Het komende decennium:duidelijkheid met een flinke dosis onzekerheid

Nu we het decennium van de jaren 2020 ingaan, is het de moeite waard om na te denken over wat de jaren 2010 voor de composietengemeenschap hebben gebracht en hoe deze innovaties de toekomst wel of niet kunnen vormgeven. In de traditionele composietenmarkt van de ruimtevaart werd de Boeing 787 in 2011 in gebruik genomen, gevolgd door de vergelijkbare composietintensieve Airbus A350 XWB in 2015. Bombardier's CSeries vliegtuig met één gangpad, met met hars doordrenkte vleugels, kwam in 2016 in dienst. Airbus verwierf toen de CSeries productlijn in 2018, omgedoopt tot de A220. Ten slotte, en helaas, markeerde 2019 de annulering van de Airbus A380, een meer dan levensgroot vliegtuig dat pionierde met veel composietinnovaties.

Op het gebied van auto's schudde BMW de industrie wakker door in 2013i8 en i3 de introductie van de , het opzetten van een wereldwijde verticale toeleveringsketen en waardoor velen speculeren dat het tijdperk van koolstofvezelintensieve voertuigen binnenkort en masse zou aanbreken . Twee jaar later bracht BMW de opnieuw ontworpen 7-Serie . uit , een voertuig uit meerdere materialen met ongeveer 15 structurele onderdelen in koolstofvezel, wat misschien een alternatief pad naar massale acceptatie suggereert. Aan het eind van het decennium onthulde General Motors een Sierra Denali pick-up truck met een geperste, met koolstofvezel versterkte thermoplastische doos, en in 2019 een versie met de motor achterin van de Corvette met een gebogen, gepultrudeerde achterbumperbalk.

Op het gebied van composietrecycling, met name voor koolstofvezelcomposieten (meer dan schrootvezels), begon het decennium met vrijwel geen toeleveringsbasis en eindigde met meer dan een dozijn leveranciers, waarvan vele commerciële hoeveelheden leverden aan downstream-toepassingen. De windenergie-industrie had een uitstekend decennium, de wereldwijde capaciteit meer dan verdrievoudigd en een sterke markt voor composieten. Ik zal volgende maand uitgebreider ingaan op wind, dus zal ik me hier concentreren op lucht- en ruimtevaart en auto's.

Hoewel ik in de VS ben gevestigd, had ik begin 2019 de gelegenheid om een ​​aantal onderzoeksinstituten in het VK te bezoeken die zich richten op composieten, en in december bracht ik bezoeken aan meerdere Fraunhofer Institutes en DLR-faciliteiten in Noord- en Zuid-Duitsland, zoals evenals verschillende productiefaciliteiten die de lucht- en ruimtevaart- en automobielmarkten bedienen. Deze bezoeken en discussies versterken mijn observaties in de VS over waar de materiaal- en procesontwikkelingen naartoe gaan als we 2020 beginnen. Hoewel er op een bepaald niveau verschillen bestaan ​​tussen landen, zijn de belangrijkste drijfveren echt mondiaal:toenemende productiesnelheid en lagere kosten domineren, met recycling en duurzaamheid die een integraal onderdeel vormen van deze R&D-inspanningen. Alles bevestigt opnieuw dat internationale samenwerking om deze problemen aan te pakken niet alleen gunstig is, maar ook noodzakelijk als composieten traditionele materialen echt willen vervangen.

Hoewel er nog vragen zijn, wordt de toekomst van composieten in de ruimtevaart enigszins duidelijker. Ondanks dat er geen formele aankondigingen zijn met betrekking tot vervangingen voor Boeing en Airbus getrouwen met één gangpad, is het duidelijk dat veel ruimtevaartonderzoek is gericht op het leveren van technologieën voor het produceren, machinaal bewerken, inspecteren en assembleren van grote geavanceerde composietconstructies tegen hogere tarieven. Het is één ding om 100 tot 140 widebody-jets per jaar te leveren, maar iets heel anders om jaarlijks 700 tot 900 vliegtuigen met één gangpad te bouwen met samengestelde primaire structuren. Wanneer men kijkt naar aangrenzende markten voor onbemande luchtvaartuigen (UAV) en stedelijke luchtmobiliteit (UAM), zoals luchttaxi's, zullen de volumes waarschijnlijk jaarlijks in de duizenden lopen. Hoewel er veel belangstelling is voor thermoplasten, blijven de grote constructies voor passagiersvliegtuigen waarschijnlijk in thermoharders (met vacuüm geïnfuseerd of uit de autoclaaf genezen prepregs), met thermoplasten in clips, beugels, ribben en andere kleinere componenten. Verwacht voor de UAV- en UAM-markten dat de industrie thermoplasten in overweging neemt en ook technologieën opneemt die zijn ontwikkeld voor de auto-industrie, zoals hogedrukharsoverdrachtgieten (HP-RTM), pultrusie en compressiegieten.

De autowereld daarentegen vertoont grote onzekerheid. Er is nog steeds veel belangstelling voor koolstofvezel, maar de waarde ervan moet nu worden beschouwd in het licht van andere drijvende krachten - elektrificatie, mobiliteit en autonomie - niet alleen lichtgewicht omwille van lichtgewicht. In de afgelopen 10 jaar zijn de cyclustijden en de kosten van koolstofvezelcomposieten met 50% of meer verminderd, maar er moet nog meer worden gedaan. Discontinue koolstofvezel, ofwel gerecycled of van goedkopere voorlopers/processen, zal een thuis vinden als versterking voor compressie- of spuitgietmassa's, waar de automatisering hoog is en de afvalpercentages laag zijn. Hoewel BMW onlangs heeft aangekondigd dat het door zal gaan met het bouwen van de i3 tot 2024 stapt de Duitse auto-industrie als geheel terug van nieuwe toepassingen voor continue koolstofvezel. De toekomst van koolstofvezel in primaire structuren met een hoog volume zal afhangen van het terugbrengen van de kosten van afgewerkte onderdelen tot minder dan € 18 per kilogram (ongeveer $ 10 per pond). Mogelijke oplossingen op middellange termijn zijn onder meer continue glasvezel- of hybride glas/koolstofstructuren, evenals een verhoogde ontwikkeling van hybride overmolded-componenten.

Wat zullen de komende 10 jaar opleveren voor composieten? Voor dingen die vliegen, ziet de toekomst er rooskleurig uit. Maar voor grondvoertuigen hebben we nog een paar doorbraken nodig.