1

Gebruik van lichtgewicht materialen in voertuigen

Jasper Kelderman

IA – San Francisco

Op 1 augustus 2012 verscheen het rapport 'Advancing Technology for America’s

Transportation Future', geschreven in opdracht van Secretary Chu van het

Amerikaanse Department of Energy (DoE). Het rapport, waaraan driehonderd

experts twee jaar hebben gewerktgewerkt adviseert Secretary Chu over

toekomstige voertuigtechnologie. Lichtgewicht materialen krijgen hier een

belangrijke rol, omdat het minder energie vraagt om een lichter voorwerp te

versnellen.

Schattingen van het DoE geven aan dat een gewichtsreductie van tien procent leidt

tot zes à acht procent minder brandstofverbruik - en dus minder emissie. Onder

leiding van het DoE hebben verschillende organisaties onderzoeksprogramma’s

op het gebied van lichtgewicht materialen voor de automobielindustrie opgezet.

Het doel is de ontwikkeling en validatie van geavanceerde materialen en

productietechnologieën om zo veilig, duurzaam en kostentechnisch verantwoord

een significante gewichtsreductie te bereiken.

Gewichtsreductie kan op korte termijn worden bereikt door zware stalen

onderdelen te vervangen door hoog-sterkte staal, aluminium, titanium en

glasvezelversterkte composieten. Voor deze materialen zijn de eigenschappen en

productieprocessen al ver doorontwikkeld. Voor verdere gewichtsreductie op

langere termijn komen geavanceerde materialen zoals magnesium en

koolstofvezel versterkte materialen in beeld. Die vragen nog uitgebreid onderzoek

om een beter begrip van de materiaaleigenschappen te krijgen en om

kostenreducties te bereiken. Figuur 1 geeft een inschatting van het gebruik van

verschillende typen materialen in een auto vroeger, nu en in de toekomst.

Twee andere factoren spelen nog een rol bij gewichtsreductie. Bij een andere

materiaalkeuze is ook optimalisatie van het ontwerp voor dit nieuwe materiaal

mogelijk. Een mooi voorbeeld hiervan wordt gegeven in Figuur . Daarnaast is er

de zogeheten 'mass decompounding', het concept dat gewichtsreductie van één

onderdeel ervoor zorgt dat andere onderdelen lichter worden uitgevoerd. Volgens

verschillende studies kan dit dertig tot honderd procent extra gewichtsreductie

opleveren.

Bij de ontwikkeling van nieuwe materialen en processen heeft de

automobielindustrie specifieke eisen. Deze kunnen sterk verschillen van andere

sectoren die lichtgewicht materialen gebruiken, zoals bijvoorbeeld de lucht- en

ruimtevaartsector. The Minerals, Metals and Materials Society identificeerde vier

problemen die momenteel van toepassing zijn op (meerdere) lichtgewicht

materialen in de automobielsector:

• Slechte weerstand tegen corrosie en slijtage

• Gebrek aan technologie om verschillende soorten materialen te integreren

2

• Gebrek aan snelle en kosteneffectieve productieprocessen

• Gebrek aan mogelijkheden voor in situ schade-detectie

Drie vooraanstaande partijen

Voor de ontwikkeling van lichtgewicht materialen voor de automobielsector zijn

verschillende partijen in de VS belangrijk. Het National Center for Manufacturing

Sciences (NCMS) is een organisatie waarin de Amerikaanse industrie gezamenlijk

aan innovaties werkt. Het NCMS heeft een specifiek Lightweight Automotive

Materials Program (LAMP). USCAR is een joint-venture tussen Chrysler, Ford en

General Motors, waarin de drie grote Amerikaanse autofabrikanten gezamenlijk

technologie ontwikkelen. Binnen USCAR is er het Automotive Materials

Partnership (AMP), met een onderzoeksprogramma voor composieten en één

voor metalen. Het National Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en het Pacific

Northwest National Laboratory (PNNL) hebben elk ook verscheidene

onderzoeksprogramma’s op dit gebied.

Hoogtepunten ontwikkelingen - Metaal

Een afgerond project binnen LAMP met onder andere BMW, Dassault Systèmes en

Clemson University, keek naar de mogelijke toepassing van titanium in de

automobielsector. Bij de keuze voor titanium moeten de superieure sterkte-

gewichtsverhouding en corrosie-weerstand afgewogen worden tegen de hoge

materiaal- en productiekosten. Uit het onderzoek bleek dat de totale

levensduurkosten van een titanium onderdeel gelijk liggen aan die van de huidige

metalen onderdelen. Het gebruik van titanium is daarom economisch haalbaar om

de massa van een voertuig te verminderen. Helaas ligt het nadeel van de hogere

kosten bij de producent, terwijl de voordelen bij de gebruiker liggen; minder

onderhoud en lager brandstofverbruik. Het omlaag brengen van de

materiaalkosten kan wellicht worden bereikt door alternatieve titaniumlegeringen

te gebruiken. De productiekosten kunnen mogelijk omlaag door betere simulatie

van het productieproces. Verder onderzoek zal zich op deze twee focusgebieden

richten.

