással rendelkezik a könnyebb elektromos autókat érintően: a vállalat abban bízik, hogy a nehéz akkumulátorok autótestet akkumulátorrá tudja változtatni. Ezzel 250 kiló súlycsökkenést is elérhetnek, – minden egyes kiló döntő fontosságú az elektromos autó megvalósításánál. Az új technika középpontjában az új kompozit anyagok állnak. A megoldás az alábbiak szerint működik:
