Composietmaterialen op koolstofvezelbasis gaan naar verwachting een hoofdrol spelen bij de zoektocht naar lichtere auto’s, maar de uitdagingen voor de seriebouw zijn enorm.
Steeds strengere milieu-eisen en het toenemende gebruik van auto’s in steden in ontwikkelingslanden dwingen de auto-industrie tot innovaties. Veel aandacht gaat uit naar nieuwe, lichte carrosserieën en accu’s met een lange levensduur voor hybride of volledig elektrische auto’s.
Uiterlijk in 2014 zullen alle autobouwers een hybride model aanbieden, en dat is nog maar het begin. Professor Ferdinand Dudenhöffer, hoofd van het Center for Automotive Research aan de universiteit van Duisburg-Essen in Duitsland, heeft het over een technologische verandering.
“In 2025 zal het aantal nieuwe auto’s dat alleen op fossiele brandstof loopt, wereldwijd tot 35 procent zijn gedaald”, zegt hij.
Volgens een andere prognose worden binnen tien jaar zo’n 24 miljoen hybride of elektrische auto’s per jaar verkocht. En dat is een conservatieve schatting, zegt Dudenhöffer. Alle autobouwers worstelen echter met hetzelfde probleem: het gewicht. De accu verhoogt het gewicht van een volledig elektrische auto met zo’n 250 kilo. Bij een ‘plug-in’ hybride is dat zo’n 200 kilo.
Volvo Cars werkt aan een mogelijke oplossing. Samen met onderzoekers van de afdeling Aeronautics van het Londense Imperial College hebben ingenieurs in het Zweedse Gothenburg een composietmateriaal ontwikkeld van een mengsel van koolstofvezel en polymeren, dat energie kan opnemen en vasthouden. Volvo wil in de toekomst auto’s bouwen waarvan de body als elektrochemische accu fungeert. Maar hoe ver ligt zo’n oplossing nog in het verschiet?
Per-Ivar Sellergren, ontwikkelingsingenieur bij Volvo Cars Materials Center, is optimistisch. “Als alles volgens plan verloopt, hebben we eind 2012 een prototype”, zegt hij. De kostprijs is nog wel een punt, maar composieten voor elektrische en hybride auto’s hebben de toekomst, ook al kosten ze voorlopig veel meer dan staal en aluminium.
Volgens de berekeningen van Volvo kan een motorkap van het nieuwe accumateriaal even duur worden als die van een normale motorkap plus een lithiumionaccu. “Als fabrikant kunnen we de motorkap van koolstofvezel wat duurder maken omdat de accu in feite gratis is”, zegt hij.
Volgens Ulf Carlund, de composietexpert van Volvo Cars, is de productie tot op heden te traag geweest en moesten eerdere investeringen in traditionele autofabrieken eerst worden terugverdiend. Het heeft ook te maken met het feit dat traditionele bouwers van stalen auto’s het moeilijk vinden om met composieten te werken. Er bestaat echter een sterke neiging om te veranderen, en het publiek gaat dan ook meer en meer polymerenmaterialen aan de binnen- en buitenkant van nieuwe auto’s tegenkomen, aldus experts van Volvo.
Audi heeft met de A2 van aluminium een voorloper op het gebied van lichtgewichtauto’s. In Audi’s ‘lichtgewichtcentrum’ in Neckarsulm, in Zuid-Duitsland, werken technici aan de koolstofvezeltechnologie die al wordt toegepast bij dochteronderneming Lamborghini, en aan de composiettechnologie en -expertise die is ontwikkeld voor de luxueuze Bugatti van moederbedrijf Volkswagen.
In de R8 Spyder van Audi, een sportauto die ruim 120.000 euro kost en waarvan er maar vijftien à twintig per dag gebouwd worden, past Audi koolstofvezelversterkte polymeren toe in de flanken en het dak. Een voorwaarde om deze bouwwijze kosteneffectiever te maken voor goedkopere in serie geproduceerde auto’s, is dat een aantal aluminiumonderdelen vervangen kunnen worden door een enkel koolstofvezelonderdeel. “In plaats van vijf of zes verschillende gereedschappen heb je er dan misschien maar één nodig”, aldus Karl Durst, een ontwikkelingsingenieur in Audi’s Leichtbauzentrum.
