W poszukiwaniach lżejszych samochodów kluczową rolę mogą odegrać materiały kompozytowe bazujące na włóknach węglowych, mimo że są one dużym wyzwaniem dla producentów.
Rosnące wymagania w zakresie ekologii i masowa produkcja samochodów w krajach rozwijających się zmuszają przemysł samochodowy do innowacyjnego myślenia. W centrum zainteresowania są lżejsze karoserie samochodów i bardziej wytrzymałe akumulatory w samochodach hybrydowych oraz o napędzie wyłącznie elektrycznym.
Do 2014 r. prawie wszyscy producenci samochodów będą mieli w swojej ofercie auta hybrydowe. Ferdinand Dudenhöffer, profesor i dyrektor Center for Automotive Research na Uniwersytecie Duisburg-Essen w Niemczech, mówi o przełomie technologicznym.
– W roku 2025 auta napędzane wyłącznie silnikiem spalinowym będą stanowić jedynie 35 wszystkich samochodów na świecie – twierdzi profesor Dudenhöffer.
Inne prognozy przewidują, że za 10 lat rocznie będzie się sprzedawać 24 miliony samochodów elektrycznych i hybrydowych. Wszyscy producenci samochodów borykają się z tym samym problemem – ich wagą. Po zainstalowaniu akumulatora waga samochodu elektrycznego zwiększa się o 250 kg, a samochodu hybrydowego – o 200 kg.
Firma Volvo Cars być może zaproponuje rozwiązanie tego problemu. Razem z naukowcami z Departamentu Aeronautyki należącego do Imperial College w Londynie inżynierowie szwedzkiej fi rmy opracowali kompozyt z osnową polimerową i wzmocnieniem z włókien węglowych, który może być naładowany i magazynować energię elektryczną. Oznacza to, że w przyszłości karoseria samochodu będzie baterią elektrochemiczną. Ale kiedy to rozwiązanie wejdzie do produkcji?
Per-Ivar Sellergren, inżynier ds. rozwoju w Volvo Cars Materials Center, jest optymistą. – Wygląda na to, że będziemy mieli prototyp w postaci bagażnika samochodu w roku 2012. Sellergren podkreśla, że nowy model będzie lżejszy od konstrukcji ze stali i aluminium,a przyszłość należy właśnie do samochodów hybrydowych i elektrycznych zbudowanych z kompozytów.
Według wyliczeń Volvo koszt maski silnika, będącej równocześnie akumulatorem, będzie podobny do kosztu tradycyjnej maski i akumulatora litowo-jonowego. – Jako producenci możemy sobie pozwolić na droższą maskę, gdyż w rezultacie uzyskujemy za darmo akumulator – mówi Sellergren.
Według Ulfa Carlunda, eksperta ds. kompozytów w Volvo Cars, metody produkcyjne były dotychczas zbyt powolne. Częściowo wynika to z faktu, że producenci tradycyjnych samochodów ze stali nie nauczyli się pracować z kompozytami. W branży widać jednakże dużą determinację do zmian – we wnętrzu i w karoseriach nowych samochodów można znaleźć, według ekspertów z Volvo, coraz więcej materiałów polimerowych.
Liderem w produkcji lekkich samochodów jest Audi, które wyprodukowało aluminiowy A2. W centrum badawczo-rozwojowym tej fi rmy ds. lekkich samochodów w Neckarsulm, w południowych Niemczech, inżynierowie pracują z technologiami włókien węglowych już stosowanymi w samochodach należącej do Audi fi rmy Lamborghini oraz w samochodach fi rmy Bugatti z grupy Volkswagena.
