Hoe productieprocessen lichtgewicht auto's bereiken

Het bereiken van lichtgewicht auto's is van vitaal belang om het brandstofverbruik van voertuigen met verbrandingsmotoren te verhogen en de actieradius van elektrische voertuigen (EV's) te vergroten. Een vermindering van het voertuiggewicht met 10% kan het brandstofverbruik met 6-8% verbeteren en de kooldioxide-uitstoot verminderen. ^[1]. Minder brandstofverbruik betekent ook minder uitstoot, wat goed is voor de duurzaamheid van het milieu.

Naast verbeteringen op het gebied van brandstofverbruik en actieradius, kunnen lichte auto's de prestaties aanzienlijk verbeteren, zoals remmen, rijgedrag en acceleratie. Lichtgewicht fabricage verlaagt ook de druk op de ophanging, remmen en banden, wat de slijtage vermindert. Het resultaat op de lange termijn is dat deze onderdelen langer meegaan en minder onderhoud nodig hebben.

Hoe kunnen fabrikanten auto-onderdelen lichter maken? Kan dit worden bereikt door simpelweg de traditionele materialen te vervangen door lichtgewicht alternatieven, of moet er opnieuw worden nagedacht over hoe auto-onderdelen worden ontworpen?

De “beginnersmythe” over lichtgewicht productie ontkrachten

Er bestaan veel misvattingen over het maken van lichtgewicht auto-onderdelen. Eén stroming zegt dat lichtgewicht kan worden bereikt door materiaalkeuze. Met andere woorden, een auto kan lichter worden gemaakt door simpelweg over te schakelen op lichtere materialen.

Op basis van deze misvatting zien ze productieprocessen als spuitgieten voor de auto-industrie, gereedschapen CNC-bewerking als louter de rol van “arbeiders” die een vastgelegde blauwdruk volgen. De tweede stroming is dat het gebruik van lichtere materialen ten koste gaat van de veiligheid. Geen van beide opvattingen over de lichtgewicht productie van voertuigen is waar.

Het is zelfs aangetoond dat moderne composieten een betere botsveiligheid bieden. ^[2]. Ze zijn effectiever in het absorberen van botsenergie dan metalen die in traditionele auto's worden gebruikt.

Lichtgewicht productie met behulp van spuitgieten

Zonder twijfel speelt de materiaalkeuze een belangrijke rol bij het lichtgewicht maken. Optimale sterkte en vorm kunnen echter bijna volledig worden bereikt zonder het gewicht te verhogen door optimalisatie van het ontwerp en innovatieve productiepraktijken, zoals hieronder beschreven:

1. Het uithollen van profielen om materiaal te besparen

Volumineuze onderdelen kunnen hol worden gemaakt aan de binnenkant. Deze holte wordt meestal bereikt door spuitgieten met gasondersteuning of schuimen. Bij fysisch schuimen wordt bijvoorbeeld stikstofgas of koolstofdioxide in gesmolten kunststof geïnjecteerd. Het gas zorgt ervoor dat het gesmolten plastic in de mal uitzet. Het gesmolten plastic vangt de gasbellen op, waardoor een interne structuur ontstaat die poreus is en op schuim lijkt.

Chemisch schuimen wordt ook vaak gebruikt, en omvat de toevoeging van een chemisch blaasmiddel (CBA) zoals Azodicarbonamide (ADC) en natriumbicarbonaat of citroenzuur, aan de hars. Bij verhitting ontbindt het CBA en komt er gas vrij, waardoor hetzelfde effect ontstaat als bij fysisch schuimen. Schuimen creëert een vaste buitenlaag en een schuimachtige kern. Dit verlaagt het materiaalgebruik en helpt om het product licht te houden, zonder de dimensionale stabiliteit te ondermijnen.

2. Ribben gebruiken als aanvulling op dunwandige constructies

Een andere belangrijke praktijk in lichtgewichtproductie voor auto's is het gebruik van geavanceerde productietechnieken (zoals spuitgieten van dunne wanden en vacuümvormen) om onderdelen te maken met dunnere wanden (<1 mm dik), terwijl de structurele integriteit van het onderdeel behouden blijft.

Deze spuitgiettechniek maakt gebruik van hoge druk, snelheden (>1000mm/s) en geavanceerde machines om de dunne holtes goed te vullen. Dunne wanden worden meestal ondersteund met ribben en spanten om stijfheid en sterkte te bieden waar deze eigenschappen nodig zijn. Ribben kunnen ook defecten voorkomen zoals zinkvlekken.