Hier worden onder andere vezels verpakt in een composietmateriaal om het gewichtsvoordeel ten opzichte van aluminium te vergroten van 17 à 18 procent tot circa 25 procent. Het gaat om een materiaal dat dezelfde belastbaarheid heeft als aluminium. Desondanks zijn er nog ettelijke grote en kleine problemen op te lossen, zegt Durst, bijvoorbeeld de corrosie in de naden tussen composieten en andere materialen. Ook is er een geluidsfactor. Met elke kilo die de auto lichter wordt, neemt het geluid toe. Dat vergt isolatie, die het gewicht weer opdrijft. Een andere uitdaging wordt het vertrouwd maken van monteurs met het materiaal. “De auto moet in de kleinste Audi-werkplaats waar ook ter wereld gerepareerd kunnen worden”, zegt Durst.
De Audi R8 Spyder sportauto heeft koolstofversterkte polymeren in de flanken en het dak.
Het Fabricageproces moet worden verbeterd. Lars Herbeck, manager van dochteronderneming Voith Composites van de Duitse machinefabriek Voith, voorziet een grote vraag op tal van gebieden. Een daarvan betreft de geoptimaliseerde stroomprocessen voor materialen en een andere de productie van meer dan honderduizend onderdelen per jaar, die ook een veel langere bewerkingstijd vergen. Vergeleken met aluminiumonderdelen, die per seconde worden gemaakt, kan een groot composietonderdeel 20 minuten tot een uur vergen. Dat werkt in de aerospace-industrie, maar niet bij de grootschalige serieproductie van de auto-industrie, waar per jaar ruim 55 miljoen auto’s gemaakt worden.
Oliver Geiger, een onderzoeker van de afdeling composietmaterialen van het Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie in Pfinztal, Duitsland, onderzoekt manieren om grote bedrijven op diverse terreinen te laten samenwerken. Durst van Audi spreekt van de behoefte om een technologische sprong te maken in plaats van op tragere evolutiemechanismes te wachten.
Ook Daimler, dat sinds 2004 koolstofvezel voor zijn raceauto de SLR McLaren gebruikt, zet zwaar in op de nieuwe technologie. In april 2010 is het bedrijf een samenwerking aangegaan met het Japanse bedrijf Toray, ‘s werelds grootste producent van koolstofvezel. Binnen drie jaar wil het bedrijf onderdelen van koolstofvezel ontwikkelen voor modellen met een gemiddeld productievolume van 20.000 à 40.000 stuks per jaar.
Aartsrivaal BMW toont intussen aanzienlijk meer lef. Samen met de Duitse partner SGL Carbon investeert BMW 100 miljoen US-dollar in een composietfabriek in Moses Lake, Washington, in de Verenigde Staten. Volgens CFO Friedrich Eichinger van BMW gaat de fabriek “grote volumes tegen concurrerende prijzen” maken. Ze willen de prijs reduceren tot minder dan de helft van de huidige prijs van koolstofvezel die momenteel in raceauto’s gebruikt wordt en die 22 à 55 US-dollar per kilo kost.
De koolstofvezel wordt op twee productielijnen gemaakt met een jaarcapaciteit van zo’n 1500 ton, en zal worden gebruikt voor de nieuwe elektrische BMW, de Megacity, een vierzits hatchback met een lithiumaccu van 35 kWh, die na een keer opladen ruim 100 km kan afleggen. Een sportieve versie met een kleine dieselmotor en twee elektromotoren moet een topsnelheid van ruim 200 km/u kunnen halen.
De Megacity zal naar verwachting in 2013-14 van de band rollen in Leipzig, waar BMW ruim 400 miljoen euro heeft geïnvesteerd. Volgens BMW wordt dit de eerste serieproductie-auto met een volledige carrosserie van licht koolstofvezelcomposiet op een aluminiumchassis. De eerste schetsen die BMW heeft vrijgegeven tonen een auto uit een sciencefictionfilm, met een accu als een platte matras onder de hele coupé, buitenmodel wielen en een dynamische, bijna agressieve uitstraling.