W karoserii samochodu Audi R8 Spyder, kosztującego, bagatela, 120 000 euro, którego dzienna produkcja wynosi jedynie 15-20 egzemplarzy, Audi zastosowało polimery wzmocnione włóknem węglowym. Jednym ze sposobów taniej produkcji takich samochodów jest zastąpienie szeregu elementów aluminiowych jednym elementem z włókna węglowego. – Zamiast sześciu różnych narzędzi potrzebne więc będzie może tylko jedno – mówi Karl Durst, inżynier ds. rozwoju w centrum do spraw lekkich samochodów firmy
Centrum zajmuje się między innymi tworzeniem materiałów kompozytowych z udziałem włókna węglowego, przez co waga zmniejsza się o 25 procent, zamiast, jak w przypadku aluminium, o 17-18 procent. Przy czym te nowe materiały mają taką samą odporność na rozciąganie i zgniatanie jak aluminium. Mimo to nadal istnieje, według Dursta, kilka problemów do rozwiązania, na przykład korozja w połączeniach między kompozytami i innymi materiałami. Innym problemem jest hałas. Każdy oszczędzony kilogram wagi zwiększa hałas, przez co powstaje konieczność dodatkowej izolacji, co z kolei zwiększa wagę. Wyzwaniem będzie też brak wiedzy na temat nowych materiałów u mechaników. – Naprawa takiego Audi powinna być możliwa w każdym miejscu na świecie i wszędzie powinny być dostępne części zamienne – podkreśla Durst.
W samochodzie sportowym Audi R8 Spyder wzmocnione włóknem węglowym polimery są stosowane w konstrukcji dachu.
Należy ulepszyć proces produkcji. Lars Herbeck, kierownik fi rmy Voith Composites, należącej do niemieckiego producenta maszyn Voith, przewiduje znaczny wzrost zapotrzebowania w różnych obszarach. Jeden z nich to zoptymalizowane procesy przepływu materiałów, inny to szybsze wytwarzanie ponad 100 000 elementów rocznie, a także szybszy cykl produkcyjny. W porównaniu do części aluminiowych, które mogą być wytwarzane w tempie jeden na sekundę, wykonanie większego elementu kompozytowego może zająć od 20 minut do godziny. Jest to do przyjęcia w przemyśle lotniczym, ale nie w samochodowym, który produkuje ponad 55 milionów samochodów rocznie.
Oliver Geiger, pracownik naukowy w dziedzinie materiałów kompozytowych w Fraunhofer- Institut für Chemische Technologie w Pfi nztal, w Niemczech, szuka sposobów współpracy między fi rmami należącymi do różnych sektorów. Z kolei Durst z fi rmy Audi mówi o potrzebie przełomu technologicznego.
Również fi rma Daimler, która od 2004 r. stosuje włókna węglowe w swoim samochodzie wyścigowym SLR McLaren, jest świadoma konieczności rozwoju technologii kompozytowych. W kwietniu 2010 r. rozpoczęła ona współpracę z japońską fi rmą chemiczną Toray, czołowym światowym producentem włókien węglowych. Jej celem jest opracowanie w ciągu trzech lat przedmiotów z kompozytów z włóknem węglowym dla modeli samochodów produkowanych w liczbie 20 000 do 40 000 rocznie.
Arcyrywal, fi rma BMW, idzie jednak jeszcze dalej. Razem z niemieckim partnerem SGL Carbon BMW inwestuje 100 milionów dolarów USA w fabrykę kompozytów w Moses Lake, w stanie Washington, w USA. Według Friedricha Eichingera, dyrektora fi nansowego BMW, fabryka będzie produkować, po raz pierwszy na świecie, duże ilości w miarę tanich włókien węglowych. Celem jest obniżenie ich ceny o połowę. Dziś te materiały kosztują 22 do 55 USD za kilogram.
Włókna węglowe będą wytwarzane na dwóch liniach produkcyjnych, roczna produkcja wyniesie 1500 ton, a produkt znajdzie zastosowanie w nowym samochodzie elektrycznym fi rmy BMW – Megacity Vehicle – hatchbacku z czterema siedzeniami i akumulatorem litowym magazynującym 35 kWh energii. Samochód będzie mógł przejechać ponad 100 kilometrów bez doładowania. Sportowa wersja tego modelu, z dodatkowym małym silnikiem wysokoprężnym i dwoma silnikami elektrycznymi będzie w stanie osiągnąć maksymalną prędkość ponad 200 km/h.
Megacity zacznie w latach 2013-2014 zjeżdżać z linii produkcyjnych w Lipsku, gdzie BMW zainwestowało ponad 400 milionów euro. Według BMW będzie to pierwszy na świecie masowo produkowany samochód z kabiną pasażerską wykonaną z lekkiego kompozytu z włóknem węglowym i podwoziem z aluminium. Rysunki pokazują samochód z akumulatorem będącym jakby płaskim materacem pod karoserią.
