Obesitas-auto moet afslanken

34-35-36-37-38_Lichtgewicht 01-10-12 11:14 Pagina 34

DOOR: PAUL QUAEDVLIEG

Obesitas-auto moet afslanken Op de komende EuroBlech in Hannover (D) zal het nodige te zien zijn op het gebied van lichtbouw, want de moderne auto moet op afslankcursus. Automobielfabrikanten zoeken massaal de samenwerking met universiteiten, kennisinstituten en machineleveranciers. Met de alsmaar stijgende brandstofprijzen, de steeds strenger wordende milieuwetgeving en de opkomst van de elektrische mobiliteit, wordt er meer aandacht gegeven aan het gewicht van de auto zonder concessies te doen op het gebied van veiligheid. Figuur 1. Er worden veel verschillende materialen gebruikt in de carrosserie van een moderne auto (foto: Audi)

Tijdens een symposium afgelopen zomer van

Leichtbau-Zentrum Sachsen en ThyssenKrupp

den beide materialen gecombineerd en dat bij

ThyssenKrupp over elektrische mobiliteit ging

ontwikkelen samen nieuwe sterke structuuron-

acceptabele productiekosten en energiever-

één van de presentaties over de InEco, een vier-

derdelen, bijbehorende verbindingstechnolo-

bruik.

persoons elektrische auto die inclusief accu nog

gieën en economische productietechnieken.

geen 900 kg weegt (zie figuur 2). Deze ‘concept

Voor de automobielindustrie verwachten de

Staalsandwich

car’ is vergelijkbaar met een nieuwe Audi A3

partners veel van de combinatie staal-koolstof-

Staal en koolstofvezel zijn op verschillende ma-

qua afmetingen, beschikt over een 60 kW elek-

vezel. Hierbij worden de voordelen van beide

nieren met elkaar te combineren. ThyssenKrupp

tromotor en een accupakket waarmee een ac-

materialen samengevoegd, zodat lichtbouw

spreekt van onder meer een patchbouwwijze,

tieradius van 100 km wordt gehaald. Qua mate-

ook economisch te verwezenlijken is. Bij een

vlechten of wikkelen en een sandwichstructuur.

rialen is deze toekomstige auto het neusje van

botsing kan staal gecontroleerd vervormen en

Door de verschillende combinaties is het hybride

de zalm: staal, koolstofvezel, vezelversterkte

niet meteen breken zoals koolstofvezel. Het-

materiaal op verschillende plaatsen te gebrui-

kunststoffen, hybride materiaal bestaande uit

zelfde geldt voor de drukbestendigheid. Ook is

ken in een auto. Zo wordt in het InEco concept

koolstofvezel met polyurethaanschuim, alumi-

staal eenvoudiger en met een dunnere laklaag

de dorpel (zie figuur 3) gemaakt van dun plaats-

nium en een combinatiemateriaal bestaande uit

te voorzien dan koolstofvezel. Aan de andere

taal (0,7 mm) omvlochten met koolstofvezel (1,7

staal met koolstofvezel. De projectpartners In-

kant heeft koolstofvezel een betere vervor-

mm). Eerste testen wijzen uit dat deze dorpel

stitut für Leichtbau und Kunststoftechnik (ILK)

mingsweerstand en heeft natuurlijk een 80 pro-

net zo sterk is als een dorpel van plaatstaal met

van de Technische Universiteit Dresden, het

cent mindere massa. In het InEco-project wor-

een dikte van 1,68 mm, maar met een gewicht

34

jaargang 50 | www.metaalmagazine.nl | 8-2012


M A T E R I A L E N

van 5,2 kg ten opzichte van 8,0 kg. Momenteel is ThyssenKrupp in de onderzoeksfase belandt van het materiaal InCarbon. Dit is een sandwichstructuur bestaande uit twee dunne staalplaten met een kern van koolstofvezel. Dit materiaal is stevig en stijf, maar heeft het staaltypisch buiggedrag. Het is zo’n 35 procent lichter ten opzichte van een vergelijkbare staalplaat. Belangrijk is dat alle staalgebaseerde carrosserieconcepten behouden blijven en dat de conventionele perslijnen ook gebruikt kunnen worden. Het materiaal zou een alternatief kunnen zijn voor bepaalde aluminiumonderdelen.

