Blog

Analisis Roda Serat Karbon Ringan untuk Energi Baru
Kendaraan

Kendaraan Energi Baru Roda Serat Karbon Ringan
Analisis

2023-07-11 06:59:49

Pendahuluan
Kendaraan energi baru secara bertahap menggantikan kendaraan berbahan bakar tradisional.
mobil bertenaga listrik. Jajaran kendaraan listrik telah menjadi
Hambatan pengembangan terbesar, membuat ringan
sangat penting.

Dengan meningkatnya permintaan untuk perlindungan lingkungan dan
efisiensi energi, industri otomotif global sedang mencari
beragam solusi pengurangan berat badan. Kebutuhan untuk mengurangi berat badan
dalam massa yang tidak terpotong sangat menonjol, dan sebagai
komponen penting dari massa yang tidak terpegas, akun roda
untuk proporsi yang signifikan dari keseluruhan berat kendaraan. Satu
Cara efektif untuk mengurangi berat badan adalah melalui penggunaan karbon
roda serat. Seiring dengan berkurangnya bahan baku dan biaya produksi,
roda serat karbon, yang dulunya mahal dan hanya digunakan
dalam model mewah atau ultra-mewah, secara bertahap menjadi lebih
dapat diakses.

Gambar 1: Roda Serat Karbon

Prospek Aplikasi CFRP di Bidang Otomotif
Serat karbon adalah serat yang ringan, berkekuatan tinggi, dan memiliki modulus tinggi
bahan serat. Memiliki kepadatan yang lebih rendah dari logam tetapi 16 kali lipat
lebih kuat dari baja. Modulus Young-nya 2-3 kali lebih tinggi
dari serat kaca tradisional, dengan tetap mempertahankan fleksibilitas
dari serat.

Biasanya, velg aluminium memiliki berat sekitar 15 kilogram,
sementara roda serat karbon dapat mengurangi berat hingga 8 kilogram,
menjadikan roda serat karbon sebagai "alat pengurang berat badan" yang sesungguhnya.

Karena sifatnya yang ringan dan berkekuatan tinggi, karbon
serat selalu menjadi bahan yang disukai untuk otomotif
manufaktur. Selain aplikasi roda, serat karbon
juga digunakan dalam drivelines otomotif, pegas daun, struktur,
dan bodi, memastikan kekuatan dan kekakuan yang cukup saat
mengurangi berat dan konsumsi energi kendaraan.
Menurut "Pasar Serat Karbon Otomotif 2021
Research Report" yang diterbitkan oleh MarketaaWatch, perusahaan riset global
ukuran pasar serat karbon otomotif mencapai hampir $160
juta pada tahun 2020. Dari tahun 2021 hingga 2027, pasar otomotif global
pasar serat karbon diharapkan dapat mempertahankan senyawa
tingkat pertumbuhan tahunan lebih dari 5%.

Penerapan bahan serat karbon pada mobil tidak
tidak hanya untuk meringankan dan mengurangi konsumsi energi tetapi
juga untuk meningkatkan kinerja keselamatan kendaraan. Dibandingkan dengan
velg aluminium alloy tradisional, velg serat karbon adalah
lebih ringan, lebih kuat, bebas dari kelelahan logam, dan secara signifikan
mengurangi kebisingan. Pasar velg serat karbon di Cina memiliki
potensi yang sangat besar, tetapi adopsi serat karbon secara luas
roda terutama tergantung pada pertimbangan biaya.

Gambar 2: Prakiraan Permintaan Serat Karbon di Otomotif
Sektor

Dengan peningkatan berkelanjutan dan produksi skala besar
teknologi manufaktur serat karbon, biaya karbon
serat secara bertahap menurun. Serat karbon tradisional
prekursor terutama terbuat dari bahan baku poliakrilonitril (PAN)
material, yang selalu mahal. Namun, dengan menggunakan
berbasis aspal, polietilena, dan bahan lainnya untuk menghasilkan
prekursor, biaya serat karbon dapat dikurangi lebih banyak
dari 30%. Sebagai contoh, Carbon Revolution, sebuah perusahaan Australia
perusahaan, memproduksi roda serat karbon dengan ikatan
serat karbon dengan resin, mencapai produksi skala besar dan
mengurangi biaya roda serat karbon ke tingkat yang mendekati
roda aluminium.

