DE LICHTERE KANT VAN ZWAAR TRANSPORT
Samengestelde materialen als carbon iber spelen een cruciale rol als we de uitdaging willen aangaan om de koolstofdioxide-uitstoot van voertuigen te verlagen. Voertuigen gemaakt van composietmaterialen wegen minder, wat een lager energieverbruik betekent.Composietmaterialen zijn er al een lange tijd. In de luchtvaartindustrie is Carbon Fiber Composite al vele jaren een integraal onderdeel van de vliegtuigromp, samen met staal, aluminium en andere materialen. De bouwnijverheid bouwt al decennia lang glasvezel schepen.
De definitie van een composietmateriaal is dat het een algemene structuur heeft met eigenschappen die beter en sterker zijn dan de som van de afzonderlijke componenten.
Composietmaterialen zijn er in verschillende vormen en maten, maar de meest voorkomende composiet bestaat uit een dragende vezel wapening omgeven door een beschermend materiaal. In koolstofvezel composieten worden de koolstofvezel draden geweven in verschillende patronen, afhankelijk van de gewenste eigenschappen van het materiaal, en vervolgens versterkt met plastic dat de vezels beschermt en het materiaal op zijn plaats houdt.
"Meestal is het gewenste eindresultaat wanneer u een composietmateriaal gebruikt, om het gewicht in een bewegende structuur te verlagen tot een lager energieverbruik", zegt Malin Åkermo, universitair hoofddocent lichtgewicht constructies op het departement luchtvaart en voertuig Engineering bij KTH Royal Institute of Technology, Stockholm.
Historisch gezien is het probleem met de wil van koolstofvezel dat de grondstof kostbaar is, wat op zijn beurt het afgewerkte composietmateriaal duur maakt in vergelijking met de meeste metalen. Maar, laatste tijd, zijn er productietechnieken ontwikkeld, die de kosten drukken in lijn met de toename van het gebruik in producten met een hoog volume in verschillende delen van de wereld.
"De grootschalige productie van koolstofvezel composieten bestond tot voor kort niet echt", zegt Åkermo. "Maar de laatste tijd is er een snelle ontwikkeling in de productie in landen als Duitsland en het VK. Fabrikanten in Zweden beginnen ook met het produceren van auto-onderdelen in koolstofvezel. "
Åkermo legt uit dat lage vraag een belangrijke reden is voor de bouwkosten van koolstofvezel die hoog blijven.
"Tot nu toe was de verlaging van het brandstofverbruik niet voldoende om de kosten van het verlagen van het gewicht van de auto voor de producenten te motiveren. Maar met strengere EU-regelgeving inzake brandstof emissies zullen we een toename van de productie zien. "
Maar een lager gewicht is slechts een van de vele voordelen van composietmaterialen. Bij de bouw van een materiaal vanaf het begin heb je de mogelijkheid om meer functionaliteit direct in het materiaal toe te voegen.
"De meest opwindende ' toekomstige toepassing ' op dit moment is het gebruik van multi-functionele materialen," zegt Åkermo.
"Een goed voorbeeld dat ik vaak gebruik zijn structurele batterijen. Koolstofvezel kan worden opgeladen met lithium-ionen en met het juiste soort kunststof u een materiaal maken dat zowel als belastingslager en als een batterij tegelijk werkt.
"Een ander voorbeeld is het oogsten van energie. We kunnen actuatoren insluiten in het composietmateriaal dat trillingen en beweging in energie converteert. Tijdens een vlucht bewegen de vleugels van een vliegtuig iets op en neer. We zouden die energie bijvoorbeeld kunnen gebruiken om de airconditioning in het vliegtuig te laten lopen. Op deze manier bouwt u slimheid in het product. "
De bouwmethoden die nodig zijn voor composietmaterialen en die gebruikt worden voor staal en aluminium verschillen sterk. Bijvoorbeeld, boren in een composietmateriaal is een meer delicate materie.
"Bij het boren in een composietmateriaal boor je door plastic en glasvezel op hetzelfde moment", legt Åkermo uit. "De materialen hebben niet dezelfde stijfheid, dus het is heel gemakkelijk om het zachtere plastic te beschadigen. En als je te veel druk toepast, zul je scheuren tussen de lagen krijgen. "
De ZACHTHEID van het plastic materiaal betekent ook dat moeren en bouten niet op dezelfde manier kunnen worden gebruikt als met staal of aluminium.
"Bij het aansluiten van twee stukken metaal, gebruik je vaak een momentsleutel om een bepaalde druk op de bovenkant van het gat toe te passen. Maar dit betekent dat u een dergelijke druk niet kan garanderen met composieten, dus u zult een schroefverbinding moeten gebruiken met moeren en ringen die de structuur zonder wrijving op het materiaal zullen ondersteunen.
De auto-industrie is onder degenen die ervoor kiezen om het materiaal samen te lijmen in plaats van boren in het. Een andere oplossing is om grotere en beter geïntegreerde onderdelen te maken om te voorkomen dat ze samen moeten worden samengevoegd.
Onderzoekers van Volvo zoeken inderdaad naar de perfecte balans tussen complexiteit en omvang van het onderdeel om het kostenbesparend te maken.
"Er zijn experimenten geweest met het maken van het lichaam van de auto in één stuk, maar het probleem is dat je een zeer grote pers nodig hebt", zegt Åkermo.
Voor autofabrikanten is een levensvatbare manier om koolstofvezel auto's te maken om koolstofvezel onderdelen in Premium auto's te introduceren om het productieproces te leren en te verfijnen.
"BMW bouwde de i3 die relatief erg duur is, maar werd voornamelijk gemaakt van koolstofvezel composieten. Nu integreren ze koolstofvezel in de pijlers van sommige van hun andere auto's ", zegt Åkermo.
In de snel veranderende wereld van het vervoer is het zonder twijfel noodzakelijk dat voertuigen slimmer en duurzamer worden als onderdeel van de inspanning om de uitstoot en het energieverbruik te verlagen.
Als het groeiende gebruik van composietmaterialen iets is om door te gaan, kijken we naar een toekomst met slimheids ingebouwd.
