gebruik van lichtgewicht materialen in voertuigen jasper ... · onderstaande edison2. figuur 5 met...
TRANSCRIPT
1
Gebruik van lichtgewicht materialen in voertuigen
Jasper Kelderman
IA – San Francisco
Op 1 augustus 2012 verscheen het rapport 'Advancing Technology for America’s
Transportation Future', geschreven in opdracht van Secretary Chu van het
Amerikaanse Department of Energy (DoE). Het rapport, waaraan driehonderd
experts twee jaar hebben gewerktgewerkt adviseert Secretary Chu over
toekomstige voertuigtechnologie. Lichtgewicht materialen krijgen hier een
belangrijke rol, omdat het minder energie vraagt om een lichter voorwerp te
versnellen.
Schattingen van het DoE geven aan dat een gewichtsreductie van tien procent leidt
tot zes à acht procent minder brandstofverbruik - en dus minder emissie. Onder
leiding van het DoE hebben verschillende organisaties onderzoeksprogramma’s
op het gebied van lichtgewicht materialen voor de automobielindustrie opgezet.
Het doel is de ontwikkeling en validatie van geavanceerde materialen en
productietechnologieën om zo veilig, duurzaam en kostentechnisch verantwoord
een significante gewichtsreductie te bereiken.
Gewichtsreductie kan op korte termijn worden bereikt door zware stalen
onderdelen te vervangen door hoog-sterkte staal, aluminium, titanium en
glasvezelversterkte composieten. Voor deze materialen zijn de eigenschappen en
productieprocessen al ver doorontwikkeld. Voor verdere gewichtsreductie op
langere termijn komen geavanceerde materialen zoals magnesium en
koolstofvezel versterkte materialen in beeld. Die vragen nog uitgebreid onderzoek
om een beter begrip van de materiaaleigenschappen te krijgen en om
kostenreducties te bereiken. Figuur 1 geeft een inschatting van het gebruik van
verschillende typen materialen in een auto vroeger, nu en in de toekomst.
Twee andere factoren spelen nog een rol bij gewichtsreductie. Bij een andere
materiaalkeuze is ook optimalisatie van het ontwerp voor dit nieuwe materiaal
mogelijk. Een mooi voorbeeld hiervan wordt gegeven in Figuur . Daarnaast is er
de zogeheten 'mass decompounding', het concept dat gewichtsreductie van één
onderdeel ervoor zorgt dat andere onderdelen lichter worden uitgevoerd. Volgens
verschillende studies kan dit dertig tot honderd procent extra gewichtsreductie
opleveren.
Bij de ontwikkeling van nieuwe materialen en processen heeft de
automobielindustrie specifieke eisen. Deze kunnen sterk verschillen van andere
sectoren die lichtgewicht materialen gebruiken, zoals bijvoorbeeld de lucht- en
ruimtevaartsector. The Minerals, Metals and Materials Society identificeerde vier
problemen die momenteel van toepassing zijn op (meerdere) lichtgewicht
materialen in de automobielsector:
• Slechte weerstand tegen corrosie en slijtage
• Gebrek aan technologie om verschillende soorten materialen te integreren
2
• Gebrek aan snelle en kosteneffectieve productieprocessen
• Gebrek aan mogelijkheden voor in situ schade-detectie
Drie vooraanstaande partijen
Voor de ontwikkeling van lichtgewicht materialen voor de automobielsector zijn
verschillende partijen in de VS belangrijk. Het National Center for Manufacturing
Sciences (NCMS) is een organisatie waarin de Amerikaanse industrie gezamenlijk
aan innovaties werkt. Het NCMS heeft een specifiek Lightweight Automotive
Materials Program (LAMP). USCAR is een joint-venture tussen Chrysler, Ford en
General Motors, waarin de drie grote Amerikaanse autofabrikanten gezamenlijk
technologie ontwikkelen. Binnen USCAR is er het Automotive Materials
Partnership (AMP), met een onderzoeksprogramma voor composieten en één
voor metalen. Het National Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en het Pacific
Northwest National Laboratory (PNNL) hebben elk ook verscheidene
onderzoeksprogramma’s op dit gebied.
Hoogtepunten ontwikkelingen - Metaal
Een afgerond project binnen LAMP met onder andere BMW, Dassault Systèmes en
Clemson University, keek naar de mogelijke toepassing van titanium in de
automobielsector. Bij de keuze voor titanium moeten de superieure sterkte-
gewichtsverhouding en corrosie-weerstand afgewogen worden tegen de hoge
materiaal- en productiekosten. Uit het onderzoek bleek dat de totale
levensduurkosten van een titanium onderdeel gelijk liggen aan die van de huidige
metalen onderdelen. Het gebruik van titanium is daarom economisch haalbaar om
de massa van een voertuig te verminderen. Helaas ligt het nadeel van de hogere
kosten bij de producent, terwijl de voordelen bij de gebruiker liggen; minder
onderhoud en lager brandstofverbruik. Het omlaag brengen van de
materiaalkosten kan wellicht worden bereikt door alternatieve titaniumlegeringen
te gebruiken. De productiekosten kunnen mogelijk omlaag door betere simulatie
van het productieproces. Verder onderzoek zal zich op deze twee focusgebieden
richten.
Een lopend project bij het PNNL kijkt naar de vervormbaarheid van aluminium.
Sterke vervorming van aluminium vergt momenteel concessies aan mechanische
eigenschappen, waaronder sterkte. Binnen dit project wordt een aerodynamische
aluminium dakconstructie ontwikkeld. Hiervoor moet de vervormbaarheid van
aluminium van zestien naar veertig procent worden gebracht, zonder de
mechanische en afwerkingseisen te verminderen. Bij het onderzochte
productieproces gebeurt de initiële vervorming op een hogere temperatuur en de
afwerking bij koude temperatuur. De eerste resultaten met proefstukjes zijn
veelbelovend.
Hoogtepunten ontwikkelingen - Composieten
3
Recent werd een in 2006 gestart groot AMP-project afgerond. Binnen dit project
werd een onderstel van composiet ontworpen en geproduceerd. Het resultaat was
een gewichtsreductie van 31 procent. Om dit onderstel te kunnen toepassen werd
een innovatieve lasmethode ontwikkeld voor de assemblage. Hiernaast leverde het
project een composiet stoel op, weergegeven in Figuur 3. Het resultaat was een
gewichtsreductie van 23 procent ten opzichte van de huidige stalen stoel. De
productiekosten van beide onderdelen waren nog wel te hoog. Dit project betrof
voornamelijk een proof-of-concept, de individuele partijen bekijken nu elk apart
de vervolgstappen.
Een huidig project binnen LAMP heeft als doel om ultralichtgewicht composiet
sandwichpanelen te ontwikkelen. Sandwichpanelen bestaan uit een lichtgewicht
kern met een sterke huid (zie Figuur 4). Dit soort panelen worden al vaak
gebruikt in de lucht- en ruimtevaartsector. Voor de automobielsector zijn ze nog
nauwelijks onderzocht. Door toepassing van Computer-Aided Engineering (CAE)
en door het toepassen van nieuwe combinaties van materialen voor kern en huid
is het doel een gewichtsbesparing van zestig procent.
Composieten bieden de mogelijkheid om ook andere dan structurele functies te
vervullen. Dit maakt andere systemen overbodig, wat leidt tot verdere
gewichtsbesparing. Een lopend project binnen LAMP wil deze eigenschap
gebruiken en een structureel lichtgewicht composiet onderdeel te ontwikkelen dat
communicatiesignalen kan doorgeven. Dit willen de onderzoekers bewerkstelligen
door optische vezels in het composiet te integreren. Deze ontwikkelingen zitten in
een proof-of-concept fase. Daarbij wordt vooral gekeken of het productieproces
en de vervormingen tijdens het gebruik de optische kabels niet beschadigen.
Nieuwe voertuigconcepten
Naast bovenstaande ontwikkelingen die zich met name richten op het lichter
maken van bestaande voertuigen bieden de nieuwe materialen de mogelijkheid
volledig nieuwe voertuigconcepten te ontwikkelen. Een voorbeeld daarvan is
onderstaande Edison2.
Figuur 5
Met de elektrisch aangedreven Edison2 hoopt men een brandstofverbruik van 450
equivalente mijl per gallon (eMPG) te behalen. Dat is omgerekend 191 kilometer
per liter brandstof. Om dit in prespectief te plaatsen: de hybride Toyota Prius haalt
50 MPG, (21 km/liter) en de elektrische Nissan LEAF 99 eMPG (42 km/liter). Als
de prestaties van de Edison2 bewaarheid worden betekent dat dus een enorme
sprong vooruit.
Conclusie
De VS erkent de voordelen van lichtgewicht materialen in de automobielsector.
Onderzoeksprogramma’s die zich richten op de specifieke vraag vanuit deze
4
sector lopen en de eerste successen zijn geboekt. Grootschalige praktijktoepassing
van deze materialen vraagt nog wel veel onderzoek en ontwikkeling.
Sources:
1. U.S. Department of Energy - Advancing Technology for America’s
Transportation Future
2. U.S. Department of Energy - Materials Technologies: Goals, Strategies and
Top Accomplishments
3. http://lamp.ncms.org/
4. U.S. Department of Energy - Jaarverslag 2011 Vehicle Technologies
Program.
Figuur 1: Typische samenstelling van materialen in auto's van vroeger, nu en in de
toekomst - Bron: U.S. Department of Energy
Figuur 2: Voorbeeld van gewichtsreductie door vervangen van het materiaal en
verandering van het ontwerp – Foto’s U.S. Department of Energy
5
Figuur 3: Composiet stoel - Source: USCAR
Figuur 4: Sandwichpaneel
Figuur 5: de Edison2 Very Light Car