maart 2022 - Jaarbeurs
Het event voor slimme maakoplossingen

Duurzame auto Phoenix heeft closed-loop recycle-percentage van 75 procent

Phoenix is de nieuwste en zeer duurzame elektrische auto van studenten van de TU Eindhoven. Door slimme assemblage en het gebruik van monomateriaalstructuren kan het voertuig voor maar liefst 75 procent worden hergebruikt in de volgende generatie auto’s. Bij bestaande auto’s in Europa ligt het zogeheten closed-loop recycle-percentage een stuk lager; op slechts 21 procent.

Phoenix blinkt uit in closed-loop recycling. Closed-loop recycling betekent dat een materiaal eindeloos kan worden hergebruikt zonder significant verlies van kwaliteit of bepaalde eigenschappen. Dat is iets anders als downcycling. Het hergebruikproces dat momenteel gebruikelijk is in de auto-industrie houdt in dat gerecyclede materialen worden omgezet in producten van lagere kwaliteit of met verminderde functionaliteit. Dit gebeurt meestal omdat de gerecyclede materialen vermengd zijn met andere materialen. Daardoor is hergebruik in hun zuivere vorm niet mogelijk.

Meer dan zes miljoen voertuigen

Sectororganisatie Auto Recycling Nederland (ARN) meldt weliswaar dat 88 procent van de materialen van auto’s wordt hergebruikt. Maar door kwaliteitsverlies bij downcycling belandt het gros van de materialen buiten de auto. Deze materialen worden dan verwerkt in producten als pennen en kleding. In Europa worden jaarlijks meer dan zes miljoen voertuigen afgedankt. Dat leidt tot miljoenen tonnen aan afval. Het verbeteren van het recycleproces over de hele linie is nuttig. Het kan helpen om ernstige milieuproblemen in te dammen en grote hoeveelheden waardevolle materialen te behouden.

Phoenix

Studententeam TU/ecomotive heeft met Phoenix als doel om een zo hoog mogelijk percentage closed-loop recycling te bereiken. Daarbij kunnen materialen worden herwonnen en in oorspronkelijke staat hergebruikt worden in nieuwe producten van dezelfde aard. Met het slimme design van Phoenix is dat gelukt. De studenten zetten hiermee een nieuwe standaard voor een circulaire economie en betere recycling binnen de sector, waarbij waardevolle materialen behouden blijven.

Monomateriaalstructuren

Het geheim zit hem voornamelijk in de monomateriaalstructuren. Daarbij is een minimale variëteit aan materialen gebruikt. Daarnaast zijn er slimme bevestigingsmethodes waarbij de materialen niet permanent met elkaar verbonden worden. Hierdoor gaat de kwaliteit van de materialen minder snel achteruit na hergebruik. De recyclingefficiëntie neemt toe.

Optimale levensduur batterijen

Daarnaast zijn batterijen over het algemeen lastig om te hergebruiken. Daarom is het belangrijk om de levensduur van batterijen te optimaliseren. Dit heeft het team bereikt door zowel vaste als uitneembare batterijen in de auto te integreren. De uitneembare batterijen worden alleen gebruikt voor lange afstanden. Ze kunnen het rijbereik met meer dan 60 procent verhogen. Bovendien zijn de batterijen ook te gebruiken om elektrische apparaten thuis op te laden wanneer de auto niet in gebruik is. Doordat de uitneembare batterijen minder intensief worden belast, gaan ze langer mee.

Regelgeving Brussel

Met Phoenix speelt het studententeam TU/ecomotive ook in op veranderende regelgeving vanuit Brussel. Een nieuwe verordening van de Europese Commissie moet er namelijk voor zorgen dat de circulariteit in de auto-industrie bij het ontwerp en productie verbetert. Het schrijft voor dat voertuigen voor een vastgesteld percentage van 25 procent uit gerecycled plastic moeten bestaan. Daarvan dient weer 25 procent closed-loop uit auto’s te worden hergebruikt. Dit betekent dus dat de totale hoeveelheid closed-loop gerecycled materiaal 6,25 procent moet bedragen.

Stap in goede richting

Hoewel dit percentage nog hoger kan, is dat volgens de studenten een stap in de goede richting. “De Europese Commissie zet de juiste koers in. Maar er is meer nodig om de industrie echt te transformeren”, verduidelijkt Tim van Grinsven, teammanager van TU/ecomotive.

Van Grinsven legt uit dat het team als doel heeft om de auto-industrie te inspireren om duurzamer te ontwerpen. “De aarde biedt geen onbeperkte grondstoffen, dus efficiënter gebruik van materialen is de oplossing. Phoenix is ons antwoord daarop. En we nodigen de industrie uit om samen met ons deze uitdaging aan te gaan.”

Bron: TU Eindhoven Foto: Phoenix is de nieuwste en zeer duurzame auto van TU/ecomotive Foto: Sarp Gürel

Lees ook: CO2-besparende batterijbehuizingen voor elektrische auto’s

CO2-besparende batterijbehuizingen voor elektrische auto’s

In het onderzoeksproject COOLBat werken onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Bewerkingsmachines en Vervormingstechnologie IWU samen met partners aan de ontwikkeling van de volgende generatie batterijbehuizingen voor elektrische voertuigen. Het doel is om de behuizingen lichter te maken en de CO2-uitstoot bij de productie ervan met 15% te verminderen.

Het bereiken van een klimaatvriendelijke productie van batterijbehuizingen voor elektrische voertuigen is het doel van de partners uit de industrie en de onderzoekssector die werken aan het COOLBat-project. Het project richt zich op koolstofbesparende lichtgewicht constructieoplossingen die worden gedemonstreerd door de volgende generatie batterijbehuizingen. De reden hiervoor is dat de huidige accubehuizingen, met hun structuren voor lastverdeling en temperatuurregeling, frames, deksels en bodemplaten, nog steeds potentieel bieden voor het terugdringen van koolstofemissies.

Lichtgewicht batterijbehuizingen

In het project doen 15 partners interdisciplinair onderzoek naar innovatieve lichtgewicht constructieprincipes om de massa te verminderen. Daarnaast zijn ze op zoek naar lichtgewicht constructiematerialen en productiemethoden om de productie van batterijbehuizingen milieuvriendelijker te maken en hun eigenschappen tijdens het gebruik te verbeteren. De partners volgen een brede aanpak. Daarbij staan aspecten als circulariteit en repareerbaarheid, efficiënt gebruik van hulpbronnen en energie, veiligheid en brandbeveiliging op ontwerp- en materiaalniveau centraal. Fraunhofer IWU in Chemnitz coördineert het project. Het wordt gefinancierd door het Duitse Federale Ministerie voor Economische Zaken en Klimaatactie (BMWK) als onderdeel van het programma voor technologieoverdracht voor lichtgewicht constructies (TTP-LB) en onder toezicht staat van het Project Management Jülich (PTJ).

Eenvoudig principe

Het principe is eenvoudig: Hoe lichter de behuizingen, hoe groter de actieradius van elektrische auto’s, omdat het stroomverbruik afneemt. “De energiedichtheid van de huidige accusystemen kan nog sterk worden verbeterd en accubehuizingen zijn daarbij een belangrijk aspect. Het integreren van nieuwe lichtgewicht constructiemethoden en meer functies in een kleinere installatieruimte met minder interfaces maakt het mogelijk om het gewicht te verminderen en tegelijkertijd de CO2-uitstoot te verlagen.” Dat zegt Rico Schmerler, projectmanager en wetenschapper bij de afdeling Battery Systems van Fraunhofer IWU. “Door de massa te verminderen kunnen we de energiedichtheid en dus de actieradius vergroten, zelfs als het aantal accucellen gelijk blijft. Door het deksel van de behuizing te maken van een vezelcomposietmateriaal, konden we de massa met meer dan 60 procent verminderen in vergelijking met de referentie van staal.”

Koeling en draagvermogen

Een andere mogelijkheid die de onderzoekers hebben geïdentificeerd om gewicht te besparen, is het combineren van individuele systemen in de behuizing die voorheen afzonderlijk thermische en mechanische functies uitvoerden. Koelkanalen bijvoorbeeld, gegoten door het Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM, zijn direct opgenomen in dragende structuren zoals dwarsbalken.

