Materialen in de motorwereld: lichtmetaal

Afvallen en de overtollige kilo’s kwijtraken! Ook voor motorfietsen gelden vandaag de dag strenge dieetregels. Veel motorfabrikanten maken daarom volop gebruik van de speciale “light-producten”. Materialen als aluminium, magnesium en titanium zijn favoriet om gewicht te besparen. Een kijkje in de keuken van het lichtmetaal. Alhoewel staal in heel wat gevallen amper door een ander materiaal te vervangen is (zie daarvoor het artikel over staal in MotoPlus nr. 15/2006), is de trend in motorland: lichtmetaal. Om in de hogere regionen van gewichtsbesparing door te dringen is dat onontbeerlijk. Maar simpelweg het ene materiaal door het andere vervangen volstaat niet voor gewichtsreductie. Aluminium weegt weliswaar slechts een derde van van staal, maar het heeft ook een lagere zogeheten elasticiteitsmodulus (E-modulus). Eenvoudig gesteld geeft de E-modulus aan hoeveel weerstand een materiaal biedt tegen vervorming, of in gewone mensentaal: aluminium is niet zo sterk als staal en je zult dus meer materiaal moeten gebruiken of andere voluminieuze vormen moeten kiezen om een gelijke totaalsterkte te realiseren. Voor een zeer gedetailleerde omschrijving hiervan is de wetenschappelijke internet-encyclopedie wikepedia nuttig, zie: https://nl.wikipedia.org/wiki/Elasticiteitsmodulus. Aangezien aluminium in vergelijking met staal behoorlijk zacht is (zie grafiek op pagina 44), dienen constructies dus sterker ontworpen te worden. Dit kan door simpelweg een grotere wanddikte, maar dat is niet de juiste weg, want daarmee wordt het gewichtsvoordeel weer teniet gedaan. Een voorbeeld hiervan is het relatief zware en toch weinig stabiele frame van de allereerste Suzuki GSX-R750 dat in 1984 werd geïntroduceerd. Daarbij was het staal in feite 1 op 1 door aluminium vervangen en bleef de layout van het dubbele wiegframe in grote lijnen onveranderd. Dat bleke dus niet de manier om een stalen frame te vervangen door een aluminium exemplaar. Beter bleek een geheel ander ontwerp, waarbij een zeer dunwandig en uiterst volumineus profiel werd gebruikt, zoals Yamaha dat in 1987 voor het eerst deed met het revolutionaire Deltabox frame. Daarmee bereikte men bij gelijke stijfheid een daadwerkelijk gewichtsvoordeel. Ingenieur Erik Buell, de man achter de gelijknamige motorfietsen, benut deze constructiewijze weer op een geheel eigenzinnig wijze: zijn extreem volumineuze en twaalf kilo wegende aluminium brugframe is meteen de benzinetank, terwijl de grote holle achtervork diens doet als olietank, volgens het devies: waarom zo’n grote holle ruimte onbenut laten? Zelfs tamelijk zwaarbelaste en dragende delen kunnen uit aluminium vervaardigd worden, vooropgezet dat hoogwaardige legeringen zoals de in de wandelgangen als vliegtuigaluminium bekende soorten 7020 en de harde 7035 met hun karakteristieke zink- en mangaanaandeel ingezet worden. Daarnaast is aluminium zeer corrosiebestendig. Anders dan onbehandeld ijzer vormt zich aan het oppervlak bij aluminium een ondoorlaatbare oxidehuid van slechts 0,001 mikrometer dikte, waardoor het onderliggende materiaal dus niet meer kan reageren met zuurstof en dus niet meer kan oxideren, zoals dat bij ijzer wél door blijft gaan totdat het vervalt tot roestbrokken en poeder. Om het zachte materiaal tegen te beschermen tegen krassen en beschadigingen zijn wel diverse oppervlaktebehandelingen mogelijk, zoals het eloxeren in een galvanisch bad. Nog lichter, maar wel zwakker, is magnesium. Met een uiterst geringe soortelijke massa van amper 1,8 kilo per liter weegt het ongeveer éénderde minder dan aluminium en is het het lichtste metaal in motorfietsbouw. Belangrijkste inzetgebied: diverse motordeksels en wielen. Bij vele sportmachines zijn magnesium carterdeksels reeds gemeengoed. Toch is de bewerking van magnesium een heikel proces. De spanen die tijdens frezen en draaien ontstaan zijn zeer licht ontvlambaar en kunnen voor een mooi edoch ongewild vuurwerk zorgen. Bovendien is magnesium aan enorme verouderingsprocessen onderhevig. Onbehandeld vervalt het vaste materiaal door het contact met zuurstof binnen enkele maanden tot het witte poeder magnesia. Gewichtheffers en turners waarderen het, constