Die Kohlefaser-Zukunft: Es geht um mehr als die Geschwindigkeit (Op-Ed)

Nikhil Gupta ist Associate Professor und Steven Zeltmann ist eine studentische Hilfskraft in der Composite-Materialien und Mechanik Labor Maschinenbau und Aerospace Engineering Department an New York Universität Tandon School of Engineering. Die Autoren dieses Artikels Leben Wissenschaft beigetragen Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Jedes Jahr, Auto-Shows kommen in Städten auf der ganzen Welt, aber nur wenige Auserwählte haben das Rampenlicht und Glanz, die speziell nach New York ist. Die Automobilindustrie hat in den letzten fünf Jahren durch die Achterbahnfahrt der Gaspreise, die Einführung neuer Technologien und Verschiebungen im Geschmack der Verbraucher enorme Veränderungen erlebt.

Aber ein Trend zeichnet sich: leichte composite-Materialien auf dem Display an der letztjährigen New York International Auto Show bieten Einblick in das, was zu erwarten, da die Show 2016 noch in diesem Monat öffnet – und für die Automobil-Modelle der Zukunft.

Fühlen sich die Faser

Kohlenstoff-Faser-verstärktem Kunststoff (CFK) Composites – auch Kohlefaser-Laminat genannt – sind die nächste Generation-Materialien für die Herstellung von Autos leichter, sparsamer und sicherer. Carbon-Laminat ist extrem stark und steif wegen seiner gewebten lagen fast reinem Kohlenstoff-Fasern durch eine gehärtetem Kunststoff, wie z.B. Epoxidharz verklebt.

Weil die Fasern ganz Kohlenstoff, ihre Dichte ist nur ca. 1,6 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cc) – vergleichbar mit der Dichte der Haushaltszucker — was Carbon Laminate mit dichten von etwa 1,3 bis 1,5 g/cc.

Jedoch die Carbon Laminat Herstellungsprozess ist komplex und erfordert Handarbeit oder teure Robotermaschinen, die hohen Kosten für das fertige Teil führen. Und am häufigsten verwendete Polymer (Epoxidharz) erfordert 24 bis 50 Stunden, nachdem es zu festigen ist in der Carbon-Faser, die weiter steigenden Kosten infundiert. Im Gegensatz dazu die Dichte von Stahl beträgt etwa 7,8 g/CC. Carbonfasern sind etwas stabiler als Stahl, aber haben ein Fünftel des Gewichts. Carbon-Laminat-Dichte ist so gering, es schlägt sogar das leichteste strukturelle Metall, Magnesium, hat eine Dichte von 1,8 g/cc.

Ein Statement

Wie vorauszusehen war, High-End-Performance-Autos Nutzung großer Mengen von Verbundwerkstoffen in ihren Strukturen Gewicht zu reduzieren und die Leistungsziele höhere Spitzengeschwindigkeiten, schnellere Beschleunigung oder erhöhte Lebensdauer der Batterie (in Elektroautos) zu erreichen.

Das attraktive Erscheinungsbild der Carbon-Laminat, zusammen mit der Öffentlichkeit die Faszination dieses Wunder-Material hat jedoch zu viele kosmetische Anwendungen sowie geführt. In der Tat sind die kosmetischen Anwendungen schnell den Weg in High-Volume-Produktion Autos machen. [Carbon Nanofaser macht intelligente Garn]

Ein Beispiel für ein Auto mit einem All-Kohlefaser-Karosserie ist der McLaren 570S — die Bauplatten und Körperrahmen besteht aus Carbon Laminate. Diese $185.000 Supersportwagen hat einen 562 PS V8-Motor mit zwei Turboladern, gibt es eine Beschleunigung von 0 auf 60 mph von 3 Sekunden und eine Höchstgeschwindigkeit von 204 mph (328 km/h). Weil so viel von dem Auto aus Verbundwerkstoffen hergestellt wird, wiegt es nur 3.150 kg (1.429 Kilogramm).