– To z ich strony spore ryzyko – twierdzi specjalista z fi rmy konkurencyjnej.
Kierownik Norbert Reithofer jest tego w pełni świadom. Na konferencji w Norymberdze w październiku 2010 r. powiedział: – Możliwe, że na początku nie zarobimy na tym projekcie, ale będziemy go subsydiować z zysków z tradycyjnej produkcji.
Produkcja taśmowa nie będzie w przyszłości oczywistością w przemyśle samochodowym.
24
Tyle milionów sztuk nowych samochodów elektrycznych i hybrydowych znajdzie nabywców w 2025 r.
35%
nowych samochodów w roku 2025 r. będzie napędzanych wyłącznie silnikami spalinowymi.
Włókno węglowe
Kompozyty stosowane w przemyśle lotniczym i samochodowym składają się przeważnie z osnowy z estrów epoksydowych lub winylu ze wzmocnieniem z włókien węglowych. Ich zaletami jest niska waga oraz własności mechaniczne takie jak duża sztywność. Włókna węglowe łatwo się rozszczepiają, ale mogą również absorbować duże ilości energii. Jest to niezbędne w wyścigach samochodowych, gdzie pojazdy narażone są na kolizje przy wysokich prędkościach.
Mniej zaawansowane materiały plastikowe wzmocnione włóknami węglowymi od dawna są stosowane w przemyśle samochodowym. W byłym NRD wyprodukowano ponad trzy miliony Trabantów z duroplastu będącego mieszaniną bawełny i żywic fenolicznych wytwarzanych w zakładach chemicznych.
Zagadnienia techniczne
Wiele niepewności
Produkcja materiałów kompozytowych dla przemysłu lotniczego ma niewątpliwie przed sobą przyszłość. Sandvik Coromant oferuje wiele rozwiązań narzędziowych dla tego obszaru, na przykład wiertła z PCD (diament polikrystaliczny) i z węglika spiekanego. W przemyśle samochodowym panuje jednak spora niepewność co do obróbki materiałów kompozytowych.
Technologia włókien węglowych jest już od dawna stosowana do budowy bolidów Formuły 1 i drogich samochodów sportowych i luksusowych. Ale są to pojazdy wykonywane praktycznie ręcznie, w niewielkiej liczbie sztuk.
– Jeśli chodzi o produkcję masową, to nadal jesteśmy na etapie badań i prototypów – mówi Francis Richt, pracujący z kompozytami w firmie Sandvik Coromant. – Ale wierzymy, że te materiały już wkrótce pozwolą na znaczną redukcję wagi samochodów elektrycznych i hybrydowych. Richt dodaje, że zastosowanie tych materiałów w przemyśle lotniczym jest bardziej skomplikowane niż w przemyśle samochodowym, gdyż wymaga ono wysokiej jakości prowadzonej jednocześnie obróbki zestawów z kompozytów i innych materiałów, takich jak stopy tytanu.
– Samochody są mniej złożone niż samoloty, co zmniejsza potrzebę wiercenia otworów i frezowania powierzchni – mówi Richt. – Niemniej w przemyśle samochodowym istnieje wiele zastosowań podobnych do tych w przemyśle lotniczym.
Wiele narzędzi można już dziś przenieść z fabryk samolotów do fabryk samochodów, na przykład wiertła z rodziny CoroDrill firmy Sandvik Coromant.
Kompozyty są już stosowane w bolidach Formuły 1. Teraz wyzwaniem jest zastosowanie tej ekskluzywnej technologii w masowej produkcji samochodów.
Jak przekształcić samochód w akumulator
Volvo Cars proponuje bardzo proste rozwiązanie dotyczące lekkich samochodów elektrycznych: Zamiast instalować ciężkie akumulatory, cały samochód staje się akumulatorem. Pozwala to zaoszczędzić nawet 250 kg wagi, a przecież każdy kilogram ma tu znaczenie. Istota tej nowej techniki to zastosowanie materiałów kompozytowych: Oto jak ta metoda funkcjonuje:
