DE TOEPASSING VAN STAAL EN ALUMINIUM IN DE CARBODY

Scriptie

IDE442 MATERIALISEREN

2000

DE TOEPASSING VAN STAAL EN ALUMINIUM IN DE CARBODY Annemarie Chang, Helge Docters van Leeuwen & Laura van der Schoor Begeleider: Menno Veefkind Inhoudsopgave Inleiding .......................................................................................................................................2 Samenvatting ..............................................................................................................................3 Summary .....................................................................................................................................4 Probleemstelling .........................................................................................................................4 1. Geschiedenis .....................................................................................................................5 Bronnen ....................................................................................................................................6 2. Wat is een carbody? .........................................................................................................7 Bronnen ....................................................................................................................................7 3. Trends ................................................................................................................................8 Bronnen ....................................................................................................................................9 4. Vergelijking staal, aluminium .........................................................................................10 Productie primair aluminium ...................................................................................................10 Productie secundair aluminium ..............................................................................................10 De productie van staal ............................................................................................................10 Aluminium: hogere stijfheid bij een lichter gewicht ................................................................11 Stijfheid vs. massa ............................................................................................................11 Torsie ................................................................................................................................12 Legering en warmtebehandeling .......................................................................................12 Afmetingen van de buis .....................................................................................................13 Bronnen ..................................................................................................................................13 5. Verbindingsmethoden ....................................................................................................14 Klinken ....................................................................................................................................14 Voordelen van klinken .......................................................................................................14 Nadelen van klinken ..........................................................................................................14 Soorten klinknagels ...........................................................................................................14 Toepassing in de automobielindustrie. .............................................................................15 Lassen ....................................................................................................................................15 Staal ..................................................................................................................................15 Aluminium ..........................................................................................................................15 Puntlassen .........................................................................................................................16 Booglassen met gasbescherming; TIG-lassen en MIG-lassen .........................................17 Toepassing in de automobielindustrie ..............................................................................18 Lijmen .....................................................................................................................................18 Voordelen van de lijmtechniek ..........................................................................................18 Nadelen en beperkingen van de lijmtechniek ...................................................................18 Soorten lijmen ...................................................................................................................19 Toepassing in de automobielindustrie ..............................................................................19 De verbindingsmethoden op een rijtje ....................................................................................20 Bronnen ..................................................................................................................................21 6. Toepassingen ..................................................................................................................22 ACCES ...................................................................................................................................22 ULSAB ....................................................................................................................................22 Audi A2 ...................................................................................................................................22 Bronnen ..................................................................................................................................23 7. Conclusie .........................................................................................................................24 8. Bijlage 1 – Verslag van het bezoek aan Autorecycling Delft ......................................25

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

UT

TU

TU

UT

TU

UT

© Faculteit Industrieel Ontwerpen

UT

1

Technische Universiteit Delft

Scriptie


2000

INLEIDING In het kader van het vak materialiseren kregen wij de opdracht om een scriptie te schrijven met als titel ‘Design for Assembly van de carbody’. Met dit gegeven zijn wij aan de slag gegaan en hebben wij ons in de automobielindustrie gestort en informatie gezocht over carbodies. Ook hebben we een autorecyclingbedrijf bezocht (zie bijlage 1) Tijdens dit proces bleek dat de DFA van een carbody weinig interessant was, omdat er op dat gebied weinig nieuwe ontwikkelingen zijn te vinden. Na ons goed op het onderwerp te hebben ingelezen hebben we gekozen voor het onderwerp ‘de toepassing van staal en aluminium in de carbody’. Binnen dit onderwerp zijn een hoop ontwikkelingen gaande, vooral om de auto lichter te maken met een behoud van bodystijfheid, sterkte en crashbestendigheid. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij de nieuwe serie aluminium spaceframes van Audi waarbij het gebruik van aluminium een lichtere auto oplevert, en de ULSAB conceptcar die bewijst dat lichter construeren ook in staal mogelijk is. In hoofdstuk 4 vergelijken we de verschillende eigenschappen van staal en aluminium, en in het volgende hoofdstuk zijn we dieper ingegaan op de verbindingsmethoden. Dit hebben we gedaan omdat de traditionele verbindingsmethode binnen de automobielindustrie, lassen, op aluminium veel minder goed toe te passen is. Hierdoor is het in sommige gevallen beter om andere verbindingsmethoden toe te passen. Na het bespreken van de verschillende verbindingsmethoden volgen nog enkele voorbeelden van auto’s waarin aluminium of staal in een lichte constructievorm is toegepast.


2


Scriptie


2000

SAMENVATTING Een carbody is de samenstelling van het chassis en de carrosserie. Een trend binnen de automobielindustrie is het ontwikkelen van lichtere carbody-constructies met behulp van verbeterde constructie en assemblage technieken of de toepassing van lichtere materialen zoals aluminium. Op dit moment worden de meeste carbodies uit staal vervaardigd, maar er zijn ook enkele aluminium carbodies op de markt. De aluminiumwinning kost veel energie dan staalwinning, en is ook veel milieu-onvriendelijker. Aluminium is veel lichter dan staal, maar ook minder stijf. Het grote voordeel van aluminium boven staal is dat de buizen geëxtrudeerd kunnen worden. Dit komt door de lage elastiteitsmodulus en het lage smeltpunt. Door de extrusie kunnen er profielen met verschillende dwarsdoorsneden gemaakt worden, waardoor plaatselijk de dikte van een profiel kan worden aangepast aan de belasting. Dit is bij staal veel lastiger. Om de stalen carbodies te assembleren worden de verbindingen meestal door middel van lassen tot stand gebracht. Het lassen van staal is een goedkopen en betrouwbare verbindingstechniek. Het geeft goede resultaten en is makkelijk te automatiseren. Aluminium lassen geeft echter een matig resultaat. Dit komt onder andere door de laag aluminiumoxide aan het oppervlak en het hoge warmtegeleidingcoëfficiënt. De laag aluminiumoxide zorgt voor insluitsels die een poreusheid van de las veroorzaken. Het hoge warmtegeleidingcoëfficiënt zorgt ervoor dat de toegevoerde energie heel snel wordt afgevoerd, waardoor er veel meer energie nodig is voor het verwarmen en daarmee voor het lassen van aluminium. Andere verbindingsmethoden zijn klinken en lijmen. Klinken kost bij aluminium minder energie dan lassen, terwijl het bij staal meer energie dan lassen kost. Voordelen van klinken zijn dat er geen oppervlaktebehandeling nodig is en de temperatuur van het te verbinden materiaal niet wordt verhoogd. Een nadeel is de aanwezigheid van gaten , waardoor er een spanningsconcentraties kunnen ontstaan.Een ander nadeel is het uiterlijk van de geklonken verbinding. De klinknagel is namelijk duidelijk te zien. Lijmen is een verbindingsmethode die een uitgebreide oppervlaktebehandeling vergt, en resulteert in een verbinding die slecht bestand is tegen hoge temperaturen. Deze nadelen worden gecompenseerd door de nagenoeg spanningsvrije verbinding die gevormd wordt, waarbij de kracht over het gehele oppervlak is verdeeld. Deze verbinding is bij de juiste lijmkeuze zeer sterk, en goed bestand tegen vermoeiing. Toepassingen van de verschillende carbodies zijn de ACCES, de ULSAB en de Audi A2. ACCES staat voor Aluminium based Concept CO2 Emission Saving Subcompact, en is een project van Hoogovens in samenwerking NedCar Product Design and Engineering. Deze vijfdeurs aluminium lichtgewicht auto behaalde in 1996 gewichtreducties van 250 kg. ULSAB betekent Ultra Light Steel Automobile Body, en laat zien dat lichtgewicht construeren ook in staal mogelijk is. ULSAB is een zelfdragende carrosserie waarbij een gewichtsreductie van 25% gehaald wordt ten opzichte van een vergelijkbare bestaande constructie. De Audi A2 is de eerste grote serie auto waarvan de body geheel van aluminium is vervaardigd. Hij ontwikkeld om in series van 300 stuks per dag geproduceerd te worden. Het spaceframe zorgt voor een gewichtsreductie van zo’n 150 kg ten opzichte van stalen auto’s. In deze auto zijn verbindingstechnieken zoals popnagelen, laserlassen en MIG-lassen toegepast.


3


Scriptie


2000

SUMMARY A carbody is the chassis and the coach-work in one. The automotive industry has a tendency to develop lighter bodystructures by using new construction and joining techniques or by applying lighter materials (aluminium). Today most carbodies are being made out of steel, but there is an increasing use of aluminium in carbodies. The extraction of aluminium uses much more energy than the extraction of steel, and is much more environment unfriendly. The density of aluminium is lower than the density of steel and the stiffness of aluminium is lower than the stiffness of steel. The big advantage of aluminium lies in the practise of extrusion, due to the low modulus of elasticity and due to the fact that the material doesn’t need to be heated as much as steel. Extrusion offers variable cross-sections. Variable cross-sections make it possible to apply the appropriate thickness for the local load. The high modulus of elasticity and the high melting point of steel make this much more difficult. In steel carbodies, joints are formed by welding. Steel welding is cheap and reliable, it gives good results and is easy to automate. Aluminium welding gives moderate results, due to the aluminium oxide surface coating and the high termal conductivity. The aluminium oxide coating causes aluminium oxide inclusions which induces porosity in the weld. Heat is released very fast due to the high termal conductivity. Therefore aluminium needs much more energy for welding. Other joining techniques are rivetting and adhesive bonding. Aluminium rivetting is less energyintensive than welding, for steel it is the opposite. Advantages of rivetting are the absence the need for surface treatments and the absence of a temperature raise. Disadvantages of rivetting are the need for holes which causes stress concentration and the look of the rivetted joint. Adhesive bonding is a joining technique which needs an elaborate surface treatment, resulting in a joint which performes badly at high temperatures. This is compensated by a stress-free joint. In this joint the forces are distributed over the entire surface. By using the appropriate adhesive, the adhesive bonded joint is strong, and has a good fatigue-resistance. Examples of differrent carbodies are the ACCES, the ULSAB and the Audi A2. ACCES is short for Aluminium based Concept CO2 Emission Saving Subcompact, and is a project of Hoogovens and NedCar Product Design and Engineering. This five-door aluminium light-weight car achieved a weightreduction of 250 kg in 1996. ULSAB is short for Ultra Light Steel Automobile Body. ULSAB shows the possibilities of a steel construction. ULSAB has an unibody which achieves a weightreduction of 25% compared to a normal steel construction. The Audi A2 is a high volume production car for consumers which has a body entirely made out of aluminium. It’s purpose is to be produced in a 300 pieces a day serie. The spaceframe offes a weight reduction of 150 kg compared to steel cars. The joining techniques used in the A2 are punch rivetting, laserwelding and MIG-welding. PROBLEEMSTELLING Op dit moment worden carbodies voor het grootste deel van staal gemaakt. Sinds de jaren 70 is de opbouw van carbodies weinig veranderd. De auto-industrie heeft zich op dit gebied hoofdzakelijk gericht op het verbeteren van de constructiedetails en fabricage van carbodies. De laatste jaren is er echter een trend naar het lichter maken van de carbody zonder daarbij op eigenschappen als milieubelasting, bodystijfheid en botsveiligheid in te leveren. De autoindustrie probeert dit op diverse manieren, maar de grootste gewichtsbesparingen worden vooralsnog gehaald met het toepassen van aluminium. De auto-industrie is echter geheel ingericht op het bewerken van staal en zal grote investeringen moeten doen om deze nieuwe technieken in serie te kunnen toepassen. In deze scriptie zullen de verschillen in bewerking en toepassing van staal en aluminium in carbodies globaal beschreven worden en zal er dieper in worden gegaan op een aantal verbindingstechnieken. We hopen zo meer inzicht te geven in de afweging tussen het gebruik van staal of aluminium.


4


Scriptie


2000

1. GESCHIEDENIS In het begin van de automobielbouw werden carbodies van allerlei materialen gebouwd. Er waren voor de eeuwwisseling vooral door motor aangedreven drie- en vierwielers die net als een fiets een buizenframe van metaal hadden (zie figuur 1). Na de eeuwwisseling werden ook de koetsenbouwers actief binnen de automobielindustrie, en kwamen er omgebouwde houten koetsen met een motor in plaats van een paard. In januari 1906 op de New York autoshow waren de volgende soorten carbodies aanwezig: Houten bodies Aluminium bodies Stalen bodies Hout en metalen bodies

De meeste carbodies waren van hout gemaakt omdat dit goedkoop was, en makkelijk om te bewerken. Bovendien waren de mensen al gewend om koetsen van hout te bouwen. Voor frames werd veelal de Engelse es gebruikt, en voor de panelen mahoniehout. Een voorbeeld van een houten framewerk is te zien in figuur 2.

64% 28% 05% 03%

Nadelen van hout waren het grote gewicht van de body en de grote hoeveelheid handwerk die nodig was voor het maken van de body. Krommingen maakte men door het hout te stomen en dan te buigen, maar daarmee kom je geen dubbelgekromde vlakken creëren. Dit deed men door blokken hout aan elkaar te lijmen en daar het vlak uit te vormen. Bovendien was een houten body niet erg stijf, en kraakte het altijd als je de auto bewoog.

Figuur 2 Houten framewerk

In 1923 maakte een Weymann in Frankrijk een frame dat bestond uit houten staven die bijeen werden gehouden door metalen strips en hoekstukken. In plaats van panelen werden er rubber en leren stukken in gezet. Deze auto kraakte bijna niet, en was minder arbeidsintensief, maar was wel duur en erg vochtgevoelig. De eerste metalen carbody’s kwamen van bouwers van rijtuigen en locomotieven voor het spoor. Zij hadden al ruime ervaring in het bewerken van metaal, en zagen in dat het bouwen van auto-onderdelen ook een goede bron van inkomsten was. Later werd er meer aluminium en staal toegepast, want hieruit kon men veel makkelijker dubbelgekromde vlakken vormen door de vorm erin te slaan of te persen. In 1937 werd de eerste volledig stalen carbody gefabriceerd. Het laatste grote serie auto’s met een houten spaceframe werd vlak na de tweede wereldoorlog op de markt gezet. Op dit moment worden er alleen specials met een houten frame gefabriceerd.

Figuur 3 Frame, gebaseerd op het Weymann-ontwerp


Figuur 1Benz, 1885

5


Scriptie


2000

Het chassis, het dragende deel van de auto, bestond in het begin van deze eeuw uit een laddervormige constructie. Deze werd meestal van stalen U-balken gemaakt, en op het chassis werd dan de motor en alle andere onderdelen bevestigd. Na 1920 evolueerde het frame van een laddervorm naar een X-vorm, die een stuk lichter was. Rond 1960 werd de torsiestijfheid van het chassis heel belangrijk. Het chassis dat zeer goed aan deze eis voldeed was het ‘omtrek’-chassis, dat door o.a. Pontiac en Oldsmobile in 1961 werd gebruikt. Dit ‘omtrek’-chassis was overigens niet nieuw, in 1872 werd het al gebruikt in een stoomauto door Amadee Bollee. Deze drie chassisvormen staan in figuur 4. Figuur 4 Verschillende chassis: laddervormig, de Xvorm, en het ‘omtrek’-chassis.

Figuur 5 Een zelfdragende carrosserie.

In 1951 kwam de eerste zelfdragende carrosserie op de markt. In plaats van een chassis met daarop een dragend frame waarop het plaatwerk wordt bevestigd, maakt de zelfdragende carrosserie (kortweg unibody) gebruik van de stijfheid van het plaatwerk en de stijfheid van de totale doosachtige vorm van de auto. (Figuur 5 geeft een voorbeeld van een zelfdragende carrosserie) Het chassis en frame worden hierdoor overbodig. Een nadeel van de unibody is de relatieve moeilijkheid om complexe vormen en uitsnijdingen te maken in de stijve panelen. Dit probleem wordt vaak opgelost door verschillende materialen te gebruiken, maar dan moet er meer aandacht aan de bevestigingsmethoden worden besteed. De meeste auto’s bevatten een zelfdragende carrosserie, maar op dit moment wordt er toch weer gekeken naar het optimaliseren van het spaceframe. De laatste trend op het gebied van carbody’s is de ontwikkeling van lichtgewicht spaceframes. De auto heeft dan geen zelfdragende carrosserie meer. De gewichtsbesparing wordt bereikt door een beter doordachte constructie in het frame en de toepassing van aluminiumlegeringen en composieten. Het plaatwerk dat op het frame wordt bevestigd, wordt ook zo licht mogelijk uitgevoerd. Een voorbeeld van het lichte plaatwerk is “hylite” van Corus, dat bestaat uit twee lagen aluminium met kunststof ertussen.

Bronnen Newcomb, T.P. Spurr, R.T, A technical history of the motor car, IOP Publishing Ltd, Bristol, 1989 Norbye, J.P, Car Design, structure & architecture, Tab Books Inc, USA, 1984 History of the automobile, http://www.cybersteering.com/trimain/history/fcars.html , 19 april 2000 Automotive industry, http://www.britannica.com/bcom/eb/article/0/0,5716,114513+1+108316,00.html , 26 april 2000 HTU

UTH

HTU


UTH

6


Scriptie


2000

2. WAT IS EEN CARBODY? Voor we kunnen ingaan op de carbody, zullen we eerst moeten definiëren wat een carbody precies is. Hier bestaat geen nauwsluitende definitie voor, want een carbody wordt door de verschillende automobielfabrikanten op verschillende manieren gedefinieerd. Om uit te leggen wat wij onder een carbody verstaan zullen we eerst ingaan op de buitenkant en de dragende structuur van een auto. Daarbij is onderscheid te maken tussen vier soorten constructies: Chassis met spaceframe en bodywork. Hierbij is het chassis het deel dat de gehele auto draagt, inclusief de motor en de passagiers. Het spaceframe is een frame dat op het chassis is bevestigd en de overkapping vormt waaraan al het plaatwerk vast zit. Dit plaatwerk wordt ook wel bodywork genoemd. Chassis en carrosserie. Bij deze constructie draagt het chassis nog steeds de auto en zijn passagiers, alleen wordt het plaatwerk niet meer gedragen door een frame, maar houdt het zichzelf overeind. Spaceframe met bodywork. Hierbij wordt de auto gedragen door een kooi van buizen en profielen, waaraan ook het plaatwerk is bevestigd. Zelfdragende carrosserie of unibody. Deze constructie bestaat volledig uit plaatwerk. Dit is meestal geperst om het voldoende stevigheid te geven. Het spaceframe, het chassis en het bodywork zijn geïntegreerd tot een stevige doos die zichzelf en de heel auto draagt. De carbody is het chassis en het spaceframe ineen. Het is dus een van de laatste twee constructievormen; het spaceframe met bodywork of de zelfdragende carrosserie. Het vormt dus de ruggengraat van de auto, en vormt de omhullende structuur. Hierbij ligt ook de functie van de carbody vast; hij zorgt ervoor dat de verschillende onderdelen van de auto (zoals de wielen, de deuren, de motor en de stoelen) goed gepositioneerd blijven. Hierbij heeft de carbody grote krachten te verduren omdat hij ervoor moet zorgen dat de auto voldoende stijf en sterk is om niet te gaan buigen, trillen, draaien of breken. Ook moet hij de passagiers beschermen in het geval van een botsing. Ondanks de zware eisen die aan de carbody wordt gesteld, probeert men deze constructie zo licht mogelijk te houden. De carbody is sinds de eerste auto voortdurend geëvolueerd en meegegaan met de nieuwste technieken. Bronnen o o o

Newcomb, T.P. Spurr, R.T, A technical history of the motor car, IOP Publishing Ltd, Bristol, 1989 Norbye, J.P, Car Design, structure & architecture, Tab Books Inc, USA, 1984 History of the automobile, http://www.cybersteering.com/trimain/history/fcars.html , 19 april 2000 HTU


UTH

7


Scriptie


2000

3. TRENDS De ontwikkeling en fabricage van auto’s is zowel complex als divers. Elk deelaspect van een auto (zoals de motor of de carbody) heeft een eigen ontwikkelingsgeschiedenis, maar deze aspecten hebben elkaar in de ontwikkeling erg beïnvloed. Hieronder zal een opsomming worden gegeven van de meest relevante trends in de automobiel industrie die invloed hebben in het ontwikkelen en fabriceren van carbodies. Trends worden bepaald door de markt, de techniek en door de wetgeving. Aangezien de laatste een zeer vormbepalende invloed is op het ontwerpen van auto’s zal deze als eerste genoemd worden: Vanaf medio 2000 zullen de crashtests worden uitgebreid met het een reeks testen die betrekking hebben op het aanrijden van voetgangers (volwassenen en kinderen). Autofabrikanten zijn hier niet erg enthousiast over, omdat zij deze vorm van veiligheid moeilijk als verkoopargument kunnen gebruiken terwijl deze tests wel een grote invloed hebben op het totale ontwerp. Er moet namelijk meer ruimte tussen motor en motorkap vrijgemaakt worden en de ruimte achter de voorbumper moet leeg zijn. Verder zijn er op Europees niveau nieuwe wetten in ontwikkeling met betrekking tot de herverwerkbaarheid van materialen en de afname van toxische emissies. De belangrijkste wijziging voor benzine is het terugdringen van het zwavelgehalte tot 50mg/kg in het jaar 2005. De auto-industrie is van mening dat de afname van toxische emissies ook een zaak is van de olieproducenten. Shell heeft onder andere daarom Pura, een benzine met een verminderde hoeveelheid benzeen en zwavel, op de markt gebracht. Er wordt verwacht dat er in het jaar 2020 één miljard auto’s op de wereld rondrijden. Deze toename heeft niet alleen invloed op het milieu, maar ook op de veiligheid. De autofabrikant probeert de consument zoveel mogelijk binnenruimte te geven, deze ruimte wordt echter aangevreten door de diverse features die de huidige consument vraagt en de verschillende systemen die zowel de actieve als de passieve veiligheid moeten dienen. De meeste ruimte wordt ingenomen door de side-impactbars en de airbags. Men probeert tegenwoordig ook airbags in de deuren en airbags op gordijnniveau aan te brengen. Naast deze actieve systemen zijn er ook passieve systemen die de onderlinge afstand tussen auto’s bewaakt en slaappreventiesystemen. De ruimte en gewicht die deze systemen opleveren proberen de autofabriekanten terug te winnen door de carbody zo klein en licht mogelijk te maken. Al deze nieuwe ontwikkelingen brengen enorme kosten met zich mee. Het is daarom niet verwonderlijk dat de er op dit moment veel fusies in deze industrie plaatsvinden. Zo bezit bijvoorbeeld de Volkswagen groep naast Audi ook RollsRoyce, Bentley en Skoda. Deze multinationals verschaffen voor zichzelf een financieel platvorm waarmee nieuwe technieken onderzocht en toegepast kunnen worden. Hieronder staan een paar relevante trends op technisch gebied genoemd. Door verbeterde ontwerptechnieken met betrekking tot de aërodynamica is het mogelijk het frontale oppervlak van de auto te vergroten wat ruimte in de auto oplevert ( de aërodynamische kwaliteit wordt bepaald door de Cw-waarde vermenigvuldigd met het frontale oppervlak ). Zo heeft een Fiat Uno een betere aërodynamisch kwaliteit dan een Porsch 911 Targa. Autofabrikanten maken gebruik van virtuele productie systemen zoals CATIA. Hierdoor kan het productieplan simultaan met het ontwikkelen van een nieuw model gebeuren. Het programma levert een visuele productiesimulatie. Hierdoor is het mogelijk kortere ontwikkelingstijden te behalen waardoor er beter op de markt ingespeeld kan worden. Het ontwikkelen van lichtere carbody-constructies met behulp van lichtere materialen zoals aluminium en Hylite of verbeterde constructie en assemblage technieken. Dit laatste aspect zal verder aan bod komen. Trends verschuiven over het algemeen vrij snel. De auto-industrie is vanwege de enorme kosten behoorlijk conservatief en zal trends dus zo snel mogelijk willen signaleren. Over het algemeen worden vernieuwingen direct door andere fabrikanten gekopieerd waardoor de markt zeer competitief en gesloten is.


8


Scriptie


2000

Bronnen Colleges automotive design, blok 5 2000 Field III F.R., Clark, J.P., A practical road to lightweight cars http://www.techreview.com/articles/jan97/clark.html , 29 maart 2000 Global Partners April 2000 Auto Visie Mei 2000 Auto & Motor Techniek April 2000 Automotive Engineering April 2000 Automotive Engineer Mei 2000 HTU


UTH

9


Scriptie

4.


2000

VERGELIJKING STAAL, ALUMINIUM

Productie primair aluminium Het erts voor de aluminiumbereiding is bauxiet, een mineraal dat ongeveer voor de helft uit aluminiumoxide bestaat en verder uit ijzer, silicium-, titaan-, en calciumoxide. De eerste stap naar de bereiding van aluminium uit bauxiet is het onttrekken van aluminiumoxide uit deze erts. De meest efficiënte methode hiervoor is het zogenaamde bayer-proces. De tweede stap is het onttrekken van aluminium uit de verkregen oxide (Al 2 O 3 + 3/2C 2 Al + 3/2 CO 2 ). De enige efficiënte werkwijze is de toepassing van het Hall-Heroult elektrolyse-proces. In dit proces slaat bijna zuiver aluminium neer door toepassing van een koolstof anode en een negatieve pool als kathode. Er wordt een fluorhoudend elektrolyt gebruikt wat fluoridenemissies veroorzaakt en schadelijk is voor plant, dier en mens. Door maatregelen te nemen ( inkapseling van elektrolyseovens en dakwassers) kan de uitstoot van fluoriden naar de lucht beperkt worden tot ongeveer 1 kg per ton aluminium. Door het gebruik van koolstofanode materiaal treden er emissies op van CO, CO 2 , SO 2 , C-stof en diverse koolwaterstoffen. De totale vaste afvalstroom bij de primaire productie bedraagt circa 1875 kg afval per ton aluminium, hoofdzakelijk in de vorm van ijzerhoudende rode modder ontstaan bij het Bayer-proces. B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Productie secundair aluminium Bij een toenemende consumptie van aluminium raakt de voorraad aluminiumrijk bauxiet verder uitgeput. Hoe minder aluminiumrijk de bauxiet is hoe meer energie er voor de winning van aluminium nodig zal zijn. Hierdoor zal de schade aan het milieu stijgen. Deze ontwikkeling zal in de toekomst de vraag naar secundair aluminium doen stijgen. De productie van secundair aluminium alsmede het grote verschil in milieubelasting (en energiekosten) maar ook de nadelen van secundair aluminium zijn dus van groot belang. Voor de fabricage van 1 kg primair aluminium uit bauxiet is een 4,5 keer zo grote hoeveelheid energie nodig als voor de fabricage van 1 kg staal uit ruwe erts. In nieuwe ontwerpen waar het stalen frame door een aluminium frame wordt vervangen komt dit neer op 500 kg staal dat door slechts 200 kg aluminium wordt vervangen. De energiebehoefte voor een body uit aluminium is dus ongeveer nog maar 2 keer zo groot als een vergelijkbare auto uit staal. Wanneer 75% van de vervaardigde onderdelen van een auto na afdanking terug gerecycled wordt in de fabricage, dan is er minder energie nodig dan dat het geval is bij staalproducten.De hoeveelheid benodigde energie is dan slechts 42% van de energie die nodig is voor primair aluminium. In de vergelijking van 200 kg aluminium met 500 kg staal uit zich dit in het voordeel van aluminium in een verschil in energiebehoefte van 650 liter brandstof. Doordat de aluminiumconstructie 300 kg lichter is dan die van staal zorgt dit ervoor dat na 25.000 km rijden de energiebalans in het voordeel van aluminium komt te staan. Na 150.000 km rijden levert dit zelfs een energievoordeel van 3500 liter brandstof op. De productie van staal De productie van staal is een typisch geval van een geïntegreerd productieproces, elke stap in de productie resulteert in een tussenproduct dat moet worden klaargemaakt voor de volgende stap. In het kort zijn er vier stappen : 1. Preparatie van het ruwe materiaal 2. De productie van ruw ijzer 3. De productie van ruw staal 4. De productie van halffabrikaten Voor de productie van het ruwe ijzer in hoogovens zijn twee ruwe materialen nodig: erts en coke. Meestal wordt de erts bij de mijn voorbewerkt door het te sinteren of door er gemalen ijzerertspellets van te maken. Voor het sinteren is 2 G joule per ton nodig, het maken van gemalen ijzerertspellets kost 1.5 G Joule per ton. De coke wordt in de hoogoven erbij gedaan om te voorkomen dat de erts, sinter en pellets gaan klonteren. De coke wordt geproduceerd door steenkool zonder zuurstof te verhitten en vervolgens af te koelen met water. De efficiëntie van dit proces is ongeveer 85% met een netto energie verbruik van 4.5 G joule per ton.


10


Scriptie


2000

De productie van ruw ijzer vindt plaats in de hoogoven fabriek. Het geprepareerde materiaal wordt naar het hart van de oven gebracht waar het reductie proces wordt voltooid door hete gecompresseerde lucht toe te voegen. Het is een complex proces waarvan het energieverbruik ongeveer 11-15 GJ per ton is. Het ruwe ijzer heeft nog een hoog koolstofgehalte dat omlaag moet worden gebracht in de staalfabriek. Als gebruik wordt gemaakt van een zuurstofoven kost dit –0.5 tot1 GL per ton ruw staal, maakt men gebruik van een open hart oven dan is 4 GJ per ton nodig. In de staalfabriek wordt vloeibaar staal geproduceerd wat voor verdere verwerking tot platen, blokken en staven moet worden gemaakt. Aluminium: hogere stijfheid bij een lichter gewicht Het gebruik van aluminium frames is niet nieuw, in de vliegtuigindustrie worden deze al langere tijd succesvol toegepast. In de auto-industrie wordt het relatief nog maar weinig toegepast omdat er naast de eisen die er aan het materiaal worden gesteld ook financiële aspecten meespelen. Reynolds Metals Company is in 1993 een project gestart om de mogelijkheden te onderzoeken van een kosteneffectieve toepassing van aluminium in spaceframes. De bedoeling was om een frame van aluminium te ontwikkelen dat aan dezelfde mechanische en materiaal eigenschappen kan voldoen als een bestaand autoframe van mild steel met carbonfibre. Stapsgewijs is het stalen frame omgezet in een aluminium frame, De uitdaging is om de nadelige positie die aluminium door de lage elasticiteitsmodulus (69 vs. 206 GPa) ten opzichte van staal heeft, om te zetten in een voordelige positie door gebruik te maken van de lage dichtheid. Hieronder wordt deze case van Reynolds Metals Company beschreven. Stijfheid vs. massa Het verbeteren van de stijfheid is niet alleen een kwestie van de vormfactor. Net zo belangrijk zijn de praktische grenzen van de fabricage en de toleranties die in geval van schade zijn toegestaan. De stijfheid van buisdoorsnede van een bepaalde massa/ lengte verhouding neemt toe als de wanddikte wordt vergroot of als de buisdoorsnede groter wordt. Dit betekent dat een aluminium buis ongeveer drie keer zo dik moet zijn om dezelfde stijfheid als een stalen buis te krijgen. Uiteindelijk zijn ze dan dus even zwaar en is er voor aluminium geen voordeel behaald. Zie tabel 1.

