TABASKO (van het Duitse woord voor ‘tape-based carbon fiber lichtgewicht constructie’) kan het gebruik van kunststof materialen verminderen; het door Porsche Engineering ontwikkelde proces maakt ook het gebruik van post-consumer gerecycled materiaal mogelijk. Dit maakt de voertuigbouw een stuk duurzamer.
Lichtgewicht constructie wordt steeds belangrijker omdat veiligheidstechnologie, elektronica en toenemende comforteisen het gewicht van voertuigen doen toenemen. Daarnaast zien we een voortdurende overstap naar elektrische auto’s, die doorgaans zwaarder zijn dan voertuigen met een verbrandingsmotor. Om elders gewicht te besparen, wordt in het interieur meestal de kunststof polypropyleen – kortweg PP – gebruikt. Het is relatief goedkoop, gemakkelijk te verwerken en bovendien relatief goed recyclebaar. Maar het heeft ook nadelen: “Stijfheid en hittebestendigheid behoren niet tot de positieve eigenschappen van polypropyleen”, legt Michael Johann, Specialist Project Manager Carrosserieontwikkeling, uit. “Glasvezel wordt meestal toegevoegd om het te verbeteren.”
Prototype: Om de eigenschappen van TABASKO te testen, gebruikten de ontwikkelaars het nieuwe materiaal om een bagagerek voor de Taycan te bouwen.
Deze glasvezelversterkte kunststof heet PP-GFx. Veel onderdelen van Porsche-voertuigen zijn ervan gemaakt. Dhr. Johann is gefascineerd door lichtgewicht constructies. Samen met zijn team bij Porsche Engineering ontwikkelt hij kunststof componenten voor serieproductie, bijvoorbeeld voor de dakhemel van de Porsche Cayenne en voor de sierlijsten op stijlen en deuren. Hij en zijn collega’s evalueren voortdurend nieuwe ontwerpprincipes die maximale sterkte en minimaal gewicht kunnen combineren. Dit leidde tot de geboorte van TABASKO, waarvan de naam afkomstig is van het Duits voor ‘tape-based carbon fiber lichtgewicht constructie’.
Michael Johanns visie was om betere materiaaleigenschappen te bereiken bij een lager gewicht. Koolstof werd overwogen als materiaal, omdat de vezels ervan uit bijna zuivere koolstof bestaan en net zo sterk zijn als staal, maar tot 80 procent lichter. Het materiaal is echter erg duur. Ingebed in een dunne polypropyleenfolie ontstaat een buitengewoon materiaal: koolstofvezeltape, wat volledig nieuwe mogelijkheden opent. De hypothese van de heer Johann was dat als het tot nu toe gebruikte PP versterkt zou worden met enkele doorlopende koolstofvezeltapes, de wanddiktes van componenten verminderd zouden kunnen worden zonder aan stabiliteit in te boeten. De verminderde hoeveelheid PP-GFx die nodig was, zou de extra kosten van koolstof kunnen compenseren. Berekeningen bewezen dat zijn hypothese klopte. Om het werkingsprincipe te illustreren, strijkte de heer Johann koolstofvezeltapes op PPGFx-proefstukken en voerde hij de eerste buigtests uit met een hamer als gewicht. Het idee doorstond de eerste ruwe test.
In de volgende stap ging Johann op zoek naar partners om zijn idee te implementeren. Hij profiteerde van de nauwe samenwerking tussen Porsche Engineering en Porsche AG: materiaalexpert Frank Häusler was precies de juiste persoon om contact mee op te nemen – en was zeer te spreken over het concept. Er komen veel ideeën op Häuslers bureau terecht en zijn taak is om de potentie ervan voor een mogelijke serieproductie te beoordelen. “Helaas voldoen de meeste voorstellen niet aan onze eisen”, zegt Häusler. “In dit geval was dat anders: het concept maakte een volwassen indruk. Het was goed doordacht, onderbouwd met cijfers en plausibel.” Johann en Häusler kregen ondersteuning van Dr. Hubert Stadtfeld, projectmanager lichtgewichtconstructie in productieontwikkeling voor strategisch product- en procesontwerp bij Porsche AG, die ook het sponsorschap van het concept op zich nam. Om budget te verkrijgen voor de implementatie en validatie van het prototype, werd een innovatieproject aangemeld bij de productieafdeling.
Succesvolle prototypetests
Op zoek naar een geschikt onderdeel voor een prototype stuitten de ontwikkelaars op de bagageruimte van de Porsche Taycan. Het is standaard gemaakt van glasvezelversterkt kunststof en wordt vervaardigd via een spuitgietproces. Het serieonderdeel is 65 centimeter lang, 120 centimeter breed en 52 centimeter hoog, wat het relatief groot maakt.
“Als tests met een groot onderdeel succesvol zijn, kunnen de resultaten ook worden toegepast op kleinere onderdelen”, legt Johann uit. TABASKO moest zich nu onder professionele omstandigheden bewijzen: Häusler en Johann produceerden een bagagerek van 1,8 millimeter dik PP-GFx, versterkt met 0,2 millimeter dunne koolstofvezeltape.
Het bijzondere was dat het gewichtspercentage koolstof slechts één procent bedroeg, omdat de doorlopende vezels precies op de plaatsen zijn geplaatst waar ze hier het grootste effect bereiken. Drie tests werden uitgevoerd met de prototypes: Eerst werd een vergelijkende ponstest uitgevoerd op zowel een bestaande serie-bagagebak als op een vergelijkbare bak van TABASKO-materiaal. Daarbij werd met een pons van bovenaf met toenemende kracht op de bodem van de bak gedrukt om te meten hoe ver deze doorboog.
Het resultaat: Voor TABASKO was een 66 procent hogere drukkracht nodig om dezelfde maximaal toegestane doorbuiging te bereiken – en de bagagebak was tegelijkertijd 15 procent lichter dan de serie-bagagebak. De tweede test bestond uit een reeks proeven bestaande uit zogenaamde vierpuntsbuigtests. Hiervoor sneden de ontwikkelaars rechthoekige stroken uit de onderkant van de bagagebak. De stroken werden vervolgens aan beide kanten gebogen, zowel bij kamertemperatuur als bij 90 graden Celsius.
Ponstest: De testmachine drukt met toenemende kracht een stempel op de bodem van de tray en meet hoe ver deze buigt. Qua materiaalgewicht presteert TABASKO beter dan de serieproductietray.
“Duidelijk zichtbaar was dat de stijfheid van de tapeversterkte monsters een factor 2,5 tot 2,8 hoger was”, legt Häusler uit. De derde test bepaalde de slagvastheid. Deze test is geschikt bij gebruik van schuimspuitgieten, zoals bij de productie van het TABASKO-materiaal.
“Dit resulteert in schuimstructuren die de slagvastheid van het basismateriaal kunnen aantasten”, aldus de heer Johann. De test toonde aan dat in combinatie met tape aan de trekzijde de slagvastheid ongeveer vijf keer beter is. Ook hier bewees TABASKO zijn superioriteit.
“Nu kwam de belangrijkste stap: de overstap naar serieproductie”, aldus Häusler. “De vraag was: hoe kun je tot 80.000 onderdelen per jaar produceren – volledig geautomatiseerd en kostenneutraal ten opzichte van het huidige proces?”
Johann, Häusler en Stadtfeld werkten samen met een leverancier en slaagden erin een productieproces te ontwikkelen met conventionele geautomatiseerde spuitgietmachines. “De tapes worden met behulp van een hanteringsapparaat in de vormgereedschappen geplaatst en met behulp van vacuümkanalen aan de boven- of onderkant van het onderdeel bevestigd”, legt de heer Johann uit. “In principe zijn er geen nieuwe machines of processen nodig, wat enorm gunstig is voor de productiekosten.”
Inmiddels zijn er zes patenten aangevraagd voor TABASKO, voor de materiaalstructuur, de productiemethode, de gereedschapstechnologie en het procesverloop in serieproductie.
Het project bewees dat dankzij TABASKO het gewicht van componenten aanzienlijk kan worden verlaagd, waardoor grondstoffen kunnen worden bespaard. Bovendien zijn gerecyclede kunststoffen geschikt voor de productie van componenten. Dit is belangrijk, omdat volgens een EU-wetsvoorstel vanaf 2031 in alle voertuigtypen ten minste 25 procent post-consumer gerecycled (PCR) materiaal moet worden gebruikt. Gerecycled PP wordt gewonnen uit oude buizen, meubels of flessen. Het gerecyclede materiaal is echter lang niet zo stijf als de oorspronkelijke grondstof. “We zouden deze verminderde stijfheid kunnen compenseren door het aandeel koolstofvezels dienovereenkomstig te verhogen”, legt de heer Johann uit.
Het grote voordeel van TABASKO is dat dergelijke aanpassingen gemakkelijk in het industriële productieproces kunnen worden geïntegreerd. De voorlopige ontwikkeling van het nieuwe materiaal is inmiddels afgerond. De technische afdeling die verantwoordelijk is voor de bagagerekken heeft al interesse getoond in serieproductie voor toekomstige voertuigen. Momenteel lopen er gesprekken met de kunststofleveranciers. “Het is net als wanneer je een kind zijn eerste stapjes naar zelfstandigheid laat zetten”, aldus de heer Johann. “Als pre-ontwikkelaar heb je alles gedaan wat je kon.” En net als een kind staat TABASKO nog maar aan het begin van zijn ontwikkeling.
