Lichtgewichttechnologie is al lang een steunpilaar van auto- en ruimtevaarttechniek en zal dat zeker blijven. scheepsbouw en tal van andere industrieën. Lichtere materialen en componenten kunnen ook helpen de uitstoot te verminderen die klimaatverandering stimuleert. Maar lichtere opties zijn duurder, en de relatief hoge kosten hebben hun goedkeuring belemmerd. Dat gaat veranderen dankzij de inspanningen van een consortium van autofabrikanten, leveranciers en onderzoeksinstituten. ALLIANCE genaamd en gecoördineerd door Daimler en het Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF, dit project heeft goed nieuws voor ontwerpers:het blijkt dat het is heel goed mogelijk om componenten te bouwen die tot 33 procent lichter zijn tegen een meerprijs van minder dan drie euro per bespaarde kilogram.

Als we klimaatverandering willen aanpakken, we zullen de schadelijke uitstoot van auto's moeten terugdringen. Een manier om dit te doen is door lichtere voertuigen te bouwen. Autofabrikanten zijn traag geweest om die weg in te slaan omdat lichtgewicht componenten prijzig zijn. Ze zijn gewoon te duur voor budgetmodellen. Als lichtgewicht ontwerpen mainstream worden en de meerderheid van de geïnstalleerde componenten uitmaken, ingenieurs zullen een manier moeten vinden om de prijzen te verlagen.

CO ₂ uitstoot met 25 procent verminderd

Dit is precies wat de talrijke partners die betrokken zijn bij het project Affordable LIGHT-weight Automobiles Alliance van de EU – of kortweg ALLIANCE – wilden doen. Ze peilden naar het besparingspotentieel en ontwikkelden technologieën om de meest veelbelovende kansen te grijpen. Zes grote autofabrikanten, zes componenten- en materiaalleveranciers, en verschillende onderzoeksinstituten namen deel aan dit project, gecoördineerd door Daimler en het Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF in Darmstadt. "Samen, we konden vaststellen dat een kosteneffectief lichtgewicht ontwerp haalbaar is, " zegt prof. Thilo Bein, Hoofd kennismanagement bij Fraunhofer LBF. Als aangewezen projectsecretaris hij onderhield contacten met partners, gevolgde resultaten, georganiseerde bijeenkomsten, en dergelijke. "We zijn erin geslaagd om afzonderlijke componenten meer dan 30 procent lichter te maken, waardoor hun aandeel in CO . wordt verminderd ₂ uitstoot met 25 procent, waarbij de kosten per onderdeel gemiddeld slechts € 2,67 per bespaarde kilogram stijgen, wat acceptabel is voor autofabrikanten." De protagonisten van dit project ontdekten dat de kosten nog lager kunnen zijn als de CO ₂ en energiebalansen worden van meet af aan meegewogen.

Ontwerp eerst, als laatste meedoen

De wetenschappers van Fraunhofer LBF hebben meer gedaan dan alleen het project helpen coördineren. Ze brachten ook hun onderzoeksvaardigheden mee in het ontwerp van de componenten. Ingenieurs moeten van onderaf alle nieuwe materialen in auto-onderdelen optimaliseren. Ze stemmen het gewicht van deze componenten af, de dikte van hun muren, en hun natuurlijke frequenties, die belangrijk zijn voor het beheersen van lawaai, onder andere parameters. Ze gebruiken hiervoor vaak de eindige-elementenmethode. Nemen, bijvoorbeeld, een spatbord. De ontwerper zou eerst een virtueel model maken, en verdeel het vervolgens in vele kleine eenheden om het fysieke gedrag van dit onderdeel te berekenen en te optimaliseren. Het nadeel van deze modellen is dat ze ontzettend complex zijn. "Daarom hebben we bij Fraunhofer LBF een geparametriseerd model ontwikkeld dat deze procedure enorm vereenvoudigt, ", zegt Bein. Deze experts hebben het model gestroomlijnd, het verminderen van de complexiteit maar met behoud van parameters zoals gewicht, natuurlijke frequentie of wanddikte. Dit eenvoudiger model dient om parameters te optimaliseren, die vervolgens worden teruggeleid naar het oorspronkelijke eindige-elementenmodel. "Deze multi-parameter optimalisatie kan zowel in de vroege conceptuele fase als later worden gebruikt bij het detailleren van het ontwerp, ", zegt Bein. Hun methode testen op een virtuele demonstratiemodule voor een Opel front-end component, de onderzoekers vonden het een grote hulp:het maakt het mogelijk om componenten te ontwerpen met minder iteratieve stappen en biedt een betere manier om doelparameters te bereiken.

Ook de verbindingsmethoden stonden op de agenda van het ALLIANCE-project. Deze moesten lichtgewicht componenten op een veilige en stevige manier verbinden. De ontwikkelingsinspanning identificeerde 14 verschillende geschikte verbindingsprocessen. Fraunhofer-experts brachten hun specifieke kennis naar de tafel toen het tijd was om de structurele duurzaamheid te testen. De opdracht om hybride verbindingsprocessen te onderzoeken die klinknagels combineren met lijmverbindingen, ze onderwierpen componentachtige monsters aan verschillende cyclische belastingen om te bepalen hoe goed verbindingen bestand zijn tegen slijtage. Fraunhofer LBF-onderzoekers hebben ook een plastic Toyota-bodem getest op structurele duurzaamheid. De resultaten van beide testen waren goed.

Dit project is afgelopen, maar het consortium besloot zijn onderzoek te vertakken, er zit dus een vervolgproject in de pijplijn. "De resultaten zullen de komende jaren in de productontwikkeling vloeien, " zegt Bein, met zekerheid spreken.