Tabel 1: Configuratie vs. massa en stijfheid Configuratie

Massa (kg)

Stijfheid (belasting = 3.5 kN)

196.5

5.44

zelfde afmetingen staal

70.5

14.56

twee keer dikte staal

126.4

8.50

drie keer dikte staal

225.2

5.48

Stalen frame

(doorzakking in mm )

Aluminium frame

Winst wordt voornamelijk gehaald door het verschil in fabricagemethoden voor stalen en aluminium buizen. Een stalen buis wordt gemaakt door middel van een proces van walsen en lassen, terwijl een aluminium buis vaak gefabriceerd wordt door een extrusie proces. Extrusie geeft ten opzichte van walsen en lassen een grote vrijheid in de doorsneden van een buis, en groeven en uitsparingen kunnen makkelijk aan het profiel worden toegevoegd. Met extrusie is het mogelijk om een profiel te maken dat op de hoeken een kleine buitenradius (5 mm) en een grote binnenradius ( 6.35 mm) heeft. Zo ontstaan er toch dikke hoekpunten en zit er 2.5% meer materiaal op de buitenkanten gezien vanuit het middelpunt van de doorsnede waardoor hij dus stijver is.De zijkanten van de buis kunnen dus relatief dun worden gehouden. De wanddikte werd zodanig verminderd dat de massa per eenheidslengte onveranderd bleef. Het eindresultaat van deze aanpassingen bleek 2,5% stijver te zijn dan het normale extrusieprofiel met een uniform verdeelde wanddikte en met dezelfde massa/ lengte verhouding. Bovendien is


11


Scriptie


2000

het mogelijk om met dit profiel grote afschuiningen toe te staan die voordeling zijn bij het lasproces. Torsie Om te zorgen dat de rijder goed aan kan voelen hoe de auto reageert is het nodig dat het chassis stijf is. De torsiestijfheid van de originele stalen carbody lag op 27.175 Nm/deg. Deze stijfheid kon in het aluminium frame ook worden bereikt met behulp van het ANSYS-software te onderzoeken wat de bijdragen van het chassis en de carrosserie aan de stijfheid en sterkte zijn. Op deze manier is het mogelijk om op elke doorsnede te bepalen wat de gewenste stijfheid en sterkte is. Er ontstaat zo een optimaal gedimensioneerde buis die op de plekken waar hogere eisen aan de stijfheid worden gesteld een dikkere wand heeft. Daarnaast is de verwachting van de buiging (doorzakking) vergeleken met de torsie. Het bleek dat de maximale buigspanningen gelijk waren aan de maximale torsiespanningen zodat er hier geen verdere bewerkingen nodig zijn. De maximum spanning onder normale werk omstandigheden ligt binnen de vermoeiingsgrens van de las bij aluminium zodat de aandacht gericht kan worden op details van het ontwerp. Legering en warmtebehandeling In deze case zijn de onderdelen van het frame van de oorspronkelijke stalen auto verbonden door middel van lassen. Om een goed vergelijk te kunnen maken tussen het stalen- en het aluminium frame, worden de elementen van het aluminium frame ook met elkaar verbonden door middel van lassen.

Tabel 2: Legering en warmtebehandeling van frame componenten Component

Primaire functie

Legering Warmtebehandeling

Bovenste frame rail

Bescherming personen

6061

T6

Benedenste frame rail- front

Botsingsenergie opnamevermogen

5454

O

Benedenste frame rail- center


6061

T6

Achter frame deel

Botsing van achter

6061

T4

Kooiconstructie


MB 376

T6

Kooiconstructie-hoofddeel


MB 376

T4

Tabel 3: Mechanische eigenschappen van legeringen Materiaal

Treksterkte (Mpa)

Vloei-spanning (Mpa) Rek (%)

Vermoeiing (Mpa)

5454- O

250

115

22

100*

6061- T4

240

145

22

-

6061- T6

310

275

12

90**

Staal

7

* 10X10 cycles P

P

8

** 5x10 cycles endurance limit P

P

Tabel 4: Warmtebehandelingen voor kneedlegeringen O

Niks

T4

Oplosharding en natuurlijke veroudering tot een hoofdzakelijk stabiele conditie

T6

Oplosharding en kunstmatige veroudering


12


Scriptie


2000

Tabel 2 geeft van elke component aan waar hij zich bevindt, wat de primaire functie is en welke legering (met warmtebehandeling, zie tabel 4) daarvoor gekozen is. Hieraan liggen een aantal redenen ten grondslag. De keuze om 6061 voor een groot deel van het frame te gebruiken heeft te maken met de gunstige verhouding van de prijs en de materiaaleigenschappen, en goede eigenschappen om het materiaal te lassen. Daarnaast heeft de legering een hoge sterkte/ massa verhouding en biedt het een goede weerstand tegen insluitsels. Legering 6061 met een T4 warmtebehandeling biedt een hoge taaiheid met een gemiddelde sterkte (zie tabel 3) voor een gunstige prijs. Toch levert deze legering voor onderdelen van het frame die worden blootgesteld aan hoge temperaturen problemen op in verband met de harding die optreedt in de tijd. Daarom is voor deze onderdelen, de benedenste frame rail-front, gekozen voor de legering 5454-O die niet in de tijd hard. Bovendien is voor een multi-void configuratie gekozen om het botsingsgedrag te verbeteren. Anderen legeringen uit de 5000-serie zijn niet geschikt in deze toepassing vanwege het gevaar dat er intergranulaire corrosie ontstaat als ze langdurig aan temperaturen boven de 65°C worden blootgesteld. De legeringen uit de 5000 en 6000-serie kunnen beide worden gelast. De legering MS 376 heeft een hogere sterkte dan 6061, is goed lasbaar maar heeft ook een hogere kostprijs. Het wordt toegepast in de ronde buizen in de kooiconstructie omdat er hoge eisen aan dit onderdeel worden gesteld. Dit materiaal heeft ook een uitmuntende vermoeiingsweerstand in gelaste toestand. Afmetingen van de buis In totaal zijn voor de buizen er 6 verschillende configuraties gekozen om de kosten voor de matrijzen en de opslag te beperken. De afmetingen zijn in tabel 5 te vinden.

Tabel 5: Afmetingen van de space-frame buizen 6061

63.5 x 50.8 x 4.52

6061

63.5 x 50.8 x 2.97

6061

50.8 x 50.8 x 2.92

5454

63.5 x 50.8 x 2.92 multivoid

6061

28.5 x 28.5 x 2.03

MB 376

50.8 OD x 5.56

Bronnen Overbagh W.H. Aluminium automotive, Automotive Engineering december 1995; 103: 81-85. Seeds A. Bonded aluminium structured vehicles, Automotive Engineer december 1989; 97: 36-42. C.D. Winandy, Structural Materials and Processes for the Transportation Industry, Light Metal Age april 1995; 53: 24-27. Bouchard M, Trembley P. Production, Refining, Fabrication and Recycling of Light Materials; Proceedings of the International Symposium. New York: Pergamon Press, 1990. Audi AG, Alcoa. Neue Technologien fur die Automobielgeneration 1995. Brandes E.A, Brook G.B. “Smithells Light Metal Handbook”; Butterworth- Heinemann, Oxford, 1998. Hatch J.E. “Aluminium; properies and physical metallurgy”; American society for metals, Metals Park, Ohio, 1988. Van Wees, F.G.H., Over, J.A., van Buuren, J.E., Ronde, P.M.B.,Energy consumption for steel production, an example of energy accounting, Energie studie centrum, Petten, 1986.


13


Scriptie


2000

5. VERBINDINGSMETHODEN Om een spaceframe in elkaar te zetten moeten de verschillende onderdelen met elkaar verbonden worden. Als de onderdelen nauwkeurig gedimensioneerd zijn, vormen de verbindingen vaak de zwakke schakel in het geheel. Daarom is het belangrijk de juiste verbindingsmethode te kiezen. Een verbinding moet sterk en duurzaam zijn, en voor de massavervaardiging van auto’s snel en betrouwbaar aangebracht kunnen worden. In deze scriptie worden drie verschillende soorten veelvoorkomende verbindingstechnieken besproken; een mechanische, een fysische en een chemische. Klinken is een veeltoegepaste mechanische verbindingsmethode, Figuur 6 Klinken lassen is een fysische verbindingsmethode en lijmen is een chemische verbindingsmethode. Bij alledrie de verbindings-methoden worden de voor- en nadelen besproken, en de toepasbaarheid bij staal en aluminium. Ook wordt er gekeken naar de toepasbaarheid binnen de automotive industrie. Klinken Klinken is een zeer lang toegepaste verbindings-methode. De te verbinden delen worden verbonden met een klinknagel die door een gat wordt gestoken en waarvan de achterkant wordt platgemaakt. Zie figuur 6. De te verbinden delen worden dan door de twee platte koppen van de klinknagel op elkaar geperst of geslagen. Klinken heeft een aantal voor- en nadelen. Voordelen van klinken Het verbinden door middel van klinken heeft een aantal voordelen. Voor het toepassen van klinken is geen oppervlaktebehandeling nodig, zoals bij lassen en lijmen vaak wel het geval is. Ook wordt bij klinken de temperatuur niet verhoogd, waardoor er geen plaatselijke afwijkingen in de materiaaleigenschappen ontstaan. Er kunnen verschillende materiaalsoorten van verschillende diktes aan elkaar verbonden worden, wat bij lassen niet kan. En de kwaliteit van de verbinding kan onmiddellijk met het oog gecontroleerd worden, zodat er geen dure testen vereist zijn. Nadelen van klinken Voor sommige klinkmethoden is het nodig de gaten te maken voor de klinknagel door het materiaal heen wordt geperst. Dit vergt dus een extra handeling om de verbinding aan te brengen. Er zijn ook zelfborende klinknagels op de markt, die dit nadeel niet hebben. Toch ontstaat er ook bij zelfborende klinknagels een gat in de verbonden delen, waar spanningsconcentraties op kunnen treden. Als er scherpe geometrieovergangen rond het gat plaatsvinden (bij een onnauwkeurig gat) kunnen de spanningsconcentraties zeer hoog oplopen. Een ander nadeel is dat het voor de meeste klinkmethoden nodig is om van twee kanten de verbinding te bewerken. Immers, van de ene kant wordt de klinknagel door het gat gestoken, en van de andere kant wordt de klinknagel platgemaakt. Dit nadeel kan worden opgelost door de toepassing van popnagels, die van één kant aangebracht kunnen worden. Daarvoor is wel genoeg ruimte nodig aan de andere kant om de popnagel door te steken. Voor toepassingen waarbij het resultaat een glad oppervlak moet hebben is klinken ook niet geschikt. De koppen van de klinknagels blijven namelijk altijd zichtbaar. Soorten klinknagels Voor het klinken zijn een aantal nagels op de markt. De verschillende nagels hebben een aantal belangrijke kenmerken en voor- en nadelen. Hieronder worden deze kort opgesomd. Massieve nagels; deze hebben een massieve kop en schacht. Ze worden meestal door een voorgeboord gat gestoken en daarna wordt de punt vlak geperst, gehamerd of gebogen. Deze nagels vormen de sterkste klinkverbinding, maar kosten ook het meeste tijd en kracht om aan te brengen. Holle nagels; deze nagels zijn het meest populair van de kleine nagels. Deze nagels kunnen door een voorgeboord gat worden geplaatst, maar zijn soms ook zelfborend.