Pemerintah Tiongkok telah menerapkan kebijakan yang relevan untuk
mempromosikan penerapan secara luas produksi dalam negeri
serat karbon berkinerja tinggi. Pada bulan Maret 2021, "14
Rencana Lima Tahun untuk Ekonomi dan Sosial Nasional
Pembangunan dan Tujuan Jangka Panjang untuk 2035" dirilis,
yang menekankan perlunya memperkuat penelitian,
pengembangan, dan penerapan serat berkinerja tinggi seperti
seperti serat karbon dan kompositnya. Hal ini memberikan keuntungan
lingkungan kebijakan untuk kemajuan teknologi
industri serat karbon di masa depan.

Perkembangan kendaraan energi baru tidak dapat dihentikan, dan
roda serat karbon dapat menjadi fitur standar pada model baru
kendaraan energi.

Perbandingan antara Roda CFRP dan Roda Logam:

Sejak penemuan mobil pada tahun 1886, yang memiliki sejarah
lebih dari 100 tahun, roda mobil telah berevolusi dari
bahan kayu hingga bahan logam modern. Umumnya
Bahan roda yang digunakan pada mobil modern termasuk roda baja,
velg aluminium, velg magnesium, dan yang terbaru
tahun, roda serat karbon telah muncul, terutama di
supercar.

Roda Baja: Roda baja terutama terbuat dari besi dan lainnya
logam untuk meningkatkan ketangguhan. Mereka memiliki keuntungan dari
ketangguhan yang lebih tinggi, ketahanan benturan yang sangat baik, dan beban yang baik
daya dukung. Selain itu, harganya relatif murah.
Namun, roda baja memiliki beberapa kekurangan, seperti
kerentanan terhadap karat, pembuangan panas yang buruk, bobot yang berat, dan
keterbatasan pada pengereman dan penanganan.

Velg Paduan Aluminium: Aluminium adalah komponen utama dari
velg aluminium, bersama dengan elemen seperti antimon,
silikon, dan magnesium untuk meningkatkan performa secara keseluruhan. The
proses pembuatan velg aluminium lebih banyak
lebih kompleks daripada roda baja, dengan lebih banyak langkah pemrosesan.
Velg aluminium menunjukkan kinerja keseluruhan yang lebih tinggi dan
pengurangan berat badan yang signifikan. Karena kepadatan yang lebih rendah dari
paduan aluminium, mereka menawarkan akselerasi yang lebih cepat, panas yang lebih baik
disipasi, dan cocok untuk kondisi jalan perkotaan.
Namun, velg aluminium memiliki relatif lebih rendah
ketangguhan, ketahanan benturan, dan ketahanan lelah, membuat
tidak cocok untuk lingkungan yang keras seperti off-road
kondisi.

Roda Paduan Magnesium-Aluminium: Dibandingkan dengan aluminium,
magnesium memiliki kepadatan yang lebih rendah dan mirip dengan serat karbon
bahan komposit. Velg magnesium-aluminium
termasuk magnesium sebagai komponen utama, bersama dengan
aluminium, seng, mangan, dan elemen lainnya. Mereka menyediakan
elastisitas yang lebih baik, pembuangan panas yang lebih cepat, dan guncangan yang lebih kuat
kemampuan penyerapan. Mereka adalah versi yang disempurnakan dari
velg aluminium dalam hal ketangguhan. Namun,
velg magnesium-aluminium rentan terhadap oksidasi dan
memiliki ketahanan korosi yang buruk.