Een lopend project bij het PNNL kijkt naar de vervormbaarheid van aluminium.

Sterke vervorming van aluminium vergt momenteel concessies aan mechanische

eigenschappen, waaronder sterkte. Binnen dit project wordt een aerodynamische

aluminium dakconstructie ontwikkeld. Hiervoor moet de vervormbaarheid van

aluminium van zestien naar veertig procent worden gebracht, zonder de

mechanische en afwerkingseisen te verminderen. Bij het onderzochte

productieproces gebeurt de initiële vervorming op een hogere temperatuur en de

afwerking bij koude temperatuur. De eerste resultaten met proefstukjes zijn

veelbelovend.

Hoogtepunten ontwikkelingen - Composieten

3

Recent werd een in 2006 gestart groot AMP-project afgerond. Binnen dit project

werd een onderstel van composiet ontworpen en geproduceerd. Het resultaat was

een gewichtsreductie van 31 procent. Om dit onderstel te kunnen toepassen werd

een innovatieve lasmethode ontwikkeld voor de assemblage. Hiernaast leverde het

project een composiet stoel op, weergegeven in Figuur 3. Het resultaat was een

gewichtsreductie van 23 procent ten opzichte van de huidige stalen stoel. De

productiekosten van beide onderdelen waren nog wel te hoog. Dit project betrof

voornamelijk een proof-of-concept, de individuele partijen bekijken nu elk apart

de vervolgstappen.

Een huidig project binnen LAMP heeft als doel om ultralichtgewicht composiet

sandwichpanelen te ontwikkelen. Sandwichpanelen bestaan uit een lichtgewicht

kern met een sterke huid (zie Figuur 4). Dit soort panelen worden al vaak

gebruikt in de lucht- en ruimtevaartsector. Voor de automobielsector zijn ze nog

nauwelijks onderzocht. Door toepassing van Computer-Aided Engineering (CAE)

en door het toepassen van nieuwe combinaties van materialen voor kern en huid

is het doel een gewichtsbesparing van zestig procent.

Composieten bieden de mogelijkheid om ook andere dan structurele functies te

vervullen. Dit maakt andere systemen overbodig, wat leidt tot verdere

gewichtsbesparing. Een lopend project binnen LAMP wil deze eigenschap

gebruiken en een structureel lichtgewicht composiet onderdeel te ontwikkelen dat

communicatiesignalen kan doorgeven. Dit willen de onderzoekers bewerkstelligen

door optische vezels in het composiet te integreren. Deze ontwikkelingen zitten in

een proof-of-concept fase. Daarbij wordt vooral gekeken of het productieproces

en de vervormingen tijdens het gebruik de optische kabels niet beschadigen.

Nieuwe voertuigconcepten

Naast bovenstaande ontwikkelingen die zich met name richten op het lichter

maken van bestaande voertuigen bieden de nieuwe materialen de mogelijkheid

volledig nieuwe voertuigconcepten te ontwikkelen. Een voorbeeld daarvan is

onderstaande Edison2.

Figuur 5

Met de elektrisch aangedreven Edison2 hoopt men een brandstofverbruik van 450

equivalente mijl per gallon (eMPG) te behalen. Dat is omgerekend 191 kilometer

per liter brandstof. Om dit in prespectief te plaatsen: de hybride Toyota Prius haalt

50 MPG, (21 km/liter) en de elektrische Nissan LEAF 99 eMPG (42 km/liter). Als

de prestaties van de Edison2 bewaarheid worden betekent dat dus een enorme

sprong vooruit.

Conclusie

De VS erkent de voordelen van lichtgewicht materialen in de automobielsector.

Onderzoeksprogramma’s die zich richten op de specifieke vraag vanuit deze

4

sector lopen en de eerste successen zijn geboekt. Grootschalige praktijktoepassing

van deze materialen vraagt nog wel veel onderzoek en ontwikkeling.

Sources:

1. U.S. Department of Energy - Advancing Technology for America’s

Transportation Future

2. U.S. Department of Energy - Materials Technologies: Goals, Strategies and

Top Accomplishments

3. http://lamp.ncms.org/

4. U.S. Department of Energy - Jaarverslag 2011 Vehicle Technologies

Program.

Figuur 1: Typische samenstelling van materialen in auto's van vroeger, nu en in de

toekomst - Bron: U.S. Department of Energy

Figuur 2: Voorbeeld van gewichtsreductie door vervangen van het materiaal en

verandering van het ontwerp – Foto’s U.S. Department of Energy

5

Figuur 3: Composiet stoel - Source: USCAR

Figuur 4: Sandwichpaneel

Figuur 5: de Edison2 Very Light Car