14


Scriptie


2000

Daarna wordt het uiteinde omgekruld om de verbinding tot stand te brengen. De verbinding is iets minder sterk dan bij een massieve nagel, maar het verbinden kost een stuk minder moeite. Semi-holle nagels; bij deze nagels is slechts een deel van de schacht hol. De gaten voor deze nagels moeten voorgeboord worden, en de diepte van het gat mag niet groter zijn dan 112% van de schachtdiameter. Als de semi-holle nagel geklinkt wordt heeft hij bijna dezelfde sterkte als een massieve nagel. Compressienagels bestaan uit twee delen; een massieve nagel en een holle nagel. De twee nagels worden in elkaar in een voorgeboord gat geplaatste en ineen geperst. Dit kan vrij snel gebeuren. Zelfborende klinknagels hebben geen voorgeboord gat nodig. Voor deze nagels is het belangrijk dat ze sterker zijn dan het te verbinden materiaal. Deze nagels zijn dus vooral geschikt voor zachtere materialen. Toepassing in de automobielindustrie. Het verbinden van onderdelen door middel van klinken komt bij stalen bodies bijna niet voor. Dit komt doordat het klinken van staal meer energie vergt dan het puntlassen van staal. Ook levert het puntlassen van staal een goed resultaat op en hoeven er voor het puntlassen geen nagels aangevoerd te worden. Dit laatste is logistiek een groot voordeel. Voor aluminium echter kost puntlassen meer energie dan klinken, en is de aangebrachte puntlas van matige kwaliteit. Hierdoor kan er bij aluminium carbodies goed voor klinken worden gekozen. Dit gebeurt weinig, maar een goed voorbeeld van een auto’s waarin klinken wordt toegepast zijn de Audi A2 en de Audi A8; in deze auto’s zijn er onderdelen aan elkaar gepopnageld. Aluminium is wel zeer gevoelig voor contacterosie. Daarom is het belangrijk dat de nagels van het juiste materiaal worden gekozen. Lassen Lassen is het verbinden van onderdelen via een vloeibare fase. Omdat de verbinding door een faseovergang tot stand komt spreekt men hier van een fysische verbindingsmethode. De te verbinden delen worden gedeeltelijk gesmolten en de verbinding komt pas tot stand na stolling. Bij metaallegeringen verandert de plaatselijke structuur van de verbonden delen aanzienlijk, waardoor er plaatselijk een afwijking in de materiaaleigenschappen ontstaat. Staal Staal is zeer goed te lassen, en daarom worden veel verbindingen in de automobielindustrie door middel van puntlassen tot stand gebracht. Dit proces resulteert in goede verbindingseigenschappen en is goed te automatiseren. Aluminium Aluminium is redelijk lastig te lassen. Dit heeft een vijftal oorzaken: De laag aluminiumoxide aan het oppervlak Het hoge warmtegeleidingcoëfficiënt Het hoge uitzettingscoëfficiënt De lage smelttemperatuur De afwezigheid van een kleurverandering als de temperatuur het smeltpunt bereikt. De laag aluminiumoxide aan het oppervlak is een harde laag, met een smeltpunt van ongeveer 1925 °C. Aluminium zelf heeft een smelttemperatuur van 660 °C. Deze laag aluminiumoxide adsorbeert vocht uit de omgeving, vooral als het een dikkere laag betreft. Dit vocht is een bron van waterstof, en dit waterstof is de oorzaak van de poreusheid van de las. Waterstof komt ook uit olie, verf en vuil in het lasgebied, en oxiden en andere materialen die aan de lasapparatuur kleven. Waterstof lost op in gesmolten aluminium. Wanneer de gesmolten aluminium langzaam afkoelt, wordt de waterstof weer afgegeven aan de omgeving. Maar met de hoge afkoelsnelheid van aluminium (door de hoge warmtegeleidingcoëfficiënt) wordt de waterstof ingesloten en veroorzaakt het poreusheid.


15


Scriptie


2000

Als de laag aluminiumoxide voor het lassen niet verwijderd is, dat worden er ook kleine vaste deeltjes van deze laag ingesloten in de las. Deze deeltjes veroorzaken dan een afname van de rekbaarheid van de las. Ook zal de las dan minder goed samensmelten, en kunnen er scheurtjes in de las kunnen ontstaan. De laag aluminiumoxide moet dus voor het lassen verwijderd worden. Dit kan mechanisch, chemisch of elektrisch gebeuren. Mechanische verwijderingmethoden bestaan uit het verwijderen van de oxidelaag met een scherp stuk gereedschap, schuurpapier, vijl of een stalen borstel. Chemische verwijdering kan uitgevoerd worden met etsende en nietetsende reinigingsmiddelen. De laag aluminiumoxide zal zich na de verwijdering onmiddellijk opnieuw gaan vormen. Dit gaat niet heel erg snel, maar het wordt aanbevolen om te lassen binnen acht uur nadat de oxidelaag is verwijderd. Elektrische verwijderingmethoden van de oxidelaag maken gebruik van een kathodisch bombardement. Dit bombardement vindt ook plaats gedurende de halve cyclus TIG-lassen, als de elektrode positief is. Tijdens het bombardement wordt de oxidelaag als het ware weggeblazen, zodat een schoon oppervlak ontstaat. Hierdoor is TIG-lassen een populaire lasmethode voor aluminium. Aluminiumlegeringen geleiden warmte drie tot vijf keer zo snel als staal. Hierdoor moet er meer energie in het aluminium worden gestopt om het te kunnen lassen dan in staal, hoewel de smelttemperatuur van aluminium minder dan de helft van die van staal is. Vanwege het hoge warmtegeleidingcoëfficiënt wordt het aangeraden om het werkstuk voor te verwarmen als het een dik stuk betreft. Dit mag niet te lang of bij een te hoge temperatuur gebeuren, omdat schadelijk is voor de sterkte van de las in hittebehandelde en koudvervormde werkstukken. Het hoge warmtegeleidingcoëfficiënt is ook een voordeel, omdat de warmte snel wordt afgevoerd. Hierdoor stolt de las zeer snel. Het uitzettingcoëfficiënt van aluminium is twee keer zo groot als die van staal. Daarbij komt dat aluminiumlassen ongeveer 6 % in volume afnemen als ze overgaan van de vloeibare naar de vaste fase. Hierdoor kunnen er scheuren en verstoringen in de las komen. Aluminium vertoont geen kleurverandering als de temperatuur de smelttemperatuur benaderd. Pas boven het smeltpunt zal het wat rood gaan gloeien. Dit maakt het moeilijk om de lastemperatuur in te schatten. Zoals gezegd is staal veel beter te lassen dan aluminium, maar als men rekening houdt met de bovenstaande factoren is het mogelijk om een redelijke lasverbinding te maken op in een aluminium werkstuk. Om de verschillen nog iets duidelijker te maken bekijken we een aantal veelvoorkomende lastechnieken; het puntlassen en het booglassen met gasbescherming. Puntlassen Stalen onderdelen in auto’s worden over het algemeen met elkaar verbonden door middel van puntlassen. Dit proces wordt al zeer lang toegepast, verloopt snel en is in de bouw van auto’s volledig geautomatiseerd. Deze verbindingsmethode resulteert bij staal in goede vermoeiingseigenschappen. Helaas is dit bij aluminium niet het geval. Dit is te zien in tabel 6.

Tabel 6; eigenschappen van verbindingen Type verbinding

Statische sterkte (N/mm)

Vermoeiings-sterkte** (N/mm)

Gepuntlast staal (1.16 mm CR2), 25-mm puntlasafstand

28.95 (723.8)*

4.6 (115.0)*

Gepuntlast aluminium 2 mm 5754-O 25-mm puntlasafstand

30.4 (760.0)*

2 (50.0)*

Gelijmd aluminium (25% fillet) 2 mm 5754-O

68.4

24.4

* Waarden tussen de haakjes zijn belasting per puntlas 7

** Maximum belasting voor 10 cycli (spannings ratio R=0.1) P

P


16


Scriptie


2000

Bij puntlassen wordt de warmte opgewekt doordat er elektrische stroom door de te verbinden onderdelen wordt gestuurd. De te verbinden werkstukken worden krachtig op elkaar gedrukt door twee stiftvormige elektroden waardoor de stroom wordt gestuurd. De verwarming ontstaat door de elektrische weerstand van de te verbinden werkstukken. Voor een goede puntlasbaarheid zijn drie factoren van belang; De elektrische geleidbaarheid. De te lassen materialen moeten enerzijds de stroom goed geleiden, en anderzijds moet de geleidbaarheid zo laag zijn dat de verwarming bij de stroomdoorgang groot genoeg is. De smelttemperatuur. Materiaal met een hoge smelttemperatuur kan lastiger gepuntlast worden dan een materiaal met een lage smelttemperatuur, omdat er meer energie toegevoerd moet worden om het materiaal te smelten. De warmtegeleidbaarheid. Aan een materiaal met een hoge warmtegeleidbaarheid moet meer energie worden toegevoegd, omdat de toegevoegde energie sneller wordt afgevoerd. Met deze drie factoren kan een puntlasfactor berekend worden voor nagenoeg elk materiaal, met de volgende formule; S p = 10 000/χ*λ*ν. B

B

Hierbij is: S p = de puntlasfactor, χ = de elektrische geleidbaarheid in m/(Ω*mm2), λ = de warmtegeleidbaarheid in cal/(cm*s*K) ν = de smelttemperatuur in °C. B

B

Waarden voor deze drie factoren en de puntlasfactor voor een verschillende materialen zijn te zien in tabel 7. Tabel 7, de puntlasbaarheid van verschillende materialen Materiaal

χ

λ

ν

Sp

Ongelegeerd staal

6

0.12

1500

9.0

Gelegeerd staal

3.5

0.05

1400

40.0

Aluminium

36

0.53

659

0.8

Al-Mg-legeringen (AlMg3)

20

0.37

625

2.2

Koper

56

0.94

1083

0.2

Messing

12

0.28

925

3.2

B

B

Als S p = 0.2, dan is het materiaal slecht puntlasbaar zoals bijvoorbeeld koper. Als S p = 0.8, dan is een materiaal redelijk puntlasbaar, zoals aluminiumlegeringen. Als S p = 10.0, dan is een materiaal goed puntlasbaar, zoals bijvoorbeeld staalsoorten. Bij het puntlassen van aluminium is naast de slechte puntlasbaarheid door de materiaaleigenschappen ook de aluminiumoxidelaag een verstorende factor. Er wordt geadviseerd om bij de aanwezigheid van een oxidelaag bolle elektroden te gebruiken (in plaats van platte), zodat de oxidelaag doorgebroken kan worden door de elektroden. In sommige gevallen is een oppervlaktebehandeling voor het puntlassen noodzakelijk. B

B

B

B

B

B

Booglassen met gasbescherming; TIG-lassen en MIG-lassen Zoals al eerder gezegd is, is TIG-lassen een zeer geschikte lasmethode voor aluminium. Bij autogeen lassen en handbooglassen moet de oxidelaag via chemische weg verwijderd worden. Bij TIG-lassen is dit echter niet nodig, omdat de oxidelaag door het kathodisch bombardement tijdens de halve cyclus waarin de elektrode positief is openbarst. Bovendien is bij het TIGlassen van aluminium geen vloeimiddel nodig om een goed uiterlijk van de las te verkrijgen. Alleen is TIG-lassen geen lasmethode met een grote lascapaciteit, en wordt daarom in de geautomatiseerde automotive industrie weinig toegepast. MIG-lassen is en lasmethode die ook veel voor aluminium wordt toegepast. In tegenstelling tot TIG-lassen is MIG-lassen wel geschikt voor een grotere lascapaciteit. Ook voor MIG-lassen is


17


Scriptie


2000

geen vloeimiddel nodig. Bij het MIG-lassen van aluminium wordt de oxidelaag afgebroken omdat de laselektrode aan de pluspool komt te liggen. Hierdoor is een intensieve voorbehandeling niet nodig. Het opnieuw ontstaan van de oxidelaag wordt voorkomen door de beschermende edelgassen. Het grootste voordeel van het MIG-lassen van aluminium is de grote lassnelheid. Toepassing in de automobielindustrie Voor het assembleren van stalen carbodies wordt puntlassen veelvuldig toegepast. Dit proces verloopt zeer snel en is volledig geautomatiseerd. Bovendien levert het puntlassen van staal een verbinding van goede kwaliteit op. Bij aluminium is de kwaliteit echter minder. Lijmen Een lijmverbinding wordt gevormd door een lijmlaag die zich hecht aan de contactoppervlakken van de te verbinden delen. De lijmlaag bestaat uit organische of anorganische materialen. De meeste lijmen zijn polymeren. Het lijmen kan bij kamertemperatuur gebeuren, maar ook bij een verhoogde temperatuur. De sterkte van de lijmverbinding hangt af van de sterkte van lijmlaag zelf (cohesie) en de adhesie aan de contactoppervlakken. Omdat deze adhesiekrachten worden bepaald door de intermoleculaire krachten aan het contactoppervlak, is er een zeer glad en schoon oppervlak nodig om effectief te kunnen lijmen. De lijmtechniek heeft een aantal voor- en nadelen. Voordelen van de lijmtechniek Lijm heeft een groot aantal voordelen ten opzichte van andere verbindingsmethoden. Zo wordt lijm wordt in de vliegtuigindustrie veel toegepast, omdat een lijmverbinding in tegenstelling tot klinken resulteert in een oppervlak zonder uitstekende delen. Dit geeft goede aërodynamische eigenschappen. Ook zorgt lijm voor een gelijkmatige verdeling van de lijmkracht over vrijwel het gehele verbindingsoppervlak. Hierdoor worden nagenoeg spanningsvrije verbindingen met uitstekende statische en dynamische sterkte-eigenschappen verkregen. Ook zijn er geen verbindingsgaten aanwezig bij de toepassing van lijm, zodat de ongunstige spanningspieken op de randen van deze gaten afwezig zijn. Bij lassen (en solderen) zijn zeer hoge temperaturen vereist, om een goede verbinding tussen de te verbinden oppervlakken mogelijk te maken. Bij deze twee verbindingstechnieken is dan ook een verandering van de materiaaleigenschappen rondom de verbinding waarneembaar. De materiaaleigenschappen verslechteren in de meeste gevallen, terwijl bij lijmen alle materiaaleigenschappen constant blijven. Een ander voordeel van lijmen ten opzichte van lassen (of solderen) is de grote hoeveelheid van verschillende materialen die aan elkaar verbonden kan worden. Behalve metalen onderling is het mogelijk om andersoortige materialen zoals kunststof, rubber, glas en keramiek aan elkaar te bevestigen. Bij gelijmde verbindingen wordt de plaats van de verbinding direct afgedicht tegen vloeistoffen, brandstoffen en gassen. Ook heeft een met lijm gevulde naad een isolerende functie, waardoor mogelijke contacterosie die optreedt op het contactoppervlak als verschillende metalen met elkaar verbonden zijn wordt tegengegaan. Sommige lijmen kunnen naden van verschillende dikten in zekere mate opvullen. Daardoor worden eisen ten aanzien van de nauwkeurigheid en de toleranties minder streng en de fabricagekosten lager. Ook dempt een lijmnaad vaak mechanische trillingen, waardoor de constructie minder lawaai maakt. Een lijmverbinding heeft een goede corrosieweerstand en een goede vermoeiingsweerstand. Ook biedt een lijmverbinding een goede stijfheid. Nadelen en beperkingen van de lijmtechniek Een nadeel van het toepassen van lijmverbindingen is het feit dat lijmverbindingen relatief slecht bestand zijn tegen hoge temperaturen. Bij een temperatuur van ongeveer 300 °C is de lijmlaag volledig verstoord. Bij de meeste soorten lijm ligt de grens van het toepassingsgebied op ongeveer 80 °C.


18


Scriptie


2000

Een ander nadeel van het toepassen van lijmverbindingen zijn de (dure) oppervlaktebehandelingen die nodig zijn om een goede lijmverbinding te bewerkstelligen. De lijmvlakken moeten schoon en vetvrij zijn, veel schoner dan vlakken die met lassen of solderen met elkaar verbonden worden. Dit komt doordat de sterkte van de lijmverbinding afhankelijk is van de adhesie tussen de lijmlaag en de te verbinden oppervlakken. Welke oppervlaktebehandeling er nodig is, is het beste met een proefstuk te bepalen. Voor lijmverbindingen geldt dat het moeilijk is de kwaliteit van een tot stand gebrachte verbinding te controleren. Verder hebben de verschillende soorten lijmverbindingen nog andere voor- een nadelen. Enkele punten van aandacht zijn de uithardtijd, de uithardtemperatuur, de benodigde aandrukkracht en de chemische bestendigheid. Deze eigenschappen variëren per lijmsoort en zijn terug te vinden in de documentatie van de lijmfabrikant. Soorten lijmen Er kan onderscheid gemaakt worden tussen natuurlijke en synthetische lijmen. In de industrie wordt vooral gebruik gemaakt van synthetische lijmen. Er zijn verschillende soorten synthetische lijmen. Globaal kan je onderscheid maken tussen thermoplasten, thermoharders en rubber-hars-mengsels. Thermoplastische lijmen kunnen smelten, oplossen, en hebben een slechte warmte- en kruipweerstand. Ze worden meestal gebruikt voor lichtbelaste constructies onder lichte omstandigheden. Thermohardende lijmen zijn niet smeltbaar of oplosbaar en hebben een goede kruipweerstand. Zijn worden dan ook gebruikt voor zwaarbelaste constructies onder zware omstandigheden, zoals met hitte, extreme kou en straling. Rubber-hars mengsels zijn zodanig samengestelde mengsels van rubber en hars dat de combinaties van gewenste eigenschappen gehaald wordt. Voor zwaarbelaste verbindingen kan dus het beste gebruik gemaakt worden van thermohardende lijmen en de rubber-hars-mengsels. Deze lijmen worden ook wel “structural adhesives” genoemd. Van alle gebruikte “structural adhesives” valt 95% in één van de volgende zes groepen: 1. Epoxies, die een goede temperatuurs- en oplossingsbestendigheid hebben en erg sterk zijn. 2. Polyurethanen, die zeer buigzaam zijn en een goede afpelweerstand hebben. Ook hebben zij een goede weerstand tegen schokken en vermoeiing. 3. Acrylaten, die veel goede eigenschappen hebben en die ook aan vette delen hechten. 4. Anaerobics, oftewel de oppervlakgeactiveerde acrylaten, die goed schroefdraden en cilindrische vormen kunnen verbinden. 5. Cyanoacrylaten, die goed rubber en kunststoffen kunnen verbinden, maar die slecht tegen hoge temperaturen en vocht kunnen. 6. Siliconen, die goed tegen allerlei weersomstandigheden kunnen, en goed afsluiten. Polyesters, polyvinyl; en fenolharsen worden ook veel in de industrie gebruikt, maar zij hebben bepaalde beperkingen in de verwerking en prestaties. Er zijn ook hoge temperatuurlijmen beschikbaar, zoals polyimides, maar deze hebben maar een kleine markt. Toepassing in de automobielindustrie Lijmen wordt op dit moment nog weinig toegepast als verbindingsmethode, maar toch zijn er op de markt in een aantal auto’s lijmverbindingen te vinden. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de Audi A8 en de Lotus Elise. Lijmverbindingen worden in beide gevallen gebruikt om de aluminium componenten van een spaceframe te verbinden. Bij de Lotus Elise wordt hiervoor een epoxylijm gebruikt. Een grote lijmfabrikant, 3M, studeert op dit moment op een volledig gelijmde auto. Om de afpelweerstand te vergroten worden soms schroeven toegepast. Voor stalen carbodies is lijmen een weinig gebruikte methode, omdat deze meestal ineen worden gelast. Dit is goedkoper en biedt een betrouwbaarder resultaat.


19


Scriptie


2000

De verbindingsmethoden op een rijtje Als we de verschillende verbindingsmethoden vergelijken dan valt het op dat lassen, en dan vooral het puntlassen, bij staal de beste resultaten geeft. Het is goed te automatiseren, het geeft een goed en controleerbaar resultaat en de verbinding is bestand tegen hoge temperaturen. Bovendien kost het lassen van staal minder energie dan klinken, en zijn er minder oppervlaktebehandelingen nodig dan bij lijmen. Het is dan ook niet verwonderlijk dat stalen carbodies voornamelijk gelast worden. Voor aluminium carbodies is de keuze van de verbindingsmethode niet zo makkelijk. Voor aluminium is klinken of lijmen te prefereren boven lassen als de sterkte van geharde of verstevigde aluminiumlegeringen door de laswarmte aangetast wordt. Verder hangt de keuze van de verbindingsmethode vooral af van de bestaande productiefaciliteiten, de omgevingsinvloeden op de verbinding en natuurlijk de belastingsoort en –grootte. In de Audi A2 worden de hoogbelaste delen gelast door middel van MIG-lassen en laserlassen, maar ook popnagelen en lijmen wordt in deze auto toegepast. In de onderstaande tabel staan de verschillende verbindingsmethoden nog even op een rijtje. Klinken

Lassen

Lijmen

Oppervlakte behandeling nodig?

Nee

Soms

Ja

Treedt temperatuursverhoging op?

Nee

Ja

Soms

Verschillende materialen verbinden?

Ja

Nee

Ja

Resultaat bij staal

Goed

Zeer goed

Goed

Resultaat bij aluminium

Goed

Matig tot goed

Goed

Geschikt voor automatisering?

Matig

Goed

Matig

Verbinding volledig afgesloten?

Soms

Soms

Ja

Glad oppervlak na verbinden?

Nee

Matig

Ja

Treden spanningsconcentraties op?

Ja

Soms

Nee

Corrosiegevoelige verbinding?

Normaal

Normaal

Ja

Bestand tegen hoge temperatuur?

Ja

Ja

Nee

Is de kwaliteit makkelijk controleerbaar?

Ja

Ja

Nee

Alle verbindingsmethoden hebben hun eigen specifieke voor- en nadelen. Klinken en lijmen hebben als voordeel dat er verschillende materialen met elkaar verbonden kunnen worden, klinken en lassen hebben als voordeel dat er weinig oppervlaktebehandelingen nodig zijn om de verbinding tot stand te brengen. Een belangrijk argument om een verbindingsmethode te kiezen in de automobielindustrie is, naast de kwaliteit en duurzaamheid van de verbinding, de kosten van de verbinding en de mogelijkheid tot automatiseren. Voor zowel staal als aluminium is lassen het makkelijkst te automatiseren, omdat er geen extra stoffen zoals klinknagels of lijm hoeven worden toegevoegd tijdens het assemblageproces. Dit scheelt een aanvoervoorziening tijdens de assemblage, en daarmee veel geld. Het totaal aan eisen en argumenten om voor een bepaalde verbindingsmethode te kiezen is complex. Op het moment dat je een stalen carbody vervangt door een aluminium carbody verandert niet alleen de geometrie en vervaardigingmethode, maar ook de verbindingsmethode. Binnen de verschillende verbindingsmethoden zal een gefundeerde keuze gemaakt moeten worden, terwijl er nog weinig ervaring is


20


Scriptie


2000

Bronnen Alle verbindingsmethoden: Brandon, D. Kaplan, D, Joining processes, an introduction, John Wiley & Sons Ltd. Chichester, 1997 Parmley, R.O., Standard handbook of fastening and Joining, third edition, The McGraw-Hill Compagnies, New York, 1997 Wuich, W,Lijmen, solderen, lassen, De Vey Mestdagh, Middelburg,1985 Matek, W., Muhs, D., Wittel, H., Becker, M., Machine-onderdelen, normering, berekening, vormgeving, Academic service, Schoonhoven, 1993 Patrick E.P., Joining aluminium body structure, Automotive Engineering P 31-33 Mei 1992 McGregor I.J., A joint design approach for aluminium structures, Automotive Engineering, augustus 1993, blz. 49-53 Stol, I, Selecting manufacturing processes for automotive aluminium spaceframes, Welding Journal, v73, pp57-65 Feb 1994 Klinken Fiorani, S., Body and structure repair, November 1997, http://www.abrn.com/archives/1197tech.htm , 3 mei 2000 HTU

UTH

Types of Mechanical Fasteners, http://www.srl.gatech.edu/DLS/primer/ftypes.html#advantages , 3 mei 2000 Lassen Wuich, W,Lijmen, solderen, lassen, De Vey Mestdagh, Middelburg,1985 TWI Ltd ,TWI Job knwledge for welders no 21, http://www.twi.co.uk/bestprac/jobknol/jk21.html , 12 april 2000 H. B. Cary , Welding Aluminium, http://www.welding.org/newsletters/summer1998/aluminum.html , 12 april 2000 Lijmen Wuich, W,Lijmen, solderen, lassen, De Vey Mestdagh, Middelburg,1985 Russell E., Stickers for efficiency, Automotive Engineer nov 1999, blz. 73, 74 HTU

UTH

HTU

UTH

HTU


UTH

21


Scriptie


2000

6. TOEPASSINGEN Zowel de auto-industrie als de staal- en aluminiumfabrikanten zijn bezig met projecten waarbij gewichtsreductie van de carbody als uitgangspunt wordt genomen. In dit verslag zullen we de ACCESS, Audi A2 en de ULSAB behandelen: ACCES Dit is een afkorting voor Aluminium based Concept CO2 Emission Saving Subcompact. Dit project van Hoogovens in samenwerking NedCar Product Design and Engineering behelsde de ontwikkeling van een vijfdeurs aluminium lichtgewicht auto. Deze concept-car werd in 1996 tijdens de moto show van Geneve geïntroduceerd en was daarmee, naast de Audi A8, de eerste serieuze aluminium concept-car. Bij dit project werden al gewichtreducties van 250 kg gehaald. ULSAB Dit staat voor Ultra Light Steel Automobile Body, een project waarbij 31 staalbedrijven ( waaronder Corus ) willen benadrukken dat de ontwikkelingen bij het toepassen van staal nog lang niet ten einde zijn. De uitkomst is de fabricage van een carrosserie die aanzienlijk lager van gewicht is dan de huidige constructies, maar die toch voldoet aan de toekomstige veiligheidseisen zonder extra kosten te veroorzaken bij de serieproductie. Tegen gedeelde kosten bieden staalproducenten de auto-industrie een groot aantal mogelijke probleemoplossingen aan. ULSAB is een zelfdragende carrosserie waarbij een gewichtsreductie van 25% gehaald wordt ten opzichte van een vergelijkbare bestaande constructie. In totaal levert ULSAB een gewichtsreductie van 36% op. Door de verschillende extrusiedelen precies te dimensioneren op de gestelde stijfheideisen die ter plekke gesteld worden, wordt er op een meer economische manier met het materiaal omgegaan. De meeste gewichtsreductie zal behaald worden door het gebruik van dunner staal, hierdoor zullen eisen betreffende corrosie aanscherpen. Dit project heeft sinds vorig jaar een opvolger, te weten ULSAB-AVC ( Advanced Vehicle Concepts ). Het staalconsortium dat zich bezig heeft gehouden met het ULSAB-project heeft naar aanleiding van dat onderzoek een reeks veiligheidseisen opgesteld die aanzienlijk scherper zijn dan de standaard die op dit moment in de wereld gehanteerd wordt. Het is de bedoeling dat deze eisen in 2004 wettelijke grond krijgen. Het meeste botsonderzoek wordt gedaan in situaties waarbij een relatief zware auto met een licht object in botsing komt. Hierbij staat ofwel de auto stil ofwel het object. Het ULSAB-AVC project heeft proeven gedaan waarbij een relatief lichte auto in botsing wordt gebracht met een zwaarder voertuig. Eenvoudige natuurkunde leert ons dat het lichtere voertuig meer onder de botsing te lijden zal hebben. Dit project zal behalve de carbody nu ook optimalisaties voor de wielophanging, motorwieg en afsluiting ontwikkelen. Hierbij zal uitgegaan worden van twee autoklassen. Voor de eerste klasse geld de Chrysler Cyrrus als benchmark en voor de tweede klasse de standaard Europese C-klasse, zoals de peugeot 206. De uitkomsten van dit onderzoek zullen medio 2001 op het internet te lezen zijn. Audi A2 Tijdens de autoshow 1999 in Frankfurt presenteerde Audi de Audi A2, de eerste grote serie auto waarvan de body geheel van aluminium is vervaardigd. In 1994 had Audi al de Audi A8 gepresenteerd, waarmee het bedrijf een grote sprong had gemaakt in de ontwikkeling van lichte carbodies. Het lagere gewicht leverde een grotere wendbaarheid bij minder brandstof verbruik. Toch was deze auto alleen geschikt voor kleine series ( 15.000 per jaar ). De A2 is ontwikkeld om in series van 300 stuks per dag geproduceerd te worden. Door de verdere ontwikkeling van het spaceframe (zie figuur 7 ) ontstaat een gewichtsreductie van zo’n 150 kg ten opzichte van stalen auto’s. In deze auto zijn verbindingstechnieken zoals popnagelen, laserlassen en MIG-lassen toegepast.