Roda Serat Karbon: Velg serat karbon adalah hal yang relatif baru
jenis roda yang muncul dalam beberapa tahun terakhir. Mereka memiliki
penampilan hitam murni dengan permukaan bertekstur, memberi mereka
tampilan kelas atas dan canggih. Roda serat karbon menawarkan
kinerja yang kuat, berat yang sebanding dengan magnesium
roda, ketangguhan tinggi, ketahanan benturan yang sangat baik, dan
ketahanan terhadap korosi dan oksidasi. Saat ini mereka digunakan di
sepeda motor, sepeda gunung, sepeda jalan raya, dan mobil.

Keuntungan dari Roda Komposit Serat Karbon
Roda dan ban mobil menanggung seluruh beban dan memainkan peran
peran penting dalam mengemudikan kendaraan di bawah aksi
poros transmisi. Sebagai komponen struktural inti, karbon
Roda komposit serat memiliki kapasitas menahan beban yang sangat baik
dan tahan benturan, memberikan kinerja yang luar biasa
selama akselerasi dan di bawah beban berat. Selain itu, karbon
roda serat dapat secara efektif mengurangi inersia dan memungkinkan lebih cepat
akselerasi, pengereman, dan manuver karena berkurangnya
berat badan.

(1) Bobot Lebih Ringan, Kekuatan Lebih Tinggi

Telah diketahui secara luas bahwa material komposit serat karbon adalah
diakui sebagai metode terbaik untuk "ringan" dan berat
pengurangan pada mobil. Serat karbon, yang juga dikenal sebagai "hitam
emas," lebih ringan dari aluminium namun memiliki kekuatan yang lebih tinggi
dari baja. Ini menunjukkan ketahanan korosi dan modulus tinggi
karakteristik, memungkinkan tidak hanya pengurangan berat badan tetapi juga
memperkuat struktur kendaraan. Data menunjukkan bahwa 20-
roda serat karbon inci memiliki berat sekitar 7,5 kg, yaitu
lebih dari 25% lebih ringan dari paduan aluminium berukuran setara
roda. Dalam hal kekuatan, roda serat karbon menunjukkan
peningkatan keseluruhan sekitar 30% dibandingkan dengan aluminium
velg.

(2) Peningkatan Kinerja dan Penanganan

Insinyur dari merek roda Carbon Revolution Australia
telah menyatakan bahwa mengurangi berat roda sebesar 1 kg, di bawah
massa yang tidak terpengaruh, setara dengan mengurangi keseluruhan kendaraan
berat badan sebesar 15 kg. Untuk setiap pengurangan berat 10%, maka
Performa akselerasi kendaraan dapat meningkat dengan
sekitar 8%. Hal ini mengindikasikan bahwa roda yang ringan dapat
memberikan respons yang lebih baik terhadap performa tenaga kendaraan.
Roda serat karbon juga menawarkan penyerapan guncangan yang sangat baik,
peningkatan kenyamanan, dan penanganan yang lebih baik.

(3) Efisiensi Energi dan Pengurangan Emisi

Mengurangi massa yang tidak terpancing sebanyak 1 kg dengan menggunakan serat karbon
roda komposit setara dengan mengurangi keseluruhan kendaraan
berat sebesar 15 kg. Pengurangan bobot 10% dapat menghasilkan 6%-
Penurunan konsumsi bahan bakar sebesar 8% dan penurunan 5% dalam
emisi. Dalam skenario di mana kendaraan menggunakan jumlah yang sama dari
bensin, mobil yang dilengkapi dengan roda serat karbon dapat melaju hingga
hingga 50 km lebih banyak per jam dibandingkan dengan mobil dengan paduan aluminium
roda. Berat roda serat karbon 60% lebih ringan dari
dibandingkan dengan pelek velg aluminium tempa dengan ukuran yang sama,
membuat pengurangan bobot kendaraan menjadi signifikan bagi lingkungan
tujuan.

(4) Penanganan yang Lebih Baik dan Performa Pengereman yang Unggul

Roda serat karbon menawarkan modulus elastisitas hingga 200 GPa.
Semakin tinggi modulus elastisitas, semakin kecil elastisitasnya
deformasi setelah mengalami gaya, menghasilkan lebih baik
kenyamanan dan penanganan yang lebih baik. Setelah mengganti roda dengan
serat karbon ringan, suspensi kendaraan
kecepatan respons meningkat secara nyata, yang mengarah ke lebih cepat dan
akselerasi yang lebih mulus dan performa pengereman yang lebih baik.