Figuur 2. InEco is een concept van een lichtgewicht vierpersoons elektrische auto met een massa van slechts 900 kg inclusief accu’s (foto: Paul Quaedvlieg)

Warmomvormen Staal is nog altijd één van de belangrijkste ge-

het stevig is en naar verhouding eenvoudig in

zeer interessant is. Hierbij is het mogelijk een

bruikte materialen bij het bouwen van auto’s.

een vorm te persen is. Een relatief nieuw en

lage massa te combineren met een hoge sterkte

Maar het soort staal en de dikte hiervan is wel

veelbelovend omvormproces in de strijd tegen

en een hoge stijfheid, zonder exotische (en dus

even anders dan twintig jaar geleden. Boven-

de zwaargewicht-auto is het warmomvormen

dure) materialen te gebruiken. Bij het warmom-

dien staan de ontwikkelingen niet stil en wor-

van staalplaat. Dit proces, ook wel ‘press harde-

vormen worden de toegepaste plaathalffabri-

den er vaker combinaties met andere materia-

ning’of ‘hot forming’ genoemd, is een omvorm-

katen vooraf, voor het omvormen, in een oven

len gebruikt. Staalplaat wordt gebruikt omdat

procedé van staalplaat dat voor autobouwers

verhit tot rond de 900°C. De tijd in de oven

>>>

Uitstoot ‘rules’ Automobielfabrikanten worden door de wetgeving verplicht om in 2015 een gemiddelde uitstoot per automerk te hebben van maximaal 120 gr CO2 per kilometer. In 2030 moet dat zelfs 95 gr CO2/km zijn. Hoe lichter de auto, des te minder CO2-uitstoot. Zo’n 100 kg minder gewicht betekent al gauw een afname van tussen de 8,8 en 12,5 gr CO2/km. Bij elektrische auto’s, die zogenaamd geen CO2-uitstoot hebben (discutabel als de stroom niet groen is), is er een andere reden om lichter te bouwen. Een moderne lithium-ion accu voor een autoaandrijving weegt nog altijd een paar honderd kilo. Dus moet een lichtere auto dat gewicht compenseren. Volgens een studie van McKinsey zorgt de CO2-wetgeving voor een flinke groei op het gebied van lichtbouwconstructies. De markt groeit van 70 miljard euro naar zo’n 300 miljard euro in 2030. Dus worden materialen zoals hogesterktestaal, aluminium, magnesium en composietenmaterialen steeds vaker door automobielfabrikanten Figuur 3. Een dorpel gemaakt van dun plaatstaal (0,7 mm) omvlochten met koolstofvezel (1,7 mm), maar net zo

gebruikt.

sterk als staal met een dikte van 1,68 mm (foto: Paul Quaedvlieg)


35


wordt gebruikt om de juiste austenitische structuur te verkrijgen. De verwarmde plaatdelen moeten daarna zo snel mogelijk naar de pers om afkoeling te voorkomen. De pers sluit, vormt het plaatdeel en blijft enkele seconden gesloten. Gedurende deze tijd wordt het plaatdeel afgekoeld. De hoge afkoelsnelheid in combinatie met de legeringselementen zorgt voor een harde kristalstructuur. Na het harden worden de plaatdelen (nog altijd zo’n 200°C) uit de pers gehaald en verder getransporteerd. Als voorbeeld nemen we de nieuwe Audi A3 die onlangs op de markt kwam. Hierbij worden warmomgevormde carrosseriedelen gebruikt met een dikte van tussen de 0,95 mm en 2,0 mm. Bij deze delen spreken de Duitsers zelfs van ‘ultrahochfeste Stähle’. Deze plaat- en structuurdelen worden vooral gebruikt in de carrosserie om maximale sterkte te geven zoals bijvoorbeeld de dragers in de bodem, veiligheidsbalken in de deur et cetera. Naast de warmomgevormde carrosseriedelen wordt er in de Audi

Min 80 kg

A3 ook ‘zeer hogesterktestaal’ gebruikt, ‘nor-

Audi presenteerde onlangs de nieuwste generatie compacte middenklasser A3. De Duitsers,

maal hogesterktestaal’, ‘zacht staal’ en alumi-

toch al bekend van het veelvuldig gebruik van lichtgewicht materialen zoals aluminium en

nium, waarbij het juiste materiaal op de juiste

magnesium, zeggen vol trots dat de nieuwe A3 tot 80 kg lichter is dan zijn voorganger. Het is

plek ingezet wordt (zie figuur 1 en kader

duidelijk dat met de nieuwste materialen en productietechnieken winst te halen valt. In veel

rechts). Hierdoor wordt er alleen al aan de

gevallen vooral kilo’s en CO2-winst (foto: Audi AG).

frame van de auto 25 kg bespaard ten opzichte van de vorige versie van de Audi A3.

Bescherming van accu’s

Aangepaste persen

Hardline-serie, bestaande uit een oven, een pers

Persenbouwer Schuler speelt in op de stijgende

en bijbehorende automatisering (robots). De

vraag naar warmomgevormde plaatdelen met

Hardline PCH twin is hiervan de nieuwste ont-

een drietal verschillende productielijnen uit de

wikkeling. Deze bestaat uit een 1.200 tons pers

Tegenwoordig zijn er diverse horrorverhalen over elektrische auto’s die na een botsing in brand vliegen, doordat de accu is beschadigd. Fabrikanten die elektrische auto’s ontwikkelen doen er dan ook van alles aan om die accu’s zo goed mogelijk te beschermen. De Streetscooter, een kleine elektrische auto, mede ontwikkeld door de RWTH in Aken (D), moet vooral veilig en betaalbaar zijn. De bodem van de auto, waar zich ook de accu’s bevinden, is opgebouwd uit verschillende soorten staalplaat. De dorpels absorberen de bots-energie, de langsliggers hebben een maximale sterkte ter bescherming van de accu’s (foto: ThyssenKrupp).

Figuur 4. Schuler heeft voor het warmomvormen een proces ontwikkeld, waardoor de onderdelen sneller afkoelen, het Pressure Controlled Hardening (foto: Schuler)

36



M A T E R I A L E N

generatie Range Rover geïntroduceerd. De nieuwe Range Rover is de eerste SUV ter wereld met een geheel aluminium, zelfdragende carrosserieconstructie. Een constructie die 39 procent lichter is dan de stalen carrosserie van zijn voorganger, waardoor een totale gewichtsbesparing mogelijk is geworden die, afhankelijk van de uitvoering, kan oplopen tot 420 kg. Kijk, dat zijn kilo’s die tellen. Deze vermindering van met twee stoters (rammen) die elk 600 ton pers-

gewicht zorgt voor lagere verbruiks- en emissie-

kracht hebben. Elke tafel is van het PCH type

waarden, van steeds groter belang voor de SUV-

(Pressure Controlled Hardening) waarin 23 hy-

markt. Hierdoor krijgt de nieuwe Range Rover

draulische cilinders zijn geplaatst. Voordelen

met TDV6-motor in Nederland zelfs een C-label

zijn het gecontroleerde afkoelen, de optimale

(voorheen een E-label). En dat is weer gunstig

krachtverdeling op alle componenten, er kun-

voor de BPM.

nen verschillende delen in één slag gemaakt

Het aandeel aluminium valt eigenlijk wat tegen

worden, de matrijshoogtes kunnen verschillen

bij de nieuwe A3, hetgeen waarschijnlijk met de

en er kan eventueel ook met maar één matrijs

kostprijs te maken heeft, maar ook door het ho-

gewerkt worden (zie figuur 4).

gere aandeel aan warmomgevormde stalen car-

Bij de Hardline PCH twin wordt een oven gele-

rosseriedelen. Bovendien zit op compacte auto’s

verd met een lengte van 60 m. De cyclustijden

nu eenmaal een kleinere verdienmarge dan op

liggen hier tussen de 8 s en 15 s per onderdeel.

de luxe topklasse. Waar luxe auto’s als een Audi

Figuur 5. De fusee van de nieuwe Audi A3 is gemaakt van gegoten

Overigens is Schuler ook met andere ovencon-

A8 en een R8 een spaceframe én diverse carros-

aluminium (foto: Paul Quaedvlieg)

cepten bezig. Het nadeel van de huidige ovens

serieplaatdelen hebben van aluminium, wordt

met rollenbanen is de lengte en dus de vier-

dit materiaal bij de A3 alleen gebruikt bij de

kante meters gebruikte vloeroppervlakte. Als

motorkap, beide voorspatborden, het hulp-

goed te vormen en op het eind van het produc-

concept toonde Schuler op haar huisshow in

frame van de voorwielophanging, de fusees van

tieproces heel sterk. Bijna het ideale materiaal

juni ovens die de hoogte ingaan en waarbij zo’n

de voorwielen (zie figuur 5), een gegoten alu-

om een carrosserie van te maken. Maar door de

25 procent minder vloeroppervlak nodig is.

minium motorblok, een cilinderkop met geïnte-

complexe productiemethoden en het vele

greerd uitlaatspruitstuk (zie figuur 6) en nog di-

handwerk is het vooral een duur materiaal.

verse onderdelen.

Sommige bronnen spreken van twaalf- tot acht-

Aluminium Het lichtgewicht materiaal aluminium is popu-

tienvoudige hogere kosten ten opzichte van

lair in de automobielindustrie. Vooral Audi was

Koolstofvezel

staal. Ook is de productie van koolstofvezel

in het verleden één van de aanjagers van het

Het hightech materiaal koolstofvezel (ook vaak

meer belastend voor het milieu. Bij de productie

gebruik van dit materiaal. Inmiddels wordt het

carbonfiber genoemd) is vooral bekend uit de

van dit materiaal komt een veelvoud van CO2

door meerdere merken gebruikt om vooral de

racerij. Vooral als we een Formule 1 auto zien

vrij in vergelijking met staal. Het is nog maar de

zwaardere luxe auto’s minder massa mee te

crashen, spatten de koolstofvezelstukjes in het

vraag of dat later door brandstofbesparing

geven. Onlangs werd bijvoorbeeld de nieuwste

rond. Koolstofvezel is licht, tijdens de productie

weer terug te winnen is. Tevens is koolstofvezel

Productie koolstofvezel dak BMW heeft samen met Schuler de nodige ervaring opgedaan met het maken van een koolstofvezel dak in serie voor de BMW M3. De productie van het koolstofvezel dak gebeurt in een aantal stappen. Eerst worden de diverse vezels tot een soort mat verweven. Deze mat wordt in een ‘preform’-pers geplaatst, waarbij het dak wel de vorm krijgt, maar nog niet de stevigheid heeft. Het slappe halffabrikaat wordt daarna in een volgende pers geplaatst, waarbij middels het RTM-proces (resin transfer molding) hars onder hoge druk in de matrijs wordt geïnjecteerd. In de matrijs wordt het product uitgehard, waarna het stevige koolstofvezel dak uit de matrijs wordt gehaald. Door middel van mechanische bewerkingen (frezen van de kanten, boren van gaten) krijgt de dak zijn uiteindelijke vorm, waarna deze ingebouwd kan worden in de BMW M3. Alles bij elkaar een complexer en duurder proces dan gewoon een stalen dak, maar bij exclusieve auto’s zoals de BMW M3 wel een verkoopargument.


37

>>>


koolstofvezelonderdelen voor de BMW elektrii8. In totaal is 40 miljoen euro geïnvesteerd in de

Achterbankleuning van magnesium

nieuwe productiefaciliteit, waar zo’n honderd

Een materiaal dat nog niet zo veel wordt

mensen komen te werken (zie figuur 7). Er zijn

toegepast in de automobielbouw is mag-

drie persstraten gebouwd voor het persen van

nesium. Onlangs toonde BMW M (van de

de koolstofvezelcarrosseriedelen. Elke pers

sportieve BMW’s) op een workshop over

heeft een massa van 320 ton, een vermogen van

lichtbouw een deelbare achterbankleu-

200 kW en een perskracht tot 36.000 kN. Het ge-

ning gemaakt van magnesium. Met een

wicht van de matrijzen bedraagt 85 ton. De

gewicht van 5,45 kilo wordt een ge-

Figuur 6. Door het uitlaatspruitstuk in de aluminium

elektrisch aangedreven BMW i3, die in 2014 op

wichtsbesparing bereikt van meer dan 50

cilinderkop te integreren wordt ook materiaal en dus

de markt komt, heeft een passagierscomparti-

procent ten opzichte van staal. De

gewicht bespaard (foto: Audi)

ment dat grotendeels uit koolstofvezel is opge-

nieuwe achterbankleuning voldoet des-

bouwd.

ondanks aan alle wettelijke crashcriteria,

sche en hybride voertuigen zoals de BMW i3 en

of koolstofvezelversterkt kunststof minder goed

zoals beschreven in norm ECE R17. Het

te vervormen hetgeen de nodige impact heeft

Conclusie

magnesium met een dikte van 1,5 mm en

bij een botsing. Ondanks deze nadelen is BMW

Gedreven door de milieueisen wordt er een

2 mm komt af van ThyssenKrupp Magne-

één van de eerste autofabrikanten die gestart is

forse groei verwacht op het gebied van lichte

sium Flachprodukte (foto: ThyssenKrupp).

met de serieproductie van koolstofvezelver-

auto’s. Het is inmiddels duidelijk dat veel auto-

sterkte componenten. Het bedrijf heeft de afge-

mobielfabrikanten de samenwerking opzoeken

lopen jaren ervaring hiermee opgedaan met

met de materiaal- en machineleveranciers, want

onder meer de productie van een dak van kool-

alleen kunnen ze het niet meer. Maar ook an-

stofvezel voor de snelle BMW M3 (zie kader). In-

dersom gaan de materiaalleveranciers zelf op

middels is er een compleet nieuwe productiehal

zoek naar alternatieven om maar te kunnen

verrezen in Landshut (D) voor de productie van

blijven leveren aan de autofabrikanten. Ook is duidelijk dat staal straks nog steeds een substantieel onderdeel uitmaakt van een autocarrosserie, het zal alleen dunner, lichter en sterker zijn.

Warmomvormen AP&T voor Volvo

Wel lopen de diverse fabrikanten straks tegen

Persenbouwer AP&T heeft een opdracht gekregen van

andere problemen aan. Hoe zijn de verschil-

Volvo voor de levering van twee complete lijnen voor het

lende materialen met elkaar te verbinden? Las-

warmomvormen van carrosseriedelen. De lijnen die con-

sen, lijmen, clinchen? Hoe worden de hybride

Bronnen:

tinu gaan werken worden in 2015 uitgeleverd. In de hui-

materialen straks gerecycled? Hoe wordt een

Weiter.Vorn, het Fraunhofer-Magazin

dige Volvo’s vormen warmomgevormde delen tussen de

schade aan een auto gerepareerd? Voorlopig

Audi

7 en 17 procent van de carrosseriemassa. Voor de vol-

zullen we het aan de buitenkant van een auto

BMW

gende generatie auto’s wil Volvo dit percentage verdub-

nog niet zien, maar als u straks een nieuwe Audi

Ford

belen. Wat opvalt is dat Volvo deze onderdelen nu in

A3 ziet rijden, besef wel dat deze nieuwe versie

Land Rover

eigen huis gaat maken. Volgens Volvo heeft dat te maken

ettelijke kilo’s lichter is dan zijn voorganger.

AP&T

met het feit dat de globale auto-industrie in de nabije

Nieuwe auto’s worden voortaan alleen maar

Schuler Group

toekomst volop gebruik gaat maken van warmomge-

lichter!

ThyssenKrupp

<<<

vormde delen. Door een deel van de componenten zelf te gaan maken, verzekert Volvo zich van een constante aanvoer van onderdelen, zeker als toeleveranciers mogelijk met een tekort aan productiecapaciteit te maken krijgen (foto: AP&T).

Figuur 7. In Landshut worden de koolstofvezelcarrosseriedelen voor de BMW i3 en i8 gemaakt (foto: BMW)

38


Obesitas-auto moet afslanken

Recommend Documents