Ein Auto wie der 570S mit völlig Verbundstruktur Herstellung ist ein gewaltiges Unterfangen. Da das erste Formel-1-Carbon-Laminat-Auto im Jahr 1981 kamen, die Technologie hat umgestellt, nur eine SELECT-Anweisung einige Serienmodelle – trotz intensiver Anstrengungen in Forschung und Entwicklung in den vergangenen 35 Jahren. Einige der komplexesten Herausforderungen produzieren Carbon Laminate in komplexen Formen, Sicherstellung einheitlicher Eindringen von Epoxy in den Teilen, unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften, wenn das Material aus verschiedenen Blickwinkeln getroffen wird (Stärke ist besser in die Richtung der Fasern) und Qualitätskontrolle zu gewährleisten.

Bewältigung dieser Herausforderungen ist teuer, also Carbon-Laminat Composites nur ausgiebig in Modellen, die ausschließlich leistungsorientierten verwendet werden, einschließlich der Alfa Romeo 4 C, der neue Ford GT und der Hybrid Porsche 918.

Nach einer langen Geschichte Ergebnisse

Vor nicht langer Zeit erreicht Autos Gewichtsreduktion durch so viele Teile wie möglich entfernen. Ältere, leichte Porsche hatte Nylon-Saiten für innere Türgriffe und keine Rücksitze, und paar High-Performance-Autos waren, Fronteinschub, Radios oder sonstige Vorrichtungen, die nicht unbedingt notwendig war. Dies ist nicht mehr der Fall, wie wir in das Innere des McLaren 650 s sehen. Der Innenraum des Wagens macht auch ausgiebig Gebrauch von Carbon Laminate, einschließlich die Lenkrad-Speichen können Designer zurück in Gewicht für ein Navigationssystem und viele Komfort-Features hinzufügen. Neben der Gewichtsersparnis, die Kohlefaser-Teile dienen eine ästhetische Rolle: eine Erinnerung an den Kunden von den fortgeschrittenen Materialien beim Bau ihres Fahrzeugs verwendet.

Sport-Versionen von Luxusautos verwenden auch ausgiebig Verbundwerkstoffen, wie Maserati GranTurismo MC, wo die gesamte Haube Struktur und eine große Anzahl von anderen Komponenten aus Carbon Laminat bestehen. In diesem Beispiel, eine große Anzahl von Gelenken, Nieten und Schrauben dienen zum befestigen das Carbon Laminat Teile. Ingenieure glaubten einmal, dass die Fasern brechen und die Komponente schwach machen würde Bohren von Löchern für Verbindungselemente. Innovative Konstruktion und umfangreiche Tests haben jedoch diese Probleme behoben.

Weil die metallischen Teile berühren Carbon Laminat schneller korrodieren, haben Designer Spezialbeschichtungen für die Verbindungselemente und die Carbon Laminate entwickelt. Diese teuren Autos nicht oft rauen Umgebungen ausgesetzt sind und tendenziell bessere Pflege erhalten, die hilft, dieses Problem zu minimieren, aber es bleibt ein Problem beim Übergang von Composites Technologie in Mainstream-Autos.

Ähnlich wie bei der 650, der GranTurismo MC enthält auch eine Option für Carbon Laminat trim für verschiedene Interieur-Komponenten. Vorderen Armaturenbrett trimmen, Lenkung, Lenkrad montierten Schaltwippen, Schweller fügt und Seitentür Einsätze sind verfügbar in Carbon Laminat trimmen. Das Aussehen ist jedoch der Hauptgrund für die Verwendung von Carbon-Laminat in diesen Orten. Einige der trimmen Komponenten ersetzen, Holz oder Kunststoffe in früheren Modellen, die sind nur leicht, was bedeutet, dass das Carbon-Laminat nur aus kosmetischen Gründen in einigen dieser Anwendungen verwendet wird.

Eine Reihe von externen Komponenten des GranTurismo MC werden auch aus Carbon composite hergestellt. Der Heckspoiler, Türgriffe und Rückspiegel Gehäuse sind Beispiele für solche Komponenten. Die $85.000 Cadillac CTS-V ist ähnlich ausgestattet. Großkomponenten, die aerodynamische Belastung, wie Spoiler und Splitter, unterliegen profitieren stark von der Steifigkeit und geringes Gewicht Carbon Laminate. Allerdings sind viele der anderen äußeren Einfassungsteile Carbon Laminate in erster Linie aus ästhetischen Gründen gemacht. In vielen Autos wie den Audi R8 stehen diese Zierleisten als Extras. Allerdings speichern Großkomponenten wie die Motorabdeckung und Seitenteile, Gewicht von metallischen Komponenten in der R8 ersetzen.