Contoh Aplikasi Roda Komposit Serat Karbon
Didirikan pada tahun 2007, Carbon Revolution adalah teknologi global
perusahaan dan pemasok OEM Tier 1 yang telah berhasil
yang dirintis, dikomersialkan, dan diindustrialisasi dengan teknologi tinggi
performa, serat karbon ringan berteknologi canggih
roda. Selain velg mobil mewah, perusahaan ini memiliki
mengumumkan pengembangan karbon 23 inci dan 24 inci
roda serat yang menargetkan pasar truk listrik dan SUV. Roda serat fiber
perusahaan juga melakukan proyek konseptual dan validasi
untuk roda helikopter CH-47 Chinook milik Boeing.

Gambar 3: Serat Karbon Seri Ultra-Ringan dari Carbon Revolution
Roda

Pembuatan roda serat karbon membutuhkan biaya yang tinggi.
pelapisan serat karbon presisi dan pencetakan bertekanan tinggi
teknik. Revolusi Karbon memegang sekitar 50 paten
terkait dengan produk dan manufaktur roda serat karbon
proses dan bertujuan untuk meningkatkan efisiensi melalui proses
peningkatan. Untuk mencapai hal ini, perusahaan telah mengembangkan
jalur produksi yang sangat otomatis dan banyak mempekerjakan
pembelajaran mesin dan teknologi kecerdasan buatan untuk
mengoptimalkan proses manufaktur. Rata-rata, roda
adalah 40% hingga 50% lebih ringan dari roda aluminium standar di
pasar. Selain itu, roda dapat dirancang dengan
bentuk aerodinamis untuk mengurangi hambatan dan meningkatkan jangkauan tanpa
menambah berat badan.

Perusahaan Italia, Bucci Composites, memperkenalkan 20 inci pertama
pelek roda serat karbon yang dirancang khusus untuk
sektor olahraga/supercar. Hal ini memungkinkan roda untuk dipasang ke
hub dengan cara tradisional, menghilangkan risiko torsi baut
melonggarkan. Hal ini memastikan bahwa roda serat karbon yang sangat ringan
mudah dirakit dan dirawat seperti halnya roda tradisional. Untuk
mengatasi suhu tinggi yang dihadapi, terutama ketika
menggunakan rem keramik karbon, sisi dalam pelek roda
dilapisi dengan lapisan keramik, melindungi serat karbon dan
memungkinkan pelek roda untuk digunakan pada suhu yang ekstrim.

Gambar 4: Revolusi Karbon

Bucci Composites juga telah melengkapi dirinya dengan teknologi mutakhir
teknologi produksi dari Cannon (High-Pressure RTM-
HP-RTM), satu-satunya perusahaan di Italia yang memiliki teknologi untuk
terus mengembangkan lebih banyak model roda untuk otomotif
industri.

Gambar 5: Peralatan Proses HP-RTM Cannon

Solusi Cannon mencakup peralatan yang diperlukan untuk
proses RTM bertekanan tinggi untuk memproduksi komposit
bahan dengan matriks resin epoksi dan serat karbon
penguatan:

(1) Unit dosis tekanan tinggi sistem E tiga komponen untuk
formulasi resin epoksi, menampilkan tiga komponen LN10
kepala pencampur dan kontrol loop tertutup dari rasio output.

(2) Mesin cetak kompresi langkah pendek dengan penjepit
kekuatan 25.000 kN, pelat penekan 3,6 × 2,4m, dan sangat
kontrol aktif paralelisme yang tepat untuk memastikan kerataan cetakan
bagian.

