ESE E2: Revolutionaire een-stuks koolstofvezel wiel klaar voor prestaties

Koolstofvezel wielen bieden een reeks voordelen door rotatie-inertie en de gecombineerde massa – bekend als de ongeveerwde massa – van een voertuig's wielen, vering en andere direct verbonden componenten niet ondersteund door de vering te verlagen. Deze reductie in rotatie-inertie en ongeveerwde massa, wat zo hoog als 50% kan zijn, resulteert typisch in snellere versnelling met minder inspanning, verminderde remafstand, verbeterde wegwerking door beter contact met de weg (mechanische grip) en verminderd weglawaai.

Maar de prijslabels op koolstofvezel wielen – zowel hybride als volledig composiet – hebben ze voor veel consumenten onbereikbaar gehouden. Met de meest betaalbare geprijsd op meer dan $10.000 voor een set, zijn de waarschijnlijk alleen op zeer high-end sportauto's en luxe voertuigen te vinden. Verschillende wielbedrijven erkennen echter de marktpotentieel voor een lager geprijsd koolstofvezel wiel en werken aan een oplossing. Benaderingen variëren van de gebruikte materialen tot de manier waarop wielcomponenten geproduceerd en gecombineerd worden. Sommen combineren koolstofvezel componenten met aluminium voor een hybride wiel. Sommen maken wielen van prepreg.

ESE Carbon Co. (ESE, Miami, Fla., VS) werd in 2011 opgericht met het doel om koolstofvezel wielen beschikbaar te maken voor een breder segment van de rijvende bevolking. Het bedrijf heeft een vijf-as CNC precisie bewerkingsteam, geavanceerde structurele composiet onderdelen mogelijkheden, tailored fiber placement machines en robotica toegevoegd om productie te automatiseren. Het bedrijf heeft als doel zijn E2 lijn van één-stuks, één-curing volledig koolstofvezel composiet automobilistische wielen in het komende jaar te releasen. Wegend slechts 17 pond, is ESE's wiel ontworpen voor een 3.850 pond asbelasting, wat het in staat stelt voertuigen tot een 6.800 pond brutogewichtbelasting te ondersteunen. Volgens ESE's CEO Carlos Hermida, zouden traditionele aluminium wielen die in staat zijn om hetzelfde gewicht te hanteren, meer dan 30 pond wegen.

De E2 is een vijf-speken ontwerp gebaseerd op een universele sport esthetiek met een ingevallen, diepe kom look. Hermida zegt dat het bedrijf geïnspireerd was door het ontwerp van een aluminium Porsche wiel, wat dan geoptimaliseerd werd voor koolstofvezel. Het wiel gebruikt een hoge temperatuur epoxy systeem met goede helderheid en biedt custom finish oplossingen inclusief heldere glans, heldere mat en custom kleuren.

ESE's koolstofvezel wiel is 80% van de weg naar certificering onder de bestaande Society of Automotive Engineers (SAE, Warrendale, Pa., VS) Aanbevolen Praktijk, die van toepassing is op alle wielen momenteel geproduceerd, inclusief metalen wielen. Wat meer is, zegt Hermida dat het bedrijf waarschijnlijk het eerste één-stuks wiel op de markt zal hebben gecertificeerd onder een nieuwe composiet wiel aanbevolen praktijk, SAE J3204, wat net goedgekeurd is voor publicatie door de SAE. Zoals de metalen wiel SAE aanbevolen praktijk, adresseert deze nieuwe aanbeveling voor composiet wielen duurzaamheid door diverse vermoeidheids- en impacttests. Het voegt ook nieuwe vereisten toe om rekening te houden met omgevingsinvloeden die uniek zijn voor composieten. Dr. Michael Hayes, ESE's vice-president productontwikkeling, is actief betrokken in de task force voor deze nieuwe aanbevolen praktijk, data delen en prototypes leveren voor ontwikkelings testen door het SAE commissie. Intern werkt ESE's engineering team er aan om ervoor te zorgen dat E2's prestaties de minimale SAE aanbevelingen overschrijden.

"Er zijn jaren werk geweest door de SAE task force om de composiet wiel praktijk te creëren," zegt Hermida. "Veel van onze testdata en kennis is gedeeld met SAE om de praktijk aan de finishlijn te helpen, en hoewel de nieuwe SAE praktijk strenger zal zijn dan huidige wielpraktijken, verwelkomen we het in de naam van consumentenveiligheid."

Overschakelen naar tailored fiber placement

ESE's wiel wordt gecreëerd met behulp van tailored fiber placement technologie (TFP), wat het bedrijf zegt snelle, hoge-volume productie van koolstofvezel componenten met goede mechanische eigenschappen mogelijk maakt. TFP werkt door vezelbundels te rangschikken, ze te positioneren waar ze nodig zijn voor structurele prestaties, en ze in te stikken in positie op een compatibele basislaag. De procedure wordt gebruikt in plaats van de conventionele aanpak van het snijden van geweven stoffen tot een vereiste vorm. ESE gebruikt industriële-grad koolstofvezel tow van Hyosung Advanced Materials (Seoel, Zuid-Korea) en TFP technologie van ZSK Stickmaschinen GmbH (ZSK, Krefeld, Duitsland) om lagen te stikken, preformen van near-net-shape creërend.

"Door het pad van het tow materiaal te controleren terwijl het in de gewenste geometrie gestikt wordt, wordt materiaal alleen geplaatst waar het nodig is in de finale preform," legt Topher Anderson Ph.D., manager van technische borduurapplicatie voor ZSK, uit. "Gebieden van stof die in traditioneel laminaatontwerp uitgeknipd moesten worden, worden simpelweg niet gestikt. Dit proces verlaagt zowel de initiële afvalproductie bij het snijden van geweven stoffen tot vorm, als ook vermindert na-verwerkingsafval door de mogelijkheid om aan complexe geometrieën te voldoen."

Oorspronkelijk werkend met traditionele koolstofvezel stoffen voordat ze overgingen op TFP, claimt ESE dat de technologie het bedrijf in staat heeft gesteld om lagen met tot 50% te verminderen, waardoor een vereenvoudigd legproces en afvalminimalisatie ontstaat. Volgens Hermida, werd koolstofvezel afval verminderd van ongeveer 40% met traditionele koolstofvezel stoffen tot minder dan 10% door TFP te adoptie. Daarnaast heeft de technologie geleid tot verbeterde legkwaliteit, geoptimaliseerde vezeloriëntatie en verhoogde ontwerpflexibiliteit.

"Er zit veel kromming in onze speken, wat de lagen compliceert. Met traditionele stoffen is de oriëntatie van je koolstofvezel lagen beperkt," legt Hermida uit. "Met TFP is er een bijna onbeperkte capaciteit om rechte of gebogen patronen in elke richting te creëren, wat je in staat stelt om lagen te ontwerpen die geoptimaliseerd zijn om lasten en spanningen effectiever te managen dan mogelijk met traditionele stoffen."

Een van de meest significante kostenbesparingen voor ESE's wiel komt van deze legverbeteringen. Hermida zegt dat vóór de switch naar TFP, leggen een productieknelpunt was voor het bedrijf. Hij claimt de reductie in lagen de efficiëntie verbetert en leg tijd met bijna 50% vermindert. Meer onderdelen per mol kunnen elke dag gemaakt worden, wat vertaalt naar een positieve impact op de totale investering van tijd, arbeid en apparatuur per wiel.

In het geheel, zegt ESE dat TFP zijn proces vereenvoudigd heeft en bijgedragen heeft aan verbeterde schaalbaarheid. Hermida zegt er is ook een toegevoegde kostenvoordeel van het consolideren van de toeleveringsketen door tow te kopen in plaats van stof.

Meer informatie over tailored fiber placement (TFP):

• Tailored Fiber Placement: Besting metaal in volume productie
• Variabele-axiale composieten openen pad naar lichtere composietstructuren
• Preformen gaat industriëel: Deel 2

Alles-geïnfuseerd, één-curing koolstofvezel wiel

Naast zijn investering in TFP technologie, beweegt ESE weg van autoclave verwerking voor zijn wiel terwijl het duwt voor verbeterde productiesnelheden. De E2 wordt geproduceerd door een eigen compressie resin transfer molding (RTM) proces met behulp van custom pressen ontworpen door ESE's engineering team. Hermida zegt dat het bereiken van een alles-geïnfuseerd, één-curing wiel uitdagend was. Een sleutelcomponent hiervan was het selecteren van het juiste harsysteem.

"We hadden een lage-viscositeit, hoge Tg [glasovergangstemperatuur], hoge-helderheid, snel-curerend systeem met robuuste eigenschappen nodig," zegt Hermida.

Het bedrijf selecteerde Huntsman Advanced Materials' (The Woodlands, Texas, VS) Araldite voor zijn epoxy harsysteem. Volgens Huntsman biedt het systeem lage viscositeit voor snellere injectiesnelheden, vezel benetting en gemak van verwerking, alsook flexibiliteit om aan te passen aan verschillende molcondities en cyclus tijden. Met Araldite, zegt ESE dat het in staat is productiesnelheid te verbeteren en de rimpsterkte te verhogen, zelfs bij verhoogde temperaturen waaraan wielen blootgesteld zijn tijdens remmen.

Aralidite combineert verbeterde utrekking en hogere breukzwaarte vergeleken met conventionele epoxy harsen met hoge Tg tot 200°C.

"Wegens de remhitte die gegenereerd wordt, is dat een kritische component," zegt Hermida.

Om tijd in de mol te verminderen, biedt het systeem curering bij intermediaire temperaturen binnen de mol, gevolgd door optionele na-curing bij verhoogde temperaturen buiten de mol. Het resultaat is een lichte composiet rimp met goede vermoeidheidsweerstand, wat essentieel is voor duurzaamheid in wielen die blootgesteld zijn aan herhaalde cycli/spanningen tijdens voertuigoperatie.

Huntsman technische vertegenwoordigers werkten met ESE's engineering team om te bepalen welk epoxy harsysteem hun productiebehoeftes zou passen, alsook de ideale componentverhoudingen om een werkleven lang genoeg te bereiken voor het injecteren van meerdere wielmalen voordat de epoxy begint te geleren. Daarnaast leverde het bedrijf computer-gegenereerde, voorspellende curermodellering analyse en laboratoriumtesten om ESE's ontwikkelingsinspanningen te ondersteunen.

Het composiet wiel blijft draaien

ESE zal beginnen met wegtesten in Q1 2020. Levering van aftermarket wielen wordt later in 2020 verwacht en ESE zegt dat het discussies met OEMs heeft begonnen. Met de E2 klaar voor zijn debuut op de markt, komt de vraag terug naar kosten. De meeste koolstofvezel wielen op de markt vandaag zijn ongeveer de kost van sommige betaalbare auto's.

"Koolstofvezel wielproductie is uniek op veel manieren; terwijl huidige automatiseringstechnologieën ons ten goede komen, is een grote hoeveelheid aanpassing en ontwikkeling van automatisering nog steeds vereist om tot de wielprijs te komen die we willen," zegt Hermida.

Met zijn toevoeging van TFP, maakt ESE stappen in de automatisering van zijn proces. Hermida zegt dat het bedrijf ook in staat is geweest om na-verwerking van het wiel te automatiseren, en het bedrijf werkt momenteel aan het verbeteren van zijn automatisering van taken als trimmen, robotische pick and place leggen en preformen.

"Het komt neer op ESE koolstofvezel wielen bereikbaar maken," zegt Daniel Canavan, ESE's vice-president business development. "We werken hard om een punt te bereiken waar koolstofvezel technologieën toegepast kunnen worden op de grotere bevolking."

ESE's E2 heeft als doel meer te zijn dan alleen een competitief wiel op de markt. Het initiële doel is om een set van vier wielen voor minder dan $9.900 aan te bieden. Hoewel dit nog steeds duur kan klinken, is het zeker een stap in de goede richting, en zegt Hermida dat de automatiseringsprojecten van het bedrijf de kosten zullen helpen kappen om verder te reiken dan de luxe/prestatie markt.

"Onze ambities gaan ver daarbuiten," zegt Hermida. "Dit is slechts een startpunt. Ons doel is om prijzen te zetten die binnen bereik zijn van gesmede aluminium wielen." Vergelijkbare gesmede aluminium wielen variëren tussen $5.000-$7.000.

"We zien een groter plaatje van dit in massa productie doen," zegt Canavan. "We denken aan elektrische voertuigen en andere markten waar we efficiëntie kunnen delen en [gebruikers] de voordelen van ongeveerwd gewicht kunnen ervaren – prestaties, snelheid en veiligheid. Er zijn zo veel voordelen aan deze technologie waar we echt een verschil in kunnen maken."