Special: koolstofvezel in de auto-industrie

Koolstofvezel neemt een steeds belangrijkere plaats in in de autoindustrie, maar wat is het precies, en wat is het onderscheid tussen de gebruikte soorten carbon fibre reinforced plastic (CFRP)? Hierop geven we in dit artikel een antwoord.

In de basis is carbon het volgende: een polymeer/plastic die een versterkt met vezels, dat met behulp van een speciale hars in een vacuumzak onder hoge druk in een speciale oven 'gebakken' wordt. Het materiaal is licht en supersterk. In deze combinatie heeft elk materiaal zijn eigen functie, de vezels dragen de belasting, het plastic beschermt de vezel en verbindt ze.

Carbon fibre reinforced plastic (CFRP) is een composiet: letterlijk een samenstelling van 2 materialen waardoor de gemengde eigenschappen beter zijn dan de basis.

Omdat de verwerking van koolstofvezel bijna altijd met de hand gebeurt, is het een duur materiaal. BMW is de eerste massaproducent die (via zijn dochter SGL Carbon) koolstofvezel machinaal en op grote schaal weet toe te passen, in de monocoque van de BMW i3, die door zijn stijfheid geen B-stijl meer nodig heeft.

Naast BMW zijn de toepassingen van carbon vooral high-end, supercars van Lamborghini en Ferrari bestaan voor een flink deel uit carbon, en ook in de racerij wordt het lichte materiaal veel toegepast. Wie een auto van onder de 100.000 euro met carbon monocoque wil, maar geen BMW, is aangewezen op de Alfa-Romeo 4C, die zijn vezels krijgt aangeleverd van het Nederlandse Ten Cate. Of deze McLaren, maar die heeft slechts 2 wielen.

Koenigsegg, tot slot, bakt zijn eigen kleine koolstofvezel onderdelen, bijvoorbeeld de (holle) velgen voor de Agera.

Verschillen in sterkte

Vanzelfsprekend is niet elk stukje koolstofvezel even sterk. Producenten hebben op bepaalde strategische plekken extra stevigheid nodig, hiervoor wordt carbon gebruikt dat is opgebouwd uit meerdere lagen. Het spreekt voor zich at dit duurder (en zwaarder) is dan een weefsel met minder lagen, maar dat is een keuze die gemaakt wordt. De LaFerrari bijvoorbeeld kent 4 verschillende soorten carbon van verschillende sterkte.

Behalve een praktische gewichtsbespaarder is carbon ook niet te onderschatten als PR-tool. Het zal niet de eerste keer zijn dat een fabrikant zich triomfantelijk op de borst klopt dat zijn carbon veel stijver is dan dat van de concurrentie.

Feit is wel dat het materiaal zich, naast de tradionele luchtvaart- en racesector, de laatste jaren op een toenemende aandacht van de automotive industrie kan verheugen. Lamborghini richtte enkele jaren geleden een Carbon Research Facility op.

Droge vs natte composieten

Koolstofvezel laat zich onderverdelen in droog en nat carbon. De droge variant is ook wel bekend als prepeg. De rol waarop het basismateriaal zit is al geïmpregneerd met de epoxyhars. Het is stug materiaal, maar zodra je het vacumeert en in de oven stopt zal het materiaal zich gaan vormen, omdat de hars vloeibaar wordt.

Droog carbon is de crème-de-la-crème onder de koolstofvezels, met een fabricageproces dat een foutmarge van nagenoeg nul kent. Het materiaal is tot 70% lichter dan nat koolstofvezel en bevat volstrekt geen overtollige hars. Het andere nadeel (naast zero-tolerance) laat zich raden: het goedje is peperduur. Onderstaande grafiek toont echter dat als je sterk wilt, je aangewezen bent op prepeg (de andere 2 methoden zijn Resin Transfer Molding (RTM) en Sheet Molding Compound (SMC)):

Bij nat koolstofvezel wordt het koolstofvezel geweven in een mal, en aan de oppervlakte voorzien van een harslaag. In de oven wordt de hars onder een vacuum door de koolstofvezels geduwd om zo de verbinding die het goedje zo sterk maakt tot stand te brengen. Mits goed uitgevoerd komt er een eindproduct uit de oven met een gelijkmatig verdeelde hoeveelheid hars, dat over de hele oppervlakte ongeveer even sterk is.