Wohl eher technisch bemerkenswert, Composites haben seit langem verwendet in Fahrzeugen ohne Anerkennung – Toyota und andere haben lange fein verteilte Nanoplättchen Ton zur Verbesserung der UV-Beständigkeit von Stoßstangen aus Kunststoff und die Stärke der Nylon-Keilriemen verwendet, aber nur wenige Menschen haben sie wegen ihrer unscheinbaren Erscheinung bemerkt.

Im Gegensatz dazu attraktiv aussehende Carbon Laminate sind Fashion-Statements geworden, weil kein anderes Material die Kombination der Faser Gewebe Textur repliziert, tiefschwarze Farbe und hoch glänzende Oberfläche finish Carbon Laminate.

Kohlenstoff und Elektro

Eine bedeutende Avenue für die zunehmende strukturelle Verwendung von Carbon Laminate ist Elektro-Autos. Leichte-Materialien eignen sich gut zu diesem aufstrebenden Marktsegment, da die driving-Range mit einer Akkuladung sehr empfindlich, Batterie Platzierungsoptionen werden verbessert, indem er komplexe Tragwerke formschlüssig und ihr Aussehen passt gut in die futuristische Ausstrahlung, die Elektro-Auto-Hersteller zu erreichen versuchen Gewicht liegt.

Wie Elektroautos weiterhin aus der Spitzengruppe des Marktes, wie z. B. der BMW i8, ein zugänglicher Segment bewegen – wie das Tesla Model 3, BMW i3 und Volkswagen eGolf — sie werden weiterhin auf Carbon Laminate verlassen. I8 und i3 schon Carbon Laminat-Gremien zur Gewichtsreduzierung.

Die breite Verwendung als Zierleisten unterstreicht die beliebten Wunsch, Hochleistungswerkstoffe in sogar gemeinsame Autos zu sehen. Dass Autokäufer Kohlefaser mit hoher Leistung und Qualität verbinden bedeutet, dass die Zukunft für diese Materialien in der Automobilindustrie vielversprechend ist.

An der New York International Auto Show 2016 rechnen wir noch in diesem Monat für einen verstärkten Einsatz von vorhandenen Carbon Teile, wie Rückspiegel Gehäusen, Spoiler und Heckdiffusoren Laminat zu sehen. Diese Teile sind durch spezielle Carbon-Laminat-Hersteller gefertigt, die sie nun für andere Modelle zu einem niedrigeren Preis anpassen können. Einen verstärkten Einsatz von einige große Teile, wie z. B. Sitzstrukturen, entstehen auch in diesem Jahr. Umfangreiche Verwendung von Carbon Laminate in einem Fahrzeug aus einem relativ erschwinglichen Segment, der BMW i3 — die erzielte einen Umsatz von 11.024 Einheiten im Jahr 2015 – erbringt Leistung führt zu Routine robuste Fahrbedingungen und bessere Schätzungen für Reparaturkosten. Daten aus solchen Modellen werden Push Carbon Laminate in mehr Mainstream-Autos helfen. Die Abgasnormen anziehen, werden alle Autos erfordern die Aufhellung durch fortschrittliche Materialien ermöglicht.

Die neue Welle von Elektroautos wird wahrscheinlich fördern die Fusion der funktionalen und ästhetischen Rollen von Composites und kontinuierliche Verbesserung der Kohlefaser-Laminat Technologie beschleunigt diese Anwendungen. Motorabdeckung, Stamm-Liner und hinteren Luftauslässe scheinen bereits auf dem Weg zum verstärkten Einsatz sein.

Aber vielleicht die meisten kritisch, die All-Carbon-Composite-Körper der i3 und i8 — und andere Produktionsmodelle – sind die Daten auf die Leistung der Haube und Crash Box Entwürfe bei einem High-Speed-Unfall. Bisher ist das Ergebnis ausgezeichnet Carbon composite Leistung unter Crash-Bedingungen, die Nutzung weiter vorantreiben wird.

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