Bodemplaat

Bovendien wordt de functie van de koeleenheid gecombineerd met die van onderrijbeveiliging in één enkel onderdeel, de bodemplaat. Aluminiumschuim in de bodemplaat absorbeert de impactenergie van botsingen met stenen en ongevallen. In combinatie met een Phase Change Material (PCM) verlaagt het aluminiumschuim ook de hoeveelheid energie die nodig is om de elektrische batterij te koelen. De bodemplaat werd ontwikkeld door Fraunhofer IWU en FES/AES en geproduceerd bij Fraunhofer IWU, inclusief het schuim.

Configuratie

Deze configuratie beschermt de batterijcellen tegelijkertijd tegen mechanische belasting en oververhitting. Een vloeistof stroomt door de kanalen en koelt de cellen niet alleen van onderaf maar ook van de zijkanten. Dit vermindert de elektriciteit die nodig is om de cellen te koelen en maakt koelelementen elders in het voertuig overbodig. “We richten ons op functioneel geïntegreerde structuren. Taken die voorheen door verschillende modules in de batterij werden uitgevoerd, worden nu geïntegreerd in één component – de basisplaat. In dit geval om de installatieruimte te verkleinen en interfaces te stroomlijnen,” legt Schmerler uit. “Deze bodemplaten bieden bescherming tegen oververhitting en voorkomen schade aan de batterijkern in geval van een ongeluk.” De onderzoekers gebruiken de Mercedes EQS-batterij als referentie en technologisch demonstratiemodel.

Nieuwe thermische pads vervangen pasta’s

De kwaliteit van de warmteafvoer van batterijen naar de buitenkant heeft een aanzienlijke invloed op de prestaties en levensduur van een elektrisch voertuig. Geleidende pasta’s worden gewoonlijk gebruikt om de accumodule thermisch te verbinden. Een van de doelen van dit project is om deze zware, niet-duurzame pasta’s te vervangen door milieuvriendelijke warmtegeleidende materialen. Om dit te bereiken gebruikt het Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST een plasmaproces. Dit doen ze om herbruikbaar schuim met open poriën te metalliseren. Het wordt vervolgens in de vorm van een pad in de ruimte tussen de batterij en de behuizing geplaatst.

Brandvertragende coatings op biologische basis

Een nieuwe vlamvertragende coating, ontwikkeld door het Fraunhofer Institute for Wood Research, Wilhelm-Klauditz-Institut, WKI, helpt de veiligheid te verbeteren. Deze coating, die is aangebracht op de onderkant van het deksel van de behuizing, voorkomt dat vuur zich kan verspreiden vanuit de batterijcellen eronder. De coating bevat ook lignine, een onbrandbaar materiaal op biologische basis dat de plaats inneemt van materialen op aardoliebasis.

Ontwerp voor hergebruik

Het vorige behuizingsdeksel, dat gemaakt was van staal, is vervangen door een nieuwe vezelcomposiet dekselstructuur van koolstof en hars (bekend als een towpreg). Daardoor is niet alleen de massa van het onderdeel aanzienlijk verminderd. Het wordt daardoor ook mogelijk om het deksel opnieuw te gebruiken. Het hele systeem bestaat uit deksel, frame en bodemplaat. Het is ontworpen om te worden gedemonteerd en verwijderd zonder destructie tot op componentniveau. “We streven het concept van een circulaire economie en materiaalreductie na. Dit doen we door middel van lichtgewicht constructies en herbruikbare materialen. Het resulteert in een kleinere CO2-voetafdruk en lagere reparatiekosten,” aldus Schmerler.

Zicht op overdracht naar de industrie

Volgens de toekomstplannen moeten de verschillende resultaten van het project worden uitgebreid naar andere industrieën. Denk aan toepassingen waar men grote batterijen gebruikt. Denk daarbij aan treinen, vliegtuigen en boten. De koelsystemen zouden ook kunnen worden gebruikt voor het transport van voedsel en medicijnen. Tot slot behoren brandbeveiligingsoplossingen in gebouwen ook tot mogelijke toepassingen.

Openingsfoto: Referentiesysteem vóór demontage (c) Fraunhofer IWU/AES

Lees ook: Een tweede leven voor elektromotoren

Volvo komt met elektrische truck met 600 kilometer actieradius

Tot 600 km op één acculading. Dit is hoe ver Volvo’s volgende generatie zware elektrische trucks kan rijden. De grotere actieradius betekent een doorbraak voor emissievrij langeafstandstransport.

De elektrificatie van zware trucks zet wereldwijd door. Volgend jaar introduceert Volvo een nieuwe langeafstandsversie van de FH Aero Electric die tot 600 km kan rijden op één acculading. Hierdoor kunnen transportbedrijven elektrische trucks inzetten op interregionale en langeafstandsroutes. Voor veel toepassingen is het daarbij mogelijk een volledige werkdag te rijden zonder tussentijds te hoeven bijladen. De verkoop van de nieuwe Volvo FH Aero Electric start in de tweede helft van 2025.

Nieuwe aandrijflijntechnologie

De basis voor het bereik van 600 kilometer is Volvo’s nieuwe aandrijflijntechnologie. De zogenaamde e-as creëert ruimte voor meer accupakketten. Efficiëntere batterijen, een doorontwikkeld batterijmanagementsysteem en de algehele efficiëntie van de aandrijflijn dragen verder bij aan de grotere actieradius.

Middelzware en zware elektrische trucks

Volvo Trucks heeft inmiddels zowel middelzware als zware elektrische trucks, in totaal zijn er acht batterij-elektrische modellen. Het brede productaanbod maakt het mogelijk om stads- en regionale distributie, bouw, afvalverwerking en dus ook langeafstandstransport te elektrificeren. Volvo heeft tot nu toe meer dan 3.800 elektrische trucks geleverd aan klanten in 46 landen over de hele wereld.

Impact op klimaat

“De transportsector vertegenwoordigt zeven procent van de wereldwijde CO2-uitstoot. Elektrische trucks zijn belangrijke instrumenten om de impact op het klimaat te verkleinen. Naast de belangrijke milieuwinst die elektrische trucks opleveren, bieden ze vrachtwagenchauffeurs een betere werkomgeving, met veel minder lawaai en trillingen”, zegt Roger Alm.

Drie verschillende aandrijflijnen

Volvo Trucks streeft naar fossielvrij transport om de doelstelling van netto nul-uitstoot in 2040 te behalen met een driesporenstrategie. Daarbij zet het in op drie verschillende aandrijflijnen: batterij-elektrisch, brandstofcel-elektrisch en verbrandingsmotoren die hernieuwbare brandstoffen gebruiken, zoals groene waterstof, biogas of HVO.

Opladen

Onlangs bracht Volvo ook een nieuwe service voor het opladen van elektrische trucks op de markt.

De nieuwe service Charging Management van Volvo Trucks helpt transportbedrijven bij het efficiënt monitoren van het laden van elektrische trucks op het eigen terrein. Het zorgt ervoor dat de trucks binnen de vloot voldoende opgeladen zijn voor geplande werkzaamheden en het vermindert het aantal ongeplande laadsessies. De dienst draagt daardoor bij aan een hogere productiviteit en uptime.

Laadplan

Met Charging Management kunnen oplaadsessies via het platform Volvo Connect worden gepland, beheerd en gerapporteerd. Het biedt een visueel overzicht van het laadproces van de vrachtwagens en inzicht in het accuniveau en de laadstatus. Ook is het mogelijk om een laadplan te maken, waarbij berekend wordt wanneer de voertuigen aan de lader moeten om te beginnen met opladen en wanneer de accu’s vervolgens naar verwachting vol zijn. De truck gaat laden wanneer deze wordt aangesloten aan de laadpaal. Afwijkingen van het plan worden aan de gebruiker gemeld, om een laag batterijniveau te voorkomen. Rapporten over laadsessies van zowel voertuigen als laders zijn beschikbaar voor follow-up.

Transparantie

“Opladen is een belangrijk aspect bij het gebruik van een elektrische vrachtwagen. Als transportbedrijf wil je er zeker van zijn dat je trucks opgeladen zijn en klaarstaan voor de volgende transportmissie. Het opvolgen van het laadproces is ook belangrijk, om te kunnen zien of er afwijkingen zijn. Deze service helpt de vervoerders hierbij”, zegt Johan Östberg, Electromobility Service Owner bij Volvo Trucks.

Bron en foto’s: Volvo trucks

Lees ook: Prototype van grootste waterstof aangedreven mijnbouwvoertuig ter wereld gerealiseerd

Een tweede leven voor elektromotoren

De verkoop van elektrische auto’s neemt toe. Daardoor stijgt ook de hoeveelheid geproduceerde elektromotoren. Aan het einde van hun levensduur worden deze elektromotoren versnipperd en vervolgens gerecycled. Hergebruik en assemblage van de afzonderlijke onderdelen is niet mogelijk. Duurzame strategieën om elektromotoren op te knappen en te recyclen als onderdeel van een moderne circulaire economie ontbraken tot dusver. Daar komt nu verandering in.