3. Consolidatie van meerdere onderdelen

Wanneer een auto-onderdeel uit meerdere onderdelen bestaat, moet elk van de verschillende onderdelen aan elkaar worden gelast of bevestigd. Het las- of bevestigingsmiddel draagt uiteindelijk bij aan het gewicht van het afgewerkte onderdeel. Bij lichtgewichtproductie worden onderdelen die te complex zijn opnieuw ontworpen om ze gemakkelijker te kunnen produceren met één spuitgietproces.

Door meerdere onderdelen samen te voegen tot een enkele, gegoten eenheid zijn er geen secundaire bevestigingen nodig, zoals klinknagels en bouten, waardoor het gewicht van het onderdeel afneemt. Mallen voor het maken van snap-fit ontwerpen waarvoor tijdens de montage geen extra bevestigingsmiddelen nodig zijn, kunnen de toevoeging van lifters of schuivers, waardoor de kosten mogelijk zullen stijgen. Andere voordelen van onderdelenconsolidatie voor lichtgewicht auto's zijn:

• Constructies maken met een enkel doorlopend deel heeft meestal een hogere structurele integriteit in vergelijking met meerdere aan elkaar verbonden stukken, die zwakke punten kunnen introduceren bij de verbindingen.
• Consolidatie stelt fabrikanten in staat om meer onderdelen te maken met minder arbeid en tegen lagere kosten.

Misschien ben je ook geïnteresseerd in “Verschil tussen de productie van ICE- en EV-onderdelen“.

Lichtgewicht productie met CNC-verspaning

Computergestuurde machinale bewerking, of CNC-verspaning, is een van de veelgebruikte subtractieve productiemethoden. Bij dit fabricageproces bestuurt voorgeprogrammeerde software een machinegereedschap om een blok materiaal (hout, kunststof of metaal) nauwkeurig uit te snijden tot een gewenst onderdeel of product.

Het hoge precisieniveau van het bewerkingsgereedschap maakt deze techniek nuttig voor het maken van complexe ontwerpen. De hoge mate van automatisering elimineert ook menselijke fouten en interventies, waardoor fabrikanten arbeidskosten kunnen besparen. Veel voorkomende lichtgewicht auto-onderdelen die met deze techniek worden gemaakt, zijn:

• Motoronderdelen en koelsystemen voor elektrische voertuigen
• Chassis en ophangingen, inclusief draagarmen en steunen
• Onderdelen van de motor, waaronder het motorblok, de zuiger, cilinderkoppen en krukassen

Een van de redenen waarom CNC machinale bewerking cruciaal is voor lichtgewicht productie is de veelzijdigheid van het materiaal. Onderdelen kunnen worden gemaakt van verschillende materialen, waaronder aluminium, koolstofvezel, titaniumlegeringen, magnesium en andere gespecialiseerde kunststoffen. Deze materialen worden vaak gekozen vanwege hun sterkte-gewichtsverhouding.

Het is cruciaal om een hoge dimensionale nauwkeurigheid te behouden bij het maken van geoptimaliseerde lichtgewicht componenten. Onnauwkeurigheden in afmetingen kunnen de prestaties, functionaliteit of structurele integriteit van het product of onderdeel in gevaar brengen. Moderne meerassige CNC bewerkingen, zoals de 5-assige machines, kunnen complexe meer-dimensionale onderdelen maken. Geavanceerde ontwerpmodificaties voor lichtgewicht productie die kunnen worden bereikt met CNC-verspaning zijn onder meer:

• Complexe holle of interne kanalen: Bij het ontwerp van holle secties van auto-onderdelen zoals motoronderdelen en koelplaten, wordt CNC-verspaning gebruikt om nauwkeurig materiaal uit de interne onderdelen te verwijderen op een manier die handmatig praktisch onmogelijk is. Om lichtgewicht auto-onderdelen te maken, kan deze techniek worden gebruikt om delen uit te hollen waar sterkte niet nodig is, waardoor het gewicht van het onderdeel omlaag gaat.
• Onderdelen met nauwe toleranties maken: CNC-bewerking kan worden gebruikt om een extreem niveau van precisie (ongeveer ±0,01 mm), nauwkeurigheid en consistentie te bereiken. Dit verhoogde precisieniveau zorgt ervoor dat elk onderdeel perfect past, wat de veiligheid kan verhogen door de laagst mogelijke materiaaldikte te gebruiken.

De hoge precisie van CNC bewerking optimaliseert de productie op een manier die materiaalverspilling vermindert in vergelijking met andere traditionele methodes. Dit is vooral nuttig voor lichtgewicht productie in de auto-industrie waarbij dure materialen met hoge prestaties worden gebruikt.