Het is de vraag wat het effect zal zijn op de werkvloer van een branche die al onder druk staat. “Het is een gok”, zegt een lichtgewichtspecialist bij een van BMW’s concurrenten.
Manager Norbert Reithofer is zich de risico’s ten volle bewust. Op een autocongres in Neurenberg in oktober 2010 zei hij: “Wellicht verdienen we tijdens de eerste productiecyclus niets met deze technologie, maar dan vullen we die aan met traditionele technologie.”
Serieproductie vormt een grote uitdaging voor auto’s in de toekomst.
24
miljoen hybride of elektrische auto’s worden er in 2025 jaarlijks verkocht.
35 %
van de nieuwe auto’s rijdt volgens prognoses in 2025 nog uitsluitend op fossiele brandstof.
Koolstofvezel
Composieten in de aerospace- en auto-industrie bestaan grotendeels uit epoxy of vinylester, versterkt met koolstofvezel. De voordelen van deze composieten zijn hun lage gewicht en mechanische eigenschappen zoals een grote stijfheid. Koolstofvezels splijten gemakkelijk, maar kunnen grote hoeveelheden energie absorberen. Dat is nuttig in raceauto’s waarbij altijd het risico bestaat op botsingen met hoge snelheden.
Minder geavanceerde vezelversterkte kunststoffen worden al sinds jaar en dag in de auto-industrie gebruikt. De voormalige DDR produceerde ruim drie miljoen Trabants van duroplastic, een materiaal van Russisch katoen en fenolinehars uit chemische fabrieken.
Technische achtergrond
Onzekerheid genoeg
Composieten in de aerospace-industrie vormen al een groeimarkt. Sandvik Coromant heeft veel gereedschapsoplossingen op dat vlak te bieden, zoals PCD (polykristallijn diamant) en volhardmetaalboren. In de auto-industrie bestaat er echter nog veel onzekerheid over hoeveel vraag er naar composieten gaat ontstaan.
Koolstofvezeltechnologie wordt al veel gebruikt in Formule 1-raceauto’s en in dure luxe- en sportauto’s. Maar die worden min of meer handmatig in zeer kleine aantallen vervaardigd.
“De massaproductie verkeert nog in het ontwikkelingsstadium”, zegt Francis Richt, die bij Sandvik Coromant aan composietontwikkeling werkt. “Maar we rekenen erop dat we de nieuwe materialen spoedig kunnen gebruiken om het gewicht van elektrische en hybride-auto’s omlaag te brengen.” Richt voegt eraan toe dat de apparatuur in de aerospace complexer is dan bij auto’s, met een grotere nadruk op kwaliteit en gelijktijdige verwerking van composieten en andere materialen zoals titanium.
“Auto’s zijn homogener dan vliegtuigen. Er hoeft veel minder geboord en gefreesd te worden”, zegt Richt. “We moeten wel voorbereid zijn op nieuwe ontwikkelingen, maar we zien een andere vraag in de auto-industrie dan in de zeer geavanceerde aerospace-industrie.”
Er zijn al gereedschappen die de auto-industrie kan gebruiken. De diamantsnijkant van de CoroDrill-boren van Sandvik Coromant is gunstig voor de gatkwaliteit en de productiviteit van de bewerkingsmachines.
Composieten worden al gebruikt in raceauto’s voor de Formule 1. Het is een uitdaging om de technologie van kleine series over te brengen naar de massaproductie van personenauto’s.
Hoe maak je een accu van je auto
Volvo Cars heeft een eenvoudige oplossing voor lichtere elektrische auto’s: In plaats van zware accu’s te installeren, wil het bedrijf de hele auto in een accu veranderen. Dat kan tot 250 kilogram gewicht besparen, en elke kilo telt om van de elektrische auto een succes te maken. Centraal in deze nieuwe technologie staat het gebruik van nieuwe composietmaterialen. Het werkt als volgt.