In het REASSERT-project werken onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA samen met partners uit de industrie aan verschillende concepten voor het repareren, opknappen en hergebruiken van elektromotoren (Reuse/Repair/Remanufacturing). Daarnaast werken ze aan nieuwe ontwerpen voor de circulaire economie.

Waardevolle grondstoffen

Gebruikte elektromotoren bevatten waardevolle grondstoffen zoals koper en zeldzame aardmetalen zoals neodymium, waar China een quasi-monopolie op heeft. Met de huidige recyclingmethoden is terugwinnen van deze grondstoffen niet mogelijk. Bovendien hebben de gebruikte grondstoffen een grotere CO2-footprint ten opzicht van een verbrandingsmotor. Daarom is het cruciaal om de gebruiksfase van deze motoren te verlengen.

Waardebehoud

“Innovatieve strategieën voor waardebehoud bieden een aanzienlijk potentieel voor emissiereductie in termen van duurzaamheid,” zegt Julian Große Erdmann. Hij is wetenschapper aan het Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA in Bayreuth. In het REASSERT-project werken onderzoekers samen met partners aan de ontwikkeling van innovatieve methoden voor het opknappen en opnieuw gebruiken van elektromotoren in voertuigen. Partners zijn onder meer Schaeffler (consortiumleider), het Karlsruhe Institute of Technology, BRIGHT Testing GmbH, iFAKT GmbH en Riebesam GmbH & Co. KG.

Circulaire economie

Meer specifiek richten de partijen zich op de strategieën voor waardebehoud via hergebruik, reparatie, herfabricage (Reuse/Repair/Remanufacturing) en recycling van grondstoffen. Dit zijn sleutelelementen voor een circulaire economie. De projectpartners definiëren Reuse als het opnieuw aanwenden van de hele motor voor secundair gebruik. Onder Repair verstaan ze het vervangen van defecte onderdelen en assemblages. Bij Remanufacturing worden alle onderdelen gedemonteerd, schoongemaakt, gereviseerd en opnieuw gemonteerd. “Met deze strategieën zijn er minder grondstoffen zoals zeldzame aardmetalen en koper nodig, misschien alleen voor reserveonderdelen,” legt de onderzoeker uit.

Referentiemotoren

Voor het recyclen van grondstoffen zijn de projectpartners van plan om de motor uit elkaar te halen en de afzonderlijke materialen te sorteren voordat ze worden versnipperd. De projectpartners gebruiken referentiemotoren uit de personenautosector om te analyseren en te selecteren welke strategieën voor waardebehoud gebruikt moeten worden in een bepaalde toepassing.

Van inspectie tot testfase

Het project omvat het opzetten van een compleet proces, waarvan elke stap zijn eigen demonstrator en testopstelling heeft. Van inkomende inspectie voor de classificatie van de motor tot demontage, demagnetisatie, reiniging, diagnose van onderdelen en herfabricage, helemaal tot aan het opnieuw monteren en het testen aan het einde van de productielijn, waarbij de functionaliteit van de motor wordt beoordeeld. “Tijdens dit proces kan bijvoorbeeld een motorbehuizing met lichte slijtage worden geclassificeerd voor hergebruik en, indien nodig, opnieuw worden gereviseerd met behulp van machinale bewerkingsprocessen om de functionaliteit te garanderen.

Niet-destructieve demontagemethoden

Afhankelijk van de gekozen strategie zijn er verschillende processtappen en -ketens bij betrokken. “Dus de inspanning om de elektromotor klaar te stomen voor een tweede leven, kan variëren,” legt de ingenieur uit. Een voorbeeld van een van de uitdagingen is het demonteren en hergebruiken van de magnetische materialen van motoren. “Een rotor met permanente magneten is moeilijk te demonteren. Zelfs in een handmatig demontageproces. Dit komt door de coating en de hechting van de magneten. Het doel is om niet-destructieve demontagemethoden te ontwikkelen.”

AI-beslissingstool

Een AI-tool is ontwikkeld als onderdeel van het project. Het helpt bij het selecteren van de beste strategie voor waardebehoud voor een bepaalde toepassing. De tool heeft toegang tot de product- en procesgegevens van de elektromotor, die zijn opgeslagen in een digital twin.

Prototype

De in het project verzamelde kennis is bedoeld om te worden gebruikt voor het ontwerp van nieuwe elektromotoren. Het doel is om een prototype motor voor de circulaire economie te ontwikkelen die gemakkelijk kan worden gedemonteerd en waarop de genoemde strategieën voor waardebehoud moeiteloos zijn toe te passen.

Bron: Fraunhofer. Openingsfoto: Het REASSERT-project heeft als doel een prototype elektromotor voor de circulaire economie te ontwikkelen. (foto: Schaeffler)

Lees ook: Bijna een op de zes nieuw geregistreerde voertuigen in EU is elektrisch

Zonnecellen geïntegreerd in motorkappen

De afgelopen jaren hebben sommige autofabrikanten al de eerste automodellen gepresenteerd met fotovoltaïsche panelen die in het dak zijn geïntegreerd. Het dak is het gemakkelijkste oppervlak om te gebruiken voor het opwekken van zonne-energie aan boord. Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE zijn nu een stap verder gegaan door ook in motorkappen zonnecellen te integreren.

Als onderdeel van twee door de overheid gefinancierde onderzoeksprojecten integreerden onderzoekers van het Fraunhofer ISE zonnecellen in de standaard metalen motorkap van een gewone personenauto. “We brachten de zonnecellen aan op het motorkappaneel van een populair automodel in Duitsland. We verbonden ze met elkaar en lamineerden ze met folie.” Dat zegt Dr. Martin Heinrich, coördinator voor PV-mobiliteit bij Fraunhofer ISE. “Om dit te bereiken optimaliseerden we het lamineerproces zorgvuldig. Dit was nodig om luchtzakken te minimaliseren en rimpeling van de foliemodule te voorkomen. Dit kan optreden door het gebogen oppervlak. Ook moesten we de algehele integriteit van de kapstructuur zien te behouden.”

Selectie zonnecellen

Om zo efficiënt mogelijk gebruik te maken van het beschikbare oppervlak op de kap, bouwde het Fraunhofer ISE-team hun prototypes met een selectie van IBC, PERC shingle en TOPCon shingle zonnecellen. In principe kan elke zonneceltechnologie worden gebruikt. Het lamineren van het oppervlak met folie resulteert in een gestructureerde oppervlaktestructuur. Het is mogelijk deze aan te passen aan de kleur van het voertuig met behulp van MorphoColor-technologie. “We hebben hiermee al een zeer goede esthetiek bereikt,” vervolgt Dr. Heinrich. “En we werken er momenteel aan om het uiterlijk van het oppervlak nog verder te verbeteren. Hiervoor zijn we actief op zoek naar projectpartners die geïnteresseerd zijn in gezamenlijke ontwikkeling.”

Gebogen vorm

Naast de gebogen vorm is het substraat in dit geval ook uniek voor de PV-module van de kap. Dit omdat het gemaakt is van plaatmetaal in plaats van een klassiek achteroppervlak van folie of glas. Dit bracht de wetenschappers ertoe om de kleefeigenschappen van verschillende materiaalcombinaties te onderzoeken.

Prototypes

Na het identificeren van geschikte materialen bouwde het onderzoeksteam prototypes met verschillende hoeveelheden zonnecellen en verschillende cel- en interconnectietechnologieën. Het team testte alle prototypes intensief in het laboratorium om de elektrische prestaties, betrouwbaarheid en duurzaamheid van de PV motorkapdemonstrators te garanderen. De motorkap met 115 watt vermogen bevat meer dan 120 PERC shingle zonnecellen en is afgewerkt in MorphoColor grijs.

In combinatie met de MorphoColor-technologie van het onderzoeksinstituut kan het zonne-actieve oppervlak op de motorkap worden aangepast aan de kleur van het voertuig (foto: Fraunhofer ISE)

Daken van voertuigen

“De technologie is ook toe te passen op de metalen daken van voertuigen. Het voordeel hiervan is dat ze veel lichter zijn dan fotovoltaïsche daken van glas.” Dat zegt Dr. Harry Wirth, directeur van de divisie Power Solutions bij Fraunhofer ISE. “Het uitbreiden van de technische mogelijkheden voor het integreren van fotovoltaïsche energie in voertuigschilden zal steeds meer klanten aanspreken. Er is hier nog veel potentieel om aan te boren.”

HighLite

De ontwikkeling van de PV-motorkap is onderdeel van het onderzoeksproject “HighLite”. Dit project is ondersteund door het Horizon 2020-programma van de Europese Unie, en het onderzoeksproject “3D – PV Modules with Contour for Integrated Photovoltaics”, ondersteund door het Duitse federale ministerie voor Economische Zaken en Klimaatactie (BMWK).

Openingsfoto: De 115-watt voertuigkap heeft meer dan 120 PERC shingle zonnecellen en is afgewerkt in MorphoColor grijs. (foto: Fraunhofer ISE)

Nieuw autoconcept verlaagt totale CO2-uitstoot tijdens productieproces aanzienlijk

In Nederland gaat een auto gemiddeld na ongeveer 20 jaar naar de sloop. Dat becijferde sectororganisatie Auto Recycling Nederland. Door anders naar de opbouw van een auto te kijken, heeft studententeam TU/ecomotive van de TU Eindhoven een autoconcept ontworpen om de levensduur van auto’s te verlengen. Daardoor is het mogelijk de totale CO2-uitstoot tijdens het productieproces met een derde te verlagen.

De meeste materialen in een auto zijn na twintig jaar nog (lang) niet afgeschreven. Toch gaat de gemiddelde auto dan al richting de sloop. Daarom hebben studenten autoconcept Eterna ontworpen. In Eterna kunnen bepaalde onderdelen in het voertuig blijven, in plaats van ze voor het einde van hun levenscyclus te recyclen. Hierdoor wordt hun optimale levensduur benut. Het gevolg hiervan is dat er aanzienlijk in het totale productieproces kan worden gesneden.

Twintig ton CO2

TU/ecomotive berekende in hun duurzaamheidsrapport dat Eterna twintig ton CO2 aan totale productiekosten kosten bespaart in vergelijking met de gemiddelde auto. Dit komt overeen met wat 800 bomen jaarlijks aan CO2 uit de atmosfeer onttrekken. In totaal gaat het om een verlaging van de CO2-uitstoot tijdens het productieproces van ongeveer een derde.

Innovatief autoconcept in detail

Hoe werkt het? Autoconcept Eterna bestaat uit een onderkant voor langdurig gebruik en een vervangbare bovenkant. De onderkant omvat componenten met een lange levensduur. Denk daarbij aan het ladderframe, de accu’s en de motor. Daarnaast is er de vervangbare bovenkant met materialen met een kortere levensduur, zoals interieurstoffen en veiligheidsvoorzieningen zoals digitale zijspiegels en cruise control.

Anders laten nadenken

TU/ecomotive wil met dit concept de auto-industrie inspireren en anders laten nadenken over de ontwikkeling en het gebruik van auto’s. “De aarde biedt geen onbeperkte grondstoffen, dus efficiënter gebruik van materialen is de oplossing”, verduidelijkt Stijn Plekkenpol, teammanager van TU/ecomotive.
“Als we auto’s niet langer als één geheel gaan zien, maar als twee aparte levenscycli, is dat feitelijk een systeemverandering”, vat Plekkenpol het concept samen.

Abonnementsmodel

“Voor de consument zal er echter weinig veranderen. TU/ecomotive ziet een systeem voor zich waar auto’s centraal worden beheerd waarbij de consument een voertuig kan leasen. Het leasebedrijf zorgt ervoor dat de consument een ‘up-to-date’ voertuig heeft; elke 5 jaar worden er kleine updates in de bovenkant gemaakt. Elke 20 jaar wordt de gehele bovenkant vervangen, terwijl de onderkant grotendeels hetzelfde blijft. Een abonnementsmodel dus.”

Duitsland, België en Italië

Het team zal hun concept in verschillende landen laten zien, waaronder Duitsland, België en Italië. Ze gaan in gesprek met de auto-industrie, op bezoek bij universiteiten en doen tal van evenementen aan. Het startpunt is Nemo, het wetenschapsmuseum in Amsterdam, waar de auto voor het publiek te zien is. Ook wordt er een bezoek gebracht aan onder andere Ford en Ferrari, en de IAA Mobility Exhibition in München, een van de grootste mobiliteitsevenementen ter wereld.

ZEM

TU/ecomotive ontwikkelt al jaren duurzame auto-concepten. Vorig jaar haalde de studenten het nieuws met ZEM, hun duurzame elektrische personenauto die via een speciaal filter meer koolstofdioxide (CO2) opvangt dan uitstoot.

Bron: TU/e
Openingsfoto: De onderkant bevat componenten met een lange levensduur (foto: Astrolads)
Foto in tekst: De modulaire auto Eterna: Er kunnen diverse onderdelen eenvoudig worden uitgewisseld (foto: Astrolads)

Dynamisch risicobeheersysteem voor autonoom rijden

Wat is de belangrijkste uitdaging voor de acceptatie van autonoom rijden? Dat is het waarborgen van de veiligheid van weggebruikers zonder het risico te lopen snelheid te verliezen. Een team van wetenschappers ontwikkelde onlangs een dynamisch risicobeheersysteem. Het is onderdeel van een referentieveiligheidsarchitectuur. Hierdoor krijgt een voertuig een beter inzicht in de huidige gevaren tijdens het rijden.

AI-capaciteiten worden bij autonome voertuigen gebruikt om beïnvloedende factoren te analyseren en er rekening mee te houden. Denk bijvoorbeeld aan het rijgedrag van andere weggebruikers. Met de huidige geavanceerde technologie kunnen zelfrijdende auto’s veiliger zijn dan menselijke bestuurders. Echter, ze leiden mogelijk ook tot een verlies aan snelheid en comfort. En dit zorgt weer voor het verminderen van de acceptatie van autonome mobiliteit. Dit blijkt uit een onderzoek van het Insurance Institute for Highway Safety. Dit is een Amerikaanse organisatie voor verkeersveiligheid die regelmatig onderzoek publiceert over autonoom rijden. Pilotstudies van Duitse autofabrikanten bevestigen ook de perceptie van passagiers dat autonome voertuigen vooral traag en aarzelend zijn. Een belangrijke uitdaging bij het op de markt brengen van autonome systemen? De veiligheid garanderen zonder de snelheid en het comfort zo sterk te beperken dat de acceptatie verdwijnt.

Autonoom rijden verbeteren

Daarom is het LOPAAS-project (Layers of Protection Architecture for Autonomous Systems) opgericht. In het project werken Fraunhofer IESE, Fraunhofer IKS en de Universiteit van York samen. Het zijn allemaal centrale onderzoeksinstellingen op het gebied van veiligheidsborging van complexe (software)systemen. Hun doel is om autonome voertuigen sneller en veiliger te laten rijden. De resultaten van het project worden vervolgens opgenomen in standaarden voor technologieoverdracht.

Referentieveiligheidsarchitectuur

De partners bundelen hun expertise om een referentieveiligheidsarchitectuur en argumenten te ontwikkelen voor autonoom rijden en autonome systemen. Fraunhofer IESE brengt zijn expertise in dynamisch risicobeheer in. Daarmee kunnen autonome systemen de risico’s van hun handelingsopties op een situatiespecifieke manier beoordelen en controleren. ICS richt zich op betrouwbare, op AI gebaseerde situatiedetectie en runtime-bewaking van de bijbehorende onzekerheden. De universiteit van York brengt haar expertise in op het gebied van het systematisch genereren van uitgebreide en traceerbare veiligheidsredeneringen.

Robotaxi’s en snelwegbestuurders

De projectpartners ontwikkelen innovatieve veiligheidsconcepten voor de twee belangrijkste toepassingsgebieden. Enerzijds voor robotaxi’s en roboshuttles. Dit zijn zelfrijdende auto’s voor één of meer passagiers. En anderzijds voor snelwegbestuurders geïntegreerd in privéauto’s. Dit wil zeggen software die de rij- en stuurfunctie volledig kan overnemen op goed in kaart gebrachte snelwegtrajecten in eenvoudige weersomstandigheden. De partners onderzoeken de veiligheidsconcepten aan de hand van specifieke gebruiksscenario’s van een snelwegbestuurder.

Dynamisch risicomanagement

Met deze digitale “veiligheidsingenieur” brengen de onderzoeksteams een systeem aan boord dat geautomatiseerd rijden efficiënter maakt voor de verschillende gebruikssituaties en tegelijkertijd de veiligheid garandeert. Aangepast aan de verkeerssituatie reageert de digitale veiligheidsingenieur individueel en beïnvloedt hij het rijgedrag en de rijervaring van de gebruiker. Daarbij maakt dynamisch risicomanagement met behulp van AI anticiperend rijden mogelijk, waarbij de vereiste afstand tot andere voertuigen wordt aangehouden en hard remmen wordt voorkomen.

Worst case scenario’s

“De huidige benaderingen gaan uit van worst-case scenario’s om optimale veiligheid te garanderen. Ze zijn onder andere gebaseerd op berekeningen van natuurkundige wetten die bepalen hoe objecten bewegen. Dit leidt echter tot een lagere snelheid van het voertuig. Het is ook moeilijk om meerdere risico’s correct in te schatten die tegelijkertijd kunnen optreden. Denk bijvoorbeeld aan een voetganger die plotseling links van het voertuig opduikt en een fietser aan de rechterkant van het voertuig.” Dat zegt Dr. Rasmus Adler. Hij is Program Manager Autonomous Systems bij Fraunhofer IESE en projectmanager van LOPAAS. “Het doel is om een begrip van risico’s in voertuigen te implementeren dat niet het ergste geval berekent en dus niet alle risico’s overschat.”

Causale Bayesiaanse netwerken

Hiervoor gebruikt het onderzoeksteam causale Bayesiaanse netwerken. Dit om de gezamenlijke kansverdeling van alle risicorelevante variabelen zo compact mogelijk weer te geven, zodat het systeem de dynamische context kan begrijpen. De nieuwe methodologie van de onderzoekers wordt al toegepast op het gebied van intralogistiek. Een project met Hitachi richt zich op veilige en efficiënte samenwerking tussen autonome mobiele robots en menselijke werknemers in industriële magazijnen. Het onderliggende oplossingsprincipe is het vervangen van statische worst-case aannames door dynamische veiligheidsmechanismen. Deze dynamische veiligheidsmechanismen maken gebruik van kennis over de specifieke huidige situatie van een transportsysteem zonder bestuurder.

Autonoom rijden en aannames

De aanname hoe waarschijnlijk het is dat een persoon in de bedoelde rijrichting van een machine beweegt, kan bijvoorbeeld nauwkeuriger worden geschat op basis van de huidige werktaak of eerdere bewegingen van mensen op die locatie. Hierdoor kan het systeem ook beter inschatten of proactief remmen echt nodig is. Systemen moeten de relevante eigenschappen van zichzelf en hun context in de gaten houden, deze eigenschappen in de toekomst projecteren en conclusies trekken over de impact ervan op het risico. “In eenvoudige omgevingen zoals magazijnen werkt onze benadering van dynamisch risicobeheer heel goed. Hitachi is van plan om zijn onbemande vorkheftrucks hiermee uit te rusten. We zullen onze methodologie optimaliseren voor complexe verkeerssituaties met robotaxi’s en automatische bestuurders totdat het project in juni 2024 eindigt. Hiervoor gebruiken we ook AI en datagestuurde modellen, die essentieel zijn voor omgevingsherkenning en objectclassificatie,” zegt Adler.

Foto en bron: Autonome voertuigen vereisen een paradigmaverschuiving op het gebied van veiligheidstechniek. De veiligheid van passagiers en weggebruikers moet worden gegarandeerd zonder snelheidsverlies. (foto: Fraunhofer IESE)

Lees ook: Autonome elektrische veerboot begint commerciële vaart in Stockholm

Hittebestendige keramische inkt voor gegevenscodes op metalen onderdelen

Fraunhofer-onderzoekers ontwikkelden een extreem hittebestendige keramische inkt. Hiermee is het mogelijk metalen onderdelen in bijvoorbeeld de auto-industrie bij temperaturen boven de 1.000 ºC te markeren met een code. De code kan worden gescand en is gekoppeld aan een database. Daarin zijn fabricageparameters van het betreffende onderdeel opgeslagen.

Het markeren van componenten is een belangrijke vereiste voor de digitalisering van processen in de maakindustrie. Je kunt de producten stuk voor stuk volgen en traceren. In de metaalverwerkende industrie zijn inspanningen op dit gebied tot nu toe mislukt. Dit komt omdat veel metalen onderdelen in afzonderlijke processtappen moeten worden verhit. Codes die op conventionele wijze zijn afgedrukt, worden bij verhitting vernietigd. Ze zijn daardoor niet langer te lezen. Daar komt met de ontwikkeling van hittebestendige keramische inkt nu verandering in.

Keramische inkt

Prof. Thomas Härtling is groepsmanager voor Optische Testmethoden en Nanosensoren. Hij en zijn team van het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systemen IKTS ontwikkelden een bijzondere inkt. Deze inkt is bestand tegen temperaturen van meer dan 1.000 ºC in de oven zonder beschadigd te raken. De inkt met de naam Ceracode kreeg, bestaat uit hittebestendige keramische deeltjes en een glascomponent. In de oven zorgt het smeltende glas ervoor dat de markering op het metaal wordt gefixeerd en toch goed leesbaar blijft. Voor het eerst maakt deze inkt het mogelijk om metalen onderdelen te voorzien van een zeer stabiele markering. Dit is vooral belangrijk bij onderdelen die tijdens de productie in de auto-industrie onderhevig zijn aan hitte. Om de technologie te ontwikkelen, pasten Fraunhofer onderzoekers hun tientallen jaren ervaring met keramiek en op keramiek gebaseerde materialen toe.

Hittebestendige inkt voor metaal

Waarom dit baanbrekend kan zijn? Neem het volgende toepassingsscenario. Tijdens een steekproefcontrole in een autofabriek ontdekt een werknemer een defect metalen onderdeel. De geometrie voldoet niet aan de specificaties. Het onderdeel is niet correct gevormd. Het onderdeel heeft een markering, een zogenaamde datamatrixcode, die het uniek identificeert via een serienummer. De medewerker kan deze code uitlezen met een scanner. Op het scherm opent vervolgens een database die alle parameters voor het productieproces van het onderdeel toont. Denk daarbij aan de temperatuur en verblijftijd in de oven, geometrische gegevens en persdruk. Het is nu eenvoudig om het probleem te identificeren. Zo was bijvoorbeeld de persdruk niet hoog genoeg tijdens een bepaalde processtap. Met slechts een paar klikken kan de medewerker alle andere onderdelen bekijken die met de verkeerde persdruk zijn verwerkt en daarom defect zijn. Deze worden dan snel weggegooid. Indien nodig kan een robot dit volledig automatisch doen. Het tijdrovende werk van het inspecteren van alle onderdelen die mogelijk zijn aangetast en het handmatig verwijderen van afgekeurde onderdelen behoort tot het verleden. Dit komt het productieproces ten goede.

De digitalisering van procesketens

De combinatie van Ceracode inkt en de gestandaardiseerde datamatrixcode die wijdverspreid is in de industrie, geeft een nieuwe impuls aan de digitalisering van productieprocessen in de metaalverwerkende industrie. “De kwaliteit van elk onderdeel of werkstuk kan op elk moment in de waardeketen worden geregistreerd en defecten kunnen meteen aan het begin van de productie worden geïdentificeerd en gericht worden verholpen. Dit bespaart bedrijven niet alleen energie. Het betekent ook dat ze geen grondstoffen verspillen en hun CO2-uitstoot kunnen verlagen” legt Härtling uit. Over het geheel genomen maakt dit het productieproces aanzienlijk efficiënter en kosteneffectiever. De opgeslagen procesgegevens maken het ook eenvoudiger om adaptieve procesketens op te zetten. Als een fabrikant weet welke fysieke parameters zijn gebruikt om een product te maken, kan hij de daaropvolgende stappen en processen flexibel aanpassen en optimaliseren.

Broeikasgasemissies berekenen

Afhankelijk van het toepassingsscenario kan de gebruiker de database naar wens vullen met aanvullende informatie. Denk bijvoorbeeld aan gegevens over stroomverbruik en stroombron voor elke processtap. Deze zijn vervolgens te gebruiken om de broeikasgasemissies voor elk onderdeel te berekenen. “Steeds meer fabrikanten vragen om dit soort functies, zodat ze transparante en hulpbronefficiënte productieprocessen kunnen uitvoeren”, legt Härtling uit.

Samenwerking

Het project is ook het resultaat van een succesvolle samenwerking. Het Fraunhofer IKTS-team ontwikkelde de inkt en werkt verder aan de optimalisatie ervan. Projectpartner Senodis Technologies GmbH uit Dresden is verantwoordelijk voor de programmering van de software en de commercialisering. Senodis Technologies is een spin-off van Fraunhofer IKTS. Het richt zich op het inzetten van het brede potentieel van de op keramiek gebaseerde inkt om nieuwe toepassingen voor industriële klanten te realiseren en de digitalisering van hun waardeketens door te zetten. Het bedrijf richt zich voornamelijk op klanten uit de metaal-, automobiel- en keramieksector.

Industriële printer en uitleeseenheid in productieomgeving (Foto:  Senodis Technologies GmbH)

Gegevensuitwisseling via Catena-X

De technologie van Fraunhofer IKTS optimaliseert niet alleen de productie, maar maakt ook de weg vrij voor een nog uitgebreidere informatie-uitwisseling tussen fabrikanten, leveranciers en onderaannemers. In de auto-industrie zijn deze al met elkaar verbonden door middel van een complex netwerk. In de toekomst zal informatie worden uitgewisseld via het Catena-X netwerkplatform, dat momenteel in ontwikkeling is. Het is een gezamenlijk data-ecosysteem van de auto-industrie. Het heeft als doel om een veilige en eenvoudige uitwisseling van gegevens tussen fabrikanten mogelijk te maken. Daarbij behoudt elke deelnemer de soevereiniteit over zijn eigen gegevens. Deelnemende bedrijven delen daarom alleen die gegevens die ze ook echt openbaar willen maken.

Gedetailleerde informatie

Met Ceracode kunnen gebruikers voor het eerst gedetailleerde informatie over de procesparameters van metalen componenten opnemen in het Catena-X netwerk. Ook hier geldt dat gegevens die de fabrikant niet wil delen, beschermd blijven in het interne netwerk van het bedrijf.

Beschikbaar op de markt

Het systeem van hittebestendige inkt en datamatrixcode is volwassen geworden. Het is al beschikbaar op de markt via projectpartner Senodis Technologies GmbH. Productiebedrijven kunnen het systeem eenvoudig installeren en in gebruik nemen. Zelfs het achteraf aanpassen van bestaande machines is geen probleem. De gebruikte datamatrixprinters en scanners zijn compatibel met bestaande industriestandaarden.

Bestand tegen vervalsing

Bovendien kan de inkttechnologie uitgebreid worden aangepast aan de behoeften en toepassing van de klant. Een voorbeeld is de bescherming van producten tegen vervalsingen. “Hiervoor voegen we speciale pigmenten toe aan de formule van de keramische inkten, zodat ze onder UV-licht in een bepaalde kleur oplichten. Dit is een interessante optie voor industriële klanten die onderdelen kopen die bestaan uit bijzonder dure metaallegeringen of onderdelen voor veiligheidsgerelateerde systemen,” legt Fraunhofer-onderzoeker Härtling uit.

Gebogen of gevormde metalen onderdelen

Als volgende stap onderzoeken de Fraunhofer-onderzoekers hoe ze gebogen of gevormde metalen onderdelen kunnen bedrukken. Verder ontwikkelde beeldherkenningsalgoritmen zullen dan in staat zijn om codes nauwkeurig uit te lezen, zelfs op onregelmatige of gebogen metalen oppervlakken.

Openingsfoto: Data matrix code op warmgevormd plaatstaal, geprint met industriële printer (Foto: Senodis Technologies GmbH)

Lees ook: E-auto’s: Productie is duurzamer met groene laser

E-auto’s: Productie is duurzamer met groene laser

De samenwerking tussen Trumpf, Fraunhofer ILT en Desy leidt tot een bijzonder inzicht. “We hebben nu voor het eerst duidelijk kunnen bewijzen dat bij het lassen van hoogwaardige elektronica grondstoffen kunnen worden bespaard door gebruik te maken van een groene laser.” Dat zegt Fraunhofer expert Marc Hummel.

Bij het lassen van hoogwaardige elektronica kunnen veel grondstoffen worden bespaard door gebruik te maken van een groene laser. Dit is het resultaat van een onderzoek aan het Duitse elektronensynchrotron Desy van de Helmholtz-Vereniging in Hamburg. Hoogwaardige elektronica zit in elke e-auto en zorgt als sleuteltechnologie voor de beste prestaties van de accu en de motor. De Hamburgse onderzoekers hebben nu samen met het hightechbedrijf Trumpf en het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT de laserlasprocessen onderzocht die bij de productie van e-auto’s worden gebruikt.

Groene laser

Trumpf, Fraunhofer ILT, desy en het Helmholtz Center Hereon hebben elk hun zeer gespecialiseerde kennis van röntgenstralen, laserbronnen en lasprocessen ingebracht. Daardoor zijn nu voor het eerst inzichten verkregen die voor het oog en zelfs voor microscopen onzichtbaar blijven. Het resultaat: Bij gebruik van een laser met groene golflengte ontstaan veel minder afkeuringen dan bij andere laserlasprocessen. Autofabrikanten besparen grondstoffen en dragen zo bij tot een duurzamere productie.

Deeltjesversneller geeft gedetailleerd inzicht

De projectpartners gebruikten voor hun onderzoek de röntgenstraling van de deeltjesversneller in de experimentele opstelling van Hereon om met enkele duizenden tot tienduizend beelden per seconde hogesnelheidsbeelden te maken. “We wilden de onderzoeken bij de deeltjesversneller gebruiken om uit te zoeken wat precies het verschil maakt bij het lassen van koper. Een stabiel lasproces is belangrijk omdat fabrikanten van elektrische voertuigen meerdere miljarden verbindingen van de hoogste kwaliteit moeten lassen”, aldus Marc Hummel, wetenschapper bij Fraunhofer ILT. Trumpf en het Fraunhofer ILT willen het onderzoek in de toekomst uitbreiden naar andere gebieden. Denk daarbij aan 3D-printen, lasersnijden en laserboren met ultrakorte-pulslasers. Daarnaast willen ze andere industriële partners aan boord halen.

Uitdagingen

Elektromobiliteit stelt lasertechnologie voor grote uitdagingen. Koper is het belangrijkste materiaal voor de productie van de kerncomponenten van e-mobiliteit. Dit non-ferrometaal absorbeert slechts ongeveer 5 procent van de laserstraling in het nabij-infraroodgebied (NIR). Het geleidt warmte zeer goed. Beide eigenschappen leiden tot aanzienlijke problemen bij het lassen. De processen worden daarom onder de loep genomen.

Minder afkeuringen dankzij lasers met groene golflengte

Naast NIR-lasers heeft Trumpf ook lasers met een groene golflengte in het assortiment. “Lasers met groene golflengte zijn de oplossing voor dit probleem. In feite kan koper met deze lasers beter worden gelast”, aldus Mauritz Möller, Automotive Industry Manager bij Trumpf. Koper absorbeert de groene golflengte veel beter dan het infrarood. Omdat het materiaal daardoor sneller zijn smelttemperatuur bereikt, begint het lasproces ook sneller en is er minder laservermogen nodig. “Stabielere processen bij het lassen betekenen minder afkeur en dus meer duurzaamheid. Dat is een belangrijk punt bij e-mobiliteit”, aldus Mauritz Möller.

Experimenten bij de deeltjesversneller

Om lasprocessen in detail te bestuderen, gebruiken deskundigen van het Fraunhofer ILT, in samenwerking met de leerstoel Lasertechnologie LLT van de RWTH Aachen University, de Petra III röntgenlichtbron van Desy op de experimentele opstelling in het Helmholtz Center Hereon. “Conventionele methoden zien eigenlijk alleen de elektromagnetische emissies van het plasma. Met de straling van Desy kunnen we niet alleen in het smeltproces kijken, maar zelfs de smeltdynamiek zichtbaar maken”, legt Marc Hummel uit.

Bestuderen

Hiertoe bestudeerde een team van Fraunhofer ILT en Trumpf laserlasprocessen bij Desy met behulp van twee verschillende lasersystemen: een NIR-laser en een laser met groene golflengte. “Voor ons is dit een geweldige kans om lasprocessen op industriële onderdelen te bestuderen. Hoe ontstaan bijvoorbeeld spetters en poriën en hoe beïnvloedt de hitte van het lasproces gevoelige componenten zoals elektronische onderdelen,” aldus Mauritz Möller.

Bron: Fraunhofer
Openingsfoto: Laserstraallassen van metaal-keramische substraten met “groene” laserstraling (foto: Fraunhofer ILT, Aachen, Germany)

Lees ook: Lasertechnologie voor energie-efficiënte productie van batterijcellen

Welke metalen worden in Formule 1 race-auto’s toegepast?

De Formule 1 auto’s zijn supersnel en superveilig. Dit is mogelijk omdat de F1-teams de onderdelen selecteren op mechanische eigenschappen en dichtheid. Want hoe lichter deze zijn, hoe sneller de auto is. Carbonvezel is het voorkeursmateriaal. Maar welke metalen vind je terug in deze auto’s?

De Formule 1 fascineert. Het is de Champions League van de motorsport. De unieke combinatie van technologie, snelheid, precisie en wedstrijd. De Formule 1 brengt de beste coureurs samen met de beste ingenieursteams, met de meest complexe auto’s en natuurlijk ook met het meeste geld. In totaal kost één enkele F1-auto drie tot vier miljoen euro.

Meer dan 1.000 pk

Een Formule 1-auto levert meer dan 1.000 pk. De F1-bolides leveren aanzienlijk meer vermogen dan een standaard personenauto, maar met een gewicht van slechts de helft. In 2022 bedroeg het minimumgewicht 798 kg, inclusief coureur. Een groot deel hiervan betreft de motoreenheid, want deze moet volgens het reglement ten minste 150 kg wegen. Bij alle anderen onderdelen besparen de teams zo veel mogelijk gewicht. Dit is mogelijk door een slimme materiaalselectie en door een efficiënt ontwerp. Naast de gewichtsvermindering staat echter ook altijd de veiligheid voorop.

Carbonvezel

Afgezien van de transmissie, de motor en de wielophanging is een F1-auto grotendeels gemaakt van carbonvezel-materiaal. Een hoge stijfheid en sterkte bij een zeer laag gewicht zijn kenmerken van carbonvezel. Het is daarom een perfect materiaal voor de Formule 1. Maar voor de extreme mechanische en thermodynamische eisen zijn metalen nodig.

De Power-unit

Een geavanceerde V6 hybride-motor met een cilinderinhoud van 1,6 liter levert het vermogen. Deze pk-krachtpatsers mogen uitsluitend worden vervaardigd door fabrikanten die door de FIA zijn goedgekeurd. Momenteel zijn Mercedes, Ferrari, Renault en Honda in de Formule 1 actief. Vanaf 2026 zullen er zes fabrikanten zijn: Audi en RB Powertrains/Ford hebben zich laten registreren naast de reeds bestaande vier fabrikanten. Elk F1-team mag motoren uitsluitend bij een van deze fabrikanten afnemen en heeft daarna de taak om de complete auto om deze motor heen te bouwen.

Een Formule 1-motor levert meer dan 1.000 pk. Deze is gemaakt van vele verschillende materialen: diverse metalen en legeringen, zeldzame aardmetalen, kunststoffen, carbonvezels en keramiek. (© lunamarina/Shutterstock.com)

Mercedes W12

De Power-unit van de wereldkampioenauto in 2021, de Mercedes W12, bestond uit 10.000 aparte onderdelen. In het FIA-reglement is voor elk onderdeel gedetailleerd vastgelegd van welk materiaal het moet worden gemaakt. En hoe het moet worden vervaardigd. De Power-unit bestaat hoofdzakelijk uit metalen. Titanium of titaniumlegeringen worden voor veel motoronderdelen en voor de wielophanging gebruikt. Dit omdat titanium beschikt over een hoge taaiheid, sterkte, rekbaarheid en corrosiebestendigheid. Om gewicht te besparen, zijn minder sterk belaste onderdelen, zoals de cilinderkop, gemaakt van aluminium. De kruk- en nokkenassen bestaan uit één staalwerkstuk.

Als de tandwielen gloeien

Na de motor is de transmissie met acht versnellingen het op één na zwaarste onderdeel. Tijdens de ruim 300 km lange race op Silverstone schakelt een coureur meer dan 2.000 keer. Dat is een enorme belasting voor de tandwielen. Deze zijn daarom gemaakt van hoogvast staal. Na elke race zijn ze aan vervanging toe. Dit in tegenstelling tot de transmissiebehuizing. Deze gaat het hele seizoen mee. Hij moet dan ook zo stijf mogelijk zijn, omdat de achteras aan de behuizing is bevestigd. Daarom wordt deze gemaakt van titanium en carbonvezel. De aandrijfassen zijn gemaakt van staal. Voor onderdelen die niet met Additive Manufacturing worden vervaardigd, is elke staallegering toegestaan. De teams kiezen voor de minder belaste transmissieonderdelen vaak voor aluminium, maar sosm ook kunststof.

CNC-draaibanken in Formule 1

Het produceren van de onderdelen van een Formule 1-auto moet nauwkeurig en veilig gebeuren, van prototype tot aan kleine series. De snelle onderzoeks- en ontwikkelingsfase, maar ook de jaarlijkse regelwijzigingen van de FIA zorgen daarbij voor extra uitdagingen. De grootste flexibiliteit is dus vereist. Commerciële, doch hoogwaardige CNC-machines kunnen voldoen aan deze eisen. Hoe spectaculair de onderdelen ook zijn, de machines zijn eenvoudig.

De CNC-draaibank Elite 27 MS van HARDINGE is een hoogprecisie-bewerkingsinstallatie voor diverse materialen. Deze is afkomstig uit een F1-raceteam en wordt geveild t/m 23 maart. (© Surplex)

Vervangen

Voor de vervaardiging van rotatiesymmetrische onderdelen, zoals zuigers, kruk-, transmissie- en aandrijfassen maar ook wielnaven gebruiken de teams CNC-draaibanken. Dankzij de toepassing van uiteenlopende gereedschappen is het mogelijk om veel materialen te bewerken. De F1-teams onderhouden de machines erg goed. Daarom kunnen ze nog vele jaren betrouwbaar dienst doen. Als teams beslissen om de machines te vervangen en nieuwere varianten aanschaffen, komen de gebruikte CNC-draaibanken vaak terecht op de markt voor gebruikte machines . Want een F1-raceteam fungeert in dergelijke gevallen ook als een gewoon metaalverwerkend bedrijf. Bij het industriële veilinghuis Surplex zijn momenteel CNC-draai- en werktuigmachines afkomstig van een Formule 1-raceteam verkrijgbaar. De veiling loopt nog t/m 23 maart.

Lees ook: Een tweede kans voor batterijen, versnellingsbakken en tandwielen

Openingsfoto: Avigator Fortuner/Shutterstock.com

BMW wil vanaf 2024 aluminium uit duurzame productie in Canada inkopen

BMW Group gaat de CO2-uitstoot in de toeleveringsketen nog verder verminderen. Een bijzondere focus ligt op CO2-intensieve materialen zoals aluminium, staal en kunststoffen. De BMW Group wil daarom vanaf 2024 aluminium inkopen met een aanzienlijk lagere CO2-uitstoot van Rio Tinto in Canada. Het tekende hiervoor onlangs een overeenkomst.

In vergelijking met conventioneel vervaardigd aluminium kan het concern met het aluminium uit Canada ongeveer 70 procent van de CO2-uitstoot besparen. De geplande leveringsvolumes zijn bedoeld voor de productie van voertuigen. Bijvoorbeeld voor carrosserieonderdelen zoals de motorkap, in BMW Group Fabriek Spartanburg in de Amerikaanse staat South Carolina.

Koolstofarm aluminium

“We hebben duidelijke doelen voor het verlagen van de CO2-uitstoot in de toeleveringsketen. We willen innovatieve materialen gebruiken. Daarmee kunnen we de ecologische voetafdruk van onze voertuigen verkleinen. Zelfs voordat we ze aan klanten overhandigen. De overeenkomst om koolstofarm aluminium te leveren is gebaseerd op verschillende pijlers. Naast waterkracht en een hoog percentage secundair materiaal willen we ook het voortouw nemen in de auto-industrie door meer aluminium te gebruiken zonder directe CO2-uitstoot door het smeltproces.” Dat zegt Joachim Post. Hij is lid van de Raad van Bestuur van BMW AG, verantwoordelijk voor Inkoop en het leveranciersnetwerk.

Positieve materiaaleigenschappen

Aluminium heeft een relatief laag gewicht en andere positieve materiaaleigenschappen. Daarmee neemt het een stevige plaats in, in de intelligente composietconstructie van BMW Group. In de toeleveringsketen van een middelgrote volledig elektrische auto is ongeveer een kwart van de CO2-uitstoot toe te schrijven aan aluminium. Dit onderstreept het enorme potentieel om CO2 in de toeleveringsketen van aluminium te verminderen.

Innovatief productieproces

De BMW Group maakt gebruik van een innovatieve technologie: de ELYSIS-technologie. Deze is ontwikkeld voor de productie van aluminium. Het zorgt voor een revolutie in het smeltproces dat voor de productie nodig is. De innovatieve methode maakt daarbij gebruik van koolstofvrije anodes om alle procesgerelateerde CO2-emissies te elimineren. In 2021 werd de technologie voor het eerst met succes getest op industrieel niveau. BMW Group is van plan om als een van de eerste klanten deze technologie in de productie te gebruiken.

Andere pijlers

Naast het koolstofvrije proces heeft de overeenkomst ook betrekking op aluminiumlegeringen. Deze worden geproduceerd met behulp van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen, met een CO2-uitstoot die slechts een derde van het sectorgemiddelde bedraagt. De productiefaciliteiten voor aluminium in Quebec draaien bijna volledig op elektriciteit van zes lokale waterkrachtcentrales. Als verdere bijdrage aan het behoud van hulpbronnen wordt tot 50 procent secundair materiaal aan het eindproduct toegevoegd.

Blockchain-technologie

Het gebruik van de blockchain-technologie van Rio Tinto garandeert ook volledige traceerbaarheid van het aluminium, helemaal terug tot de oorspronkelijke bauxietmijn. Dit maakt volledige transparantie in de hele toeleveringsketen mogelijk. Het speelt daarom een belangrijke rol bij het controleren van de naleving van milieu- en sociale normen voor de winning van grondstoffen.

Foto’s: BMW Group 
Lees ook: BMW breidt productie van batterijmodules uit

Een tweede kans voor batterijen, versnellingsbakken en tandwielen

Gebruikte en beschadigde auto’s worden vaak verwijderd via energie-intensieve sloopprocessen. Zelfs wanneer veel van hun onderdelen nog volledig functioneel zijn. In het EKODA-project ontwikkelen Fraunhofer-onderzoekers een beter alternatief. Eerst onderzoeken zij elk onderdeel in een complexe testprocedure. Vervolgens gebruiken zij een evaluatiesysteem om aanbevelingen te genereren voor het hergebruik van deze onderdelen. Deze strategie optimaliseert de levensduur van de afzonderlijke onderdelen. Daardoor wordt een duurzame circulaire economie in de mobiliteitssector mogelijk.

Een camera beweegt langzaam over een lithium-ion batterij. Deze batterij is net uit een auto gehaald die bij een ongeval is beschadigd. De camera registreert het batterijtype, het model, het serienummer en de vermogensklasse (in kilowatt). En vergelijkt vervolgens deze informatie met een interne database. Daarna verwijdert een semi-geautomatieseerd systeem de batterijklep. En dan volgt nog meer analyse. Een meetsysteem registreert het huidige laadniveau van de batterij, de functionaliteit van de besturingselektronica en de conditie van de afzonderlijke batterijcellen.

Analyse en aanbevelingen

Het Fraunhofer-instituut voor gereedschaps- en vormtechnologie IWU ontwikkelde de evaluatiesoftware. De software gebruikt deze gegevens om een gedetailleerd profiel van de conditie van de batterij op te stellen en gebruikt de informatie om aanbevelingen voor hergebruik te doen. Een intacte batterij van slechts drie of vier jaar oud kan bijvoorbeeld worden overgezet in een gebruikte auto van hetzelfde type. Als het energieopslagsysteem ouder is, is gebruik eventueel mogelijk in een kleinere landbouwmachine. Zelfs als de batterij meerdere defecte cellen heeft, kan hij nog steeds geschikt zijn voor stationair gebruik. Bijvoorbeeld als opslag van elektriciteit in een fotovoltaïsch systeem thuis.

Tweede kans

Het batterijsysteem weggooien hoeft niet. Het krijgt een tweede kans, afgestemd op zijn specifieke mogelijkheden. Hetzelfde principe van onderzoek en hergebruik is ook toe te passen op andere auto-onderdelen. “Doorslaggevend is hier dat er een zorgvuldige demontage plaatsvindt van de afzonderlijke onderdelen via een gestandaardiseerd en geautomatiseerd proces. Dit is nodig omdat we vanaf het begin manieren moeten vinden om de onderdelen te kunnen hergebruiken,” legt Dr. Uwe Frieß uit, hoofd van de afdeling carrosseriebouw, montage en demontage bij Fraunhofer IWU.

Evaluatiesoftware

Een team onderzoekers van het Fraunhofer IWU in Chemnitz ontwikkelt en optimaliseert momenteel het bovengenoemde evaluatiesysteem. De software, die is uitgerust met AI-algoritmen, is een van de kerntechnologieën van het EKODA-project. Het doel van dat project is om een circulaire economie tot stand te brengen door efficiënte, economisch levensvatbare demontage en verwerking. Ondersteuning krijgt het project door een subsidie-initiatief van het Duitse ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF). Naast Fraunhofer IWU zijn er ook andere leden die deelnemen aan het consortium: het Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT in Oberhausen en een reeks partners uit de industrie.

Ambitieus doel

Het project heeft een ambitieus doel. Dr. Frieß: “We willen afstappen van de traditionele recycling en in plaats daarvan elk onderdeel van een auto als een waardevolle hulpbron beschouwen – ongeacht de functie die het momenteel in het voertuig vervult. Daarom werken we aan een strategie om te testen of deze afzonderlijke onderdelen in verschillende contexten kunnen worden hergebruikt.” Fraunhofer IWU-onderzoekers werken ook aan processen om de afzonderlijke componenten automatisch te demonteren. Door deze strategie systematisch toe te passen hopen de onderzoekers hergebruik van alle componenten mogelijk te maken als onderdeel van een circulaire economie. Omdat er dan minder nieuwe producten hoeven te worden gemaakt, dalen zowel de kosten als de CO2-uitstoot. Het zou daarnaast ook de noodzaak verminderen of wegnemen om voortijdig auto’s te slopen die nog gedeeltelijk intact zijn. Of om defecte tweedehands auto’s te exporteren naar landen in het Zuiden. Ecologisch gezien heeft dat weinig zin.

EKODA’s strategie voor de circulaire economie is bedoeld om de eenzijdige fixatie op recycling te doorbreken. Het gebruikt een evaluatiesysteem om te controleren of onderdelen geschikt zijn voor hergebruik of herbestemming (foto:  Fraunhofer IWU)

Carrosserieën, aandrijfassen, tandwielen

De onderzoekers uit Chemnitz analyseren niet alleen batterijopslagsystemen. Ze analyseren ook onderdelen zoals de carrosserie en de aandrijving. Sommige onderdelen van de aandrijving zouden ook geschikt kunnen zijn voor herfabricage. Het zou bijvoorbeeld het proberen waard zijn om stalen assen via een vervormingsproces te verkleinen. Hierdoor is implementatie in een andere mobiliteitstoepassing mogelijk. “Een tandwiel van een defecte versnellingsbak zou kunnen worden hergebruikt in een opgeknapte elektrische scooter, om maar een voorbeeld te noemen”, aldus Dr. Frieß. Fraunhofer IWU zet de ervaring van zijn onderzoekers op het gebied van hulpbronnenefficiënte productie in bij zowel het evaluatiesysteem als bij de ontwikkeling van processen voor automatische demontage en metaalbewerking tijdens de herfabricage.

Dynamische realtime updates

De onderzoekers willen nog een stap verder gaan met de ontwikkeling en het ontwerp van het evaluatiesysteem. Zij kijken naar toeleveringsketens, reparatiebedrijven en autodemontagebedrijven. In de toekomst is de opname van hun eisen of verzoeken om reserveonderdelen in de database van het evaluatiesysteem mogelijk. Het systeem kan dan zien dat het specifieke onderdeel dat het test, nodig is voor een plaatselijke werkplaats die bijvoorbeeld een kapotte tractor repareert. Op die manier zouden de automobielindustrie en haar leveranciers nieuwe bedrijfslijnen kunnen vormen. Deze connecties richten zich op het organiseren van duurzame manieren om alle onderdelen te gebruiken. Een andere onderzoekspartner in het project, het Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology UMSICHT, ontwikkelt circulaire bedrijfsmodellen die doeltreffend kunnen worden toegepast in verschillende industrieën.

Beeld: Onderdelen van de carrosserie worden ook beschouwd als een potentiële hulpbron die kan worden gedemonteerd, omgevormd en opnieuw vervaardigd voor hergebruik in andere producten (foto:  Fraunhofer IWU)