Gambar 6: Roda Serat Karbon 20″ dari Bucci Composites

Produsen mobil ternama asal Inggris, Bentley, baru-baru ini
memperkenalkan velg serat karbon yang inovatif untuk Bentley-nya
SUV Bentayga, yang dikembangkan oleh Bucci Composites. Ukuran 22 inci
velg serat karbon menjadi velg serat karbon terbesar
yang pernah diproduksi, menjamin desain yang inovatif dan luar biasa
kinerja, sekaligus mencapai pengurangan berat 6 kg per
roda.

Gambar 7: Roda 22″ yang dikembangkan oleh Bucci untuk Bentley

Vision Wheel, yang berbasis di Amerika Serikat, telah memperkenalkan
roda serat karbon yang dikembangkan bekerja sama dengan IDI
Komposit Internasional dan tenun material komposit
ahli Teknologi A&P. Biaya setiap roda adalah $2.000 atau
bahkan lebih rendah lagi.

Perusahaan Amerika lainnya, ESE Carbon, telah meluncurkan E2
roda komposit serat karbon terintegrasi di pasar purnajual,
melayani Tesla Model S, Tesla Model 3, dan Subaru WRX STI
kendaraan.

Roda E2 menggunakan serat khusus yang inovatif dan canggih
penempatan (TFP) dan teknologi infus resin bertekanan tinggi,
menggabungkan kinerja, daya tahan, efisiensi, dan inovasi
dengan keindahan serat karbon, memberikan kualitas terbaik
roda aftermarket.

Semakin ringan rodanya, semakin rendah inersia rotasi, sehingga menghasilkan
dengan lebih sedikit tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan roda ke depan. Sebagai
roda komposit serat karbon premium, E2 secara signifikan
mengurangi berat dibandingkan dengan roda aluminium dan baja. Pengujian
telah menunjukkan bahwa setiap roda dapat menghemat 10 pon berat,
menghasilkan peningkatan kecepatan putaran sebesar 5,3%.

Secara sederhana, benda yang lebih ringan membutuhkan lebih sedikit usaha untuk melambat
dan berhenti. Roda serat karbon E2 lebih ringan 45% dari
roda baja atau aluminium yang setara. Pengujian telah menunjukkan bahwa E2
roda dapat mengurangi pengereman dan jarak meluncur dari 60 mph
hingga 1 mil sebesar 3,6%.

Mengurangi berat yang tidak diikat meminimalkan gaya yang diberikan oleh
suspensi untuk menjaga roda tetap kokoh di jalan. Setiap E2
roda serat karbon dapat mengurangi hingga 10 pon unsprung
berat dari sistem, sehingga meningkatkan kinerja suspensi.
Peningkatan yang dihasilkan dalam kontak ban mengarah pada peningkatan
respon kemudi dan penanganan yang lebih responsif. Baik pada
jalan raya atau lintasan, roda serat karbon E2 membawa Anda berkendara
pengalaman ke tingkat yang benar-benar baru.

Pengujian Jalan

Setelah bertahun-tahun pengujian prototipe, E2, yang paling berteknologi
hub roda otomotif canggih yang pernah dikembangkan, telah
dibuat. Dengan menggunakan pemodelan yang sangat canggih menggunakan
analisis elemen, tim teknik komposit ESE dapat
memprediksi respons roda dalam berbagai dunia nyata
skenario. Dengan kekayaan data ini, roda ESE mengalami
pengujian baik di laboratorium maupun di lapangan, memvalidasi
kekuatan, keamanan, dan kinerja.

Pengujian Dampak Radial
Pengujian tumbukan radial mengevaluasi stabilitas roda saat
menghadapi lubang atau rintangan besar untuk mencegah kerusakan parah
kerusakan atau kegagalan. Karena kondisi jalan tidak selalu sempurna,
Roda E2 telah melalui pengujian yang ketat untuk menahan
bahaya di jalan raya dan telah terbukti lebih unggul dari baja yang setara
dan roda aluminium.

Uji Dampak Pinggir Jalan
Uji dampak trotoar merupakan evaluasi penting untuk menilai dampaknya
benturan berulang pada permukaan statis, mensimulasikan kendaraan
menabrak trotoar atau objek tetap lainnya pada kecepatan yang telah ditentukan.
Bahkan pada kecepatan rendah, kontak antara trotoar dan roda
menghasilkan gaya tumbukan yang signifikan. Roda serat karbon E2
telah dirancang dan diuji secara ekstensif untuk menahan kegagalan
dalam situasi yang merusak seperti benturan di tepi jalan.