Bovenstaande methode wordt in de vakterminologie ook wel 'infusion' genoemd. Mocht het doel van de koolstofvezeltoepassing meer cosmetisch dan praktisch zijn, dan kan een goedkopere methode worden toegepast die 'painting' heet. Hierbij wordt de vacuumoven overgeslagen. Het eindproduct is dan stukken goedkoper, maar mist tegelijkertijd consistentie en is bovendien zwaarder.

In het geval van bijvoorbeeld een paar carbon sierstrips in het interieur van je Audi S8 is dat echter geen ramp, want die strips gaan je leven niet redden bij een crash.

Hoe onderscheid ik droog van nat carbon?

Dat is niet heel moeilijk, de twee verschillen behoorlijk in uiterlijk, waarbij de naam al voldoende uitleg geeft. Droog oogt doffer, en nat glanst meer. Kijk maar naar onderstaande foto.

Update: naar het schijnt is het herkennen van de soorten een stuk lastiger dan aanvankelijk beschreven: de malkwaliteit bpaalt de 'dofheid' van CFRP. Vooral leidend in het onderscheid is de verhouding tussen koolstof en hars.

Een technische benadering van CFRP

Nu we de verschillende varianten hebben gedefinieërd wordt het tijd een professional aan het woord te laten. Een van onze lezers, Jordy van Nimwegen, is werkzaam in de industrie, en deelde de volgende kennis met ons:

Grofweg worden er bij CFRP 2 varianten toegepast: georiënteerd, waarbij de vezels in een vooraf bepaalde richting worden toegepast (deze hebben de beste eigenschappen) en ongeoriënteerd, waarbij de vezels in allerlei richtingen liggen. De tweede groep wordt al lange tijd en veelvuldig toegepast in auto’s, bijv. in bumpers en interieurdelen:

• Waarom is de oriëntatie zo belangrijk?

Je kan de vezel zien als een touw in gebed in plastic, onder o graden trek je volledig aan de vezel echter als je doordraait naar 90 graden worden de vezels alleen nog bij elkaar gehouden door het plastic. Door de vezels in richting van de belasting te plaatsen kun je optimaal gebruik maken de eigenschappen, dit wordt anisotropie genoemd. Metalen en plastics hebben gelijke eigenschappen in alle richtingen en zijn dus isotroop.

• Waarom is het zo interessant?

Gewicht, zoals bekend, is een killer voor acceleratie, handling en uiteindelijk verbruik. Materialen worden mechanisch globaal gedefinieerd door hun stijfheid en sterkte. Echter is de dichtheid ook van groot belang.

• Prijzig

Koolstofvezel wordt geproduceerd door een plastic vezel te 'verkolen' via een serie ovens. Dit proces vergt een hoge mate van nauwkeurigheid, te weinig verkolen en de eigenschappen blijven dichtbij de basis plastic vezel, te ver verkolen en de vezel wordt bros en fragiel. Hierdoor ligt de prijs van koolstofvezel tussen de 15-25€/kg, in vergelijking de staalprijs ligt op enkele euro’s per kg.

De daarop volgende stap, het samen brengen met plastic van het CFRP-deel is in vele manieren mogelijk. Als we kijken naar de voor de automotive geschikte productietechnieken dan worden onderdelen opgebouwd door lagen vezels, al dan niet in een weefsel, op elkaar te stapelen in een mal. Daarna wordt de mal gesloten en het plastic in vloeibare vorm ingebracht. Het om zetten van een vloeibaar plastic naar een vast plastic kan op kamertemperatuur maar voor snelheid en kwaliteit is het gebruikelijk om de temperatuur te verhogen tot 80-150graden.

• Is het nou echt een wondermateriaal?

Ja en nee. Het is licht en kan tevens in voor metaal onmogelijke vormen gemaakt worden, maar er kleven ook nadelen aan: CFRP’s hebben een heel ander faalgedrag dan metalen, deze buigen en vervormen voordat ze kapot gaan, CFRP’s daarentegen breken meteen.

Verder is de gebruikstemperatuur direct afhankelijk van het gebruikte plastic, die vaak niet veel hoger dan 150°C toegepast kunnen worden. Ook is het verbinden niet mogelijk volgens het conventionele lassen, verlijmen is een veelgebruikte techniek; hierin heeft de luchtvaart al een ruime ervaring.

Leesvoer

Nog meer weten? Dan bevelen we je deze serie van The Truth About Cars aan, dat in 2012 bij Lexus op bezoek ging, en keek hoe de LFA geproduceerd wordt.