22


Scriptie


2000

Het dakframe bestaat uit aluminium profielen die door interne hogedruk technieken gevormd worden. Op deze wijze kan een profieldwarsdoorsnede verkregen worden die varieert over de gehele lengte. Voor elk gebied van de constructie word zo de beste materiaal eigenschappen verkregen waarbij het gewicht tot een minimum beperkt wordt. De profielen worden door middel van vacuümgegoten aluminium knooppunten aan elkaar verbonden. A2 maakt gebruik van verbindings-technieken zoals laserlassen en MIG-lassen. Door deze Figuur 7 Het spaceframe van de Audi A2 technieken in combinatie met het nieuwe spaceframe ontwerp toe te passen is het aantal laspunten van 2500 teruggebracht enkele honderden. Audi probeert al jaren een zo gesloten mogelijk spletenbeeld te creëren, wat in dit geval resulteerde in een nieuwe lastechniek. Voor een aantal delen van het spaceframe is gekozen voor het 6000 magnesium-silicium aluminium. De te lassen delen moesten, om de gestelde toleranties te halen, tijdens het lassen aangedrukt wordend, daarom werd er een mechanisch systeem aan het robotisch gestuurde lashoofd vastgemaakt. Uiteindelijk bleek deze methode meer efficiënt dan het MIG-lassen of het popnagelen. Door de gehele zijkant van de carbody van dezelfde geëxtrudeerde delen te maken, is er een besparing ontstaan de op hoeveelheid hoofdcomponenten wat de hoge investeringskosten van het gebruik van aluminium kan drukken. Alcan Automotive heeft voor dit project een proces ontwikkeld waarmee dubbele platen aluminium tot complexe vormen, zoals benzine tanks, gevormd kunnen worden. Onder normale omstandigheden is de bewerkbaarheid van aluminium minder dan die van staal. Deze nieuwe techniek maakt gebruik van de invloed van hitte op de bewerkbaarheid van aluminium. De sterkte neemt af bij hogere temperaturen terwijl de rekwaarden stijgen. Door twee platen op elkaar te leggen met een verhit medium ertussen, gebruikmakend van een korte contacttijd, kunnen de platen vervormd worden terwijl de mal koud blijft. Op deze manier ontstaan er minder plaatselijke spanningsverschillen als gevolg van afkoeling. Naast de gewichtsbesparing en daarmee de brandstofbesparing, heeft de A2 nog een milieuvoordeel. Aluminium kan over het algemeen zonder kwaliteitsverlies hergebruikt worden, bij de A2 komt dit neer op 82% van de gehele auto dat opnieuw gebruikt kan worden. Bronnen Acces Houtzager K., Non-ferro metalen in auto's, Materialen, januari, februari 1997, blz 10/11 ULSAB Website ULSAB: http://www.ulsab.org , 26 april 2000 Stahl-evolution, Stahl-Informations-Zentrum Audi A2 Crosse J. , Leading lights, Automotive Engineer nov 1999, blz. 63, 64 Birch S., A2 arrives in Aluminium, Automotive Engineering International Nov. 1999, blz. 13 Website Audi; http://www.audi.com/java/models/index.html , 10 mei 2000 Lambregtse, H., In plaats van blik, Haagsche Courant, 8 april 2000 Kein Leichtgewicht in der Fertigung, Automobiel Industrie, März 2000, blz. 102, 103 HTU

UTH

HTU


UTH

23


Scriptie


2000

7. CONCLUSIE Zoals reeds eerder gezegd is de automotive industrie zeer conservatief. Dus ze zal niet zonder reden beginnen aan een kostbaar productieproces zoals de aluminiumtoepassingen die genoemd zijn. Op dit moment wordt de indruk gewekt dat Audi daar een absolute primeur mee heeft, toch is het gebruik van aluminium eerder geprobeerd. Uit kostenoverweging is het vervolgens niet doorgezet. Dit is echter al een tijd geleden en blijkbaar ziet Audi genoeg redenen om aluminium in serie toe te passen. De consument zal minder per kilometer betalen en heeft een auto die goed te herverwerken is, dit zijn in aanschaf hele duidelijke argumenten die ook vanuit de wetgeving gesteund worden.Het ULSAB project laat ons weer een ander beeld zien, door de grenzen van de staalbewerkingstechnieken op te rekken. De praktijk is dat het gebruiken van aluminium erg lastig is, bovendien is het moeilijk te combineren met de bestaande productiefaciliteiten. Bentley heeft al te kennen gegeven wel aluminium te gaan gebruiken voor het volgende model, maar toch uit te zullen gaan van staal. Aluminium is alleen haalbaar bij grote series en is nog niet van haar kinderziektes af. Toen Audi al haar aluminium kennis van het A- project wilde toepassen op het A2-project liep ze toch tegen een heleboel nieuwe problemen aan. Vooralsnog zal het marktmechanisme aantonen of aluminium op veel grotere schaal toegepast zal gaan worden. De voordelen zijn duidelijk en het lijkt ons ook dat het een goede lange termijn investering is om deze techniek verder te ontwikkelen. De uitwisseling van kennis is binnen de automotive industrie zeer beperkt, dus het is mogelijk lange tijd een monopoly op kennis te kunnen hebben.


24


Scriptie

8.


2000

BIJLAGE 1 – VERSLAG VAN HET BEZOEK AAN AUTORECYCLING DELFT

Autodemontage Van Velzen Adres: Lau Mazirelweg 8, Delft Postcode: 2629 HW Telefoon: (015) 262 18 11 Fax: (015) 262 18 11 Contactpersoon: Dolf van Velzen Autorecycling Delft is een autodemontage bedrijf dat aan gesloten is bij Auto Recycling Nederland. Daardoor verplicht het zich extra materialen uit de autowrakken te demonteren en die materialen op te slaan in containers. Voor iedere soort materiaal beschikken ze over een container. Als een container vol is, wordt deze opgehaald door de inzamelaar. De inzamelaar brengt vervolgens de materialen naar een verwerker. De verwerker zorgt ervoor dat de materialen hoogwaardig worden verwerkt. De overige gegevens hebben we uit een brochure gehaald. Momenteel zijn 277 autodemontagebedrijven bij ARN aangesloten. Deze bedrijven verwerken reeds 90% van alle afgedankte auto's. Per auto wordt circa 100 kilo extra materiaal gedemonteerd. Hierdoor worden jaarlijks miljoenen kilo's materiaal hergebruikt in plaats van gestort. Auto Recycling Nederland (ARN) is opgericht door de Nederlandse autobranche met als doel de hoeveelheid afval van afgedankte auto's drastisch te verminderen. Tot voor kort werd nog een groot aantal materialen als afval gestort. ARN heeft een concept ontwikkeld waardoor nu grote hoeveelheden materiaal worden hergebruikt. Zo zorgt ARN ervoor dat veel extra automaterialen worden gedemonteerd. Deze materialen zijn vervolgens weer te gebruiken als grondstof voor nieuwe producten. Gecertificeerde en bij Auto Recycling Nederland aangesloten autodemontage-bedrijven verplichten zich specifieke materialen te demonteren en af te laten voeren. Auto Recycling Nederland verplicht zich om voor deze in opdracht uitgevoerde werkzaamheden een vergoeding (de verwijderingpremie) te betalen. Door Auto Recycling Nederland geselecteerde inzamelaars en verwerkers verplichten zich de gedemonteerde materialen in te nemen en hoogwaardig te verwerken. Ook voor deze in opdracht van Auto Recycling Nederland uitgevoerde recyclingactiviteiten stelt Auto Recycling Nederland zo nodig verwijderingpremies beschikbaar. Auto Recycling Nederland overziet de hele verwerkingsketen, van de demontage tot de verwerking. Daardoor wordt milieuverantwoord en efficiënt werken bevorderd en kunnen de kosten beperkt blijven. Het aantal verwerkte autowrakken is de afgelopen jaren ook sterk toegenomen. Onze bedrijven verwerkten in 1995 nog 126.000 autowrakken. In 1998 is dit aantal gestegen tot 233.000. Aan het einde van 1998 werden al 9 van de 10 afgedankte auto's verwerkt door een ARN bedrijf. Voor de auto's die in 1997 zijn gedemonteerd is het -in 1995- gestelde doel van 86% recycling in het jaar 2000 reeds behaald. Door het succes van het gekozen recyclingsysteem is de verwijderingsbijdrage per 1 januari 1998 verlaagd tot ƒ 150,-. Hiermee heeft de autobranche bewezen dat de gezamenlijke milieuaanpak werkt. De autobranche heeft zich ten doel gesteld in het jaar 2000 tenminste 86% van het gewicht van een auto te recyclen. Bij het recyclingpercentage is sprake van een momentopname en het is afhankelijk van het gemiddelde gewicht van een autowrak, het metaalgehalte, de ARNmaterialen en de restfractie. Met behulp van deze gegevens is het recyclingpercentage berekend. Dit is weergegeven in onderstaande tabel. Metalen (aanname) ARN materialen


710 kg 97 kg

75,0 % 10,3 %

25


Scriptie

Recycling Restfractie Gemiddeld gewicht wrak


807 kg 139 kg 946 kg

2000

85,3 % 14,7 % 100 % Cijfers 1998

Wat betreft de verdere ontwikkeling van het recyclingpercentage moet rekening worden gehouden met de wisselende samenstelling van autowrakken. Daarbij spelen twee effecten. Auto's worden door onder andere meer veiligheidsvoorzieningen en meer luxe steeds zwaarder en zijn moeilijker te recyclen door het gebruik van meer soorten kunststoffen en het toepassen van meer lijmverbindingen. De materialen die nu reeds door ARN-bedrijven worden gedemonteerd, krijgen ook steeds meer gewicht. Een goed voorbeeld hiervan zijn de kunststof bumpers. Helaas is er nog geen ervaring met de nieuwe aluminium frames maar verwacht wordt dat dit een grote impact zal hebben op Auto Recycling Nederland.


26


DE TOEPASSING VAN STAAL EN ALUMINIUM IN DE CARBODY

Recommend Documents