Het komende decennium: Onzekerheid navigeren met heldere visie

Ao we het decennium van de 2020er binnen gaan, is het de moeite waard te reflecteren wat de 2010er de composietengemeenschap gebracht hebben en hoe deze innovaties de toekomst wel of niet zullen vormen. In de traditionele composietenmarkt van de luchtvaart, trad de Boeing 787 in 2011 in dienst, met de evenzeer composiet-intensieve Airbus A350 XWB die in 2015 volgde. Bombardier's CSeries enkelgang vliegtuig, met harsgeïnfuseerde vleugels, trad in 2016 in dienst. Airbus verwierf vervolgens de CSeries productlijn in 2018, herbrandt naar de A220. Ten slotte, en jammer genoeg, markeerde 2019 de annulering van de Airbus A380, een groter-dan-leven vliegtuig dat veel composiet innovaties pionierde.

Op het automobilistisch front, schudde BMW de industrie op door in 2013 de i8 en i3 te introduceren, een wereldwijde verticale toeleveringsketen vestigend en velen ertoe brengend te speculeren dat de leeftijd van koolstofvezel-intensieve voertuigen binnenkort en masse zou arriveren. Twee jaar later bracht BMW de herontworpen 7-Series uit, een multi-materiaal voertuig met ongeveer 15 structurele onderdelen in koolstofvezel, suggesterend misschien een alternatief pad naar massa adoptie. Later in het decennium onthulde General Motors de Sierra Denali pick-up met een compressie gevormde koolstofvezel-versterkte thermoplastische bak, en in 2019 een achtermotorversie van de Corvette met een gebogen, gepultrudeerde achterbumperbalk.

Op het gebied van composieten recycling, met name voor koolstofvezel composieten (beyond scrap vezel), begon het decennium met vrijwel geen leveranciersbasis en eindigde met meer dan een dozijn leveranciers, veler leverende commerciële hoeveelheden in downstream toepassingen. De windenergie industrie had een banner decennium, de capaciteit wereldwijd meer dan verdrievoudigend en bewijzend een sterke markt voor composieten te zijn. Ik zal windenergie volgende maand meer in detail behandelen, dus zal ik hier focussen op luchtvaart en automotief.

Hoewel ik gebaseerd ben in de VS, had ik de kans in early 2019 om een aantal onderzoeksinstellingen in het VK te bezoeken die zich richten op composieten, en in december bezocht ik meerdere Fraunhofer Instituten en DLR faciliteiten in noord- en zuid-Duitsland, alsook diverse productiefaciliteiten die luchtvaart en automotieve markten bedienen. Deze bezoeken en discussies vullen mijn observaties in de VS aan over waar materiaal- en procesontwikkelingen heen gaan als we 2020 starten. Hoewel verschillen op een bepaald niveau tussen landen bestaan, zijn de hoofddrukken werkelijk globaal – productiesnelheid verhogen en kosten verlagen domineren, met recycling en duurzaamheid integraal aan deze R&D inspanningen. Alles bevestigt dat internationale samenwerking om deze kwesties aan te pakken niet alleen gunstig, maar imperatief is als composieten traditionele materialen werkelijk willen verdringen.

Hoewel vragen blijven, wordt de toekomst van composieten in de luchtvaart enigszins duidelijker. Ondanks geen formele aankondigingen over vervangers voor Boeing en Airbus enkelgang vastberaden, is het duidelijk dat veel luchtvaartonderzoek gericht is op het leveren van technologieën om grote geavanceerde composietstructuren te produceren, bewerken, inspecteren en monteren op hogere snelheden. Het is een ding om 100 tot 140 widebody jets per jaar te leveren, maar een heel ander ding om 700 tot 900 enkelgang vliegtuigen per jaar met composiet primaire structuren te bouwen. Wanneer men aangrenzende markten in onbemande luchtvaartuigen (UAV) en stedelijke luchtmobiliteit (UAM) zoals luchttaxi's overweegt, zijn de volumes waarschijnlijk in de duizenden per jaar. Hoewel er aanzienlijk belangstelling is in thermoplastieken, zijn de grote structuren voor passagiersvliegtuigen waarschijnlijk in thermoharders (vacuüm geïnfuseerd of out-of-autoclave curerende prepregs), met thermoplastieken in klemmen, beugels, ribben en andere kleinere componenten. Voor de UAV en UAM markten, verwacht de industrie thermoplastieken te overwegen en ook technologieën geïntegreerd die ontwikkeld zijn voor automotief, zoals high-pressure resin transfer molding (HP-RTM), pultrusie en compressie vorming.

De automobilistische wereld, aan de andere kant, toont aanzienlijke onzekerheid. Er is nog steeds sterk belangstelling in koolstofvezel, maar de waarde ervan moet nu overwogen worden in het licht van andere drijfveren – elektrificatie, mobiliteit en autonomie – niet alleen gewichtsreductie voor gewichtsreductie's wil. De afgelopen 10 jaar zijn cyclus tijden en de kosten van koolstofvezel composieten met 50% of meer verminderd, maar hebben nog verder te gaan. Discontinue koolstofvezel, ofwel gerecycled of van lagere kosten precursors/processen, zal een thuis vinden als versterking voor compressie of injectie vormmassen, waar automatisering hoog is en schrotpercentages laag. Hoewel BMW recent aangekondigd heeft dat het de i3 tot 2024 blijft produceren, treedt de Duitse auto-industrie als geheel terug van nieuwe toepassingen voor continue koolstofvezel. De toekomst voor koolstofvezel in hoge-volume primaire structuren zal afhangen van het krijgen van afgeronde deeltjes kosten naar minder dan €18 per kilogram (ongeveer $10 per pond). Mogelijke tussenliggende oplossingen omvatten continue glasvezel of hybride glas/koolstof structuren, alsook verhoogde ontwikkeling van hybride overvormde componenten.

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