Lichtgewicht auto's met behulp van hybride productie

Hybride productie is een term die de combinatie van verschillende productietechnieken beschrijft om lichtgewicht onderdelen te maken. CNC-verspaning (een subtractief productieproces) wordt bijvoorbeeld gecombineerd met 3D printen (een additief productieproces) om complexe, lichtgewicht onderdelen te maken met nauwe toleranties die met een van beide methoden moeilijker te realiseren zouden zijn.

Hybride productie met 3D-printen en CNC-verspaning

Hybride productie maakt gebruik van de complementaire sterke punten van de afzonderlijke technieken op het gebied van materiaalefficiëntie, ontwerp en afwerking. Een veel voorkomende hybride lichtgewicht productie combineert de krachten van 3D printen en CNC machinale bewerking.

3D-printen wordt gebruikt om zeer complexe interne geometrieën te maken, zoals holle kanalen of roosters. Hybride productie ontsluit een niveau van ontwerpvrijheid dat ongeëvenaard is door andere methoden. De grootste kracht van dit additieve productieproces is het creëren van dit soort complexe interne geometrieën zonder de structurele integriteit aan te tasten. Het presteert echter slecht op het gebied van tolerantie en afwerking.

Daarom wordt na het 3D-printen van het holle onderdeel met een lichtgewicht materiaal, CNC-bewerking gebruikt in de nabewerking om de gewenste tolerantie en uiterste precisie (±0,002 mm) in de inwendige structuur en een gladde oppervlakteafwerking aan de buitenkant (Ra0,4μm). Andere voordelen van het gebruik van een hybride lichtgewicht productieproces met 3D printen en CNC machinale bewerking zijn onder andere:

• Grotere vermindering van materiaalafval: 3D printen wordt eerst gebruikt om de holle vorm te maken, waarna CNC bewerking slechts minimaal materiaal hoeft te verwijderen, wat afval en kosten bespaart.
• Snellere productiecycli: Omdat 3D printen en CNC machinale bewerking geautomatiseerd kunnen worden, elimineert het combineren van beide het handmatig verplaatsen van onderdelen, wat het productieproces kan vertragen.
• Stroomlijnen van het productieproces: Geïntegreerde software beheert beide processen, waardoor inefficiënties en fouten worden voorkomen.

Hybride lichtgewicht productie met 3D printen en spuitgieten

3D-printen wordt vaak gecombineerd met spuitgieten, vooral in het Voxelfill-proces. ^[3]. Het proces is ontwikkeld en gepatenteerd door AIM3D. Het Voxelfill proces maakt gebruik van een 2-staps fabricageproces om de zwakte te overwinnen die gepaard gaat met de Z-as van laag-voor-laag 3D-geprinte onderdelen:

• De eerste stap is het maken van de rasterstructuur met behulp van 3D-printing: De structuur die lijkt op een honingraat is 3D-geprint met behulp van een composiet-extrusiemodeller.
• De tweede stap is het vullen van het raster of Voxel vullen: Een extruder wordt gebruikt om thermoplastisch materiaal in de interne holtes van het rooster te injecteren. Het vulmateriaal kan schuim zijn en is bedoeld om de stijfheid en sterkte te verhogen zonder het gewicht te verhogen.

De toekomst van lichtgewicht productie draait om ontwerpen met meerdere materialen (MMD). In plaats van een algemene vervanging van materiaal, plaatst MMD strategisch het beste materiaal voor een specifieke vereiste op de juiste plaats. Zo kan staal met een hoge sterkte worden gebruikt in gebieden die een hoge crashbestendigheid vereisen, terwijl aluminium wordt gebruikt in buitenpanelen waar gewichtsvermindering de prioriteit is.

Referenties

[1] Amerikaanse Ministerie van Energie. (n.d.). Lichtgewicht materialen voor auto's en vrachtwagens. Bureau voor energie-efficiëntie en hernieuwbare energie.https://www.energy.gov/eere/vehicles/lightweight-materials-cars-and-trucks

[2] Universiteit van Tennessee Knoxville. (2023, februari 27). Promovendus test botsveiligheid van composietmateriaal met ongekende diepgang. Departement Civiele en Milieutechniek. https://cee.utk.edu/phd-student-tests-composite-crashworthiness-in-unprecedented-depth/

[3] Engineering.com. (2022, oktober 24). Wat is het Voxelfill-proces? Engineering.com. https://www.engineering.com/what-is-the-voxelfill-process/