Pengujian SAE J3204

E2 telah menjalani pengujian komprehensif dan sedang menunggu
sertifikasi di bawah SAE J3204, sebuah proses produksi baru untuk
roda material komposit. ESE berkolaborasi erat dengan
Society of Automotive Engineers (SAE) untuk membantu membangun
standar dan tolok ukur untuk roda material komposit. Dalam
Faktanya, velg serat karbon E2 ESE melampaui batas minimum SAE
rekomendasi.

Mirip dengan velg logam, SAE mengatasi masalah daya tahan
untuk roda material komposit melalui berbagai kelelahan dan
uji dampak. SAE juga telah memperkenalkan persyaratan baru untuk
mengatasi dampak lingkungan yang unik dari komposit
bahan.

Gambar 11: Roda serat karbon E2 yang diadopsi oleh major
produsen otomotif di seluruh dunia.

Roda serat karbon E2 dirancang menggunakan teknologi terbaru
Teknologi Penempatan Serat yang Disesuaikan (TFP). Serat karbon
layup secara tradisional merupakan proses padat karya yang melibatkan
memotong dan mencetak kain serat karbon dengan tangan ke atas resin
jamur. Hal ini mengakibatkan limbah yang berlebihan, dan tenaga kerja manual
dapat menyebabkan kemacetan dalam produksi.

Gambar 12: Penempatan Serat yang Disesuaikan (TFP)

TFP mencapai kinerja struktural yang optimal dengan menggunakan
mesin untuk mengatur dan menjahit serat karbon menjadi tepat
posisi. Hal ini mengurangi waktu pelapisan sebesar 50% dan bahan
limbah sebesar 80%. Hal ini juga memungkinkan ESE untuk mengoptimalkan desain
melalui penempatan dan orientasi serat yang tepat untuk
mengakomodasi kelengkungan dan jari-jari roda serat karbon.
Hal ini meningkatkan kekuatan dan daya tahan karbon E2
roda serat, memungkinkan mereka untuk mengelola beban dan
menekankan.

E2 juga menggunakan Resin Transfer Molding yang eksklusif
(RTM) dan sistem resin epoksi untuk memproduksi
hub, memberikan kekuatan dan kelelahan pelek roda yang lebih tinggi
resistensi. ESE menggunakan kualitas tertinggi, dengan proses pengeringan tercepat
resin, memberikan kinerja yang tak tertandingi di industri terkemuka
Suhu Tg (transisi kaca) hingga 212°C. Serat-
Rasio kandungan resin terhadap ESE adalah 60%, dengan kekosongan minimal
konten 2%, menjadikannya salah satu yang terbaik di industri ini.
Selain itu, ESE dapat mengisi penuh hub dalam waktu kurang dari 2
menit.

Gambar 13: Pembuatan Roda CFRP menggunakan Proses RTM

Kesimpulan:

Dengan menggunakan roda serat karbon, berat roda adalah
berkurang secara signifikan, memungkinkan mobil sport untuk mencapai keunggulan
kinerja penanganan. Dengan inersia yang lebih rendah, roda serat karbon
meningkatkan respons kemudi dan traksi, menghasilkan lebih cepat
akselerasi dan pengereman.

Selain itu, kecemasan jarak jauh merupakan masalah yang signifikan bagi banyak orang
konsumen potensial ketika mempertimbangkan pembelian sebuah
kendaraan listrik. Sementara jarak tempuh kendaraan listrik
terutama tergantung pada baterai, faktor lain juga memiliki pengaruh
benturan. Roda serat karbon yang ringan dapat sangat mengurangi
konsumsi energi yang disebabkan oleh putaran roda selama
akselerasi atau deselerasi, memaksimalkan jangkauan mengemudi
kendaraan listrik.

 

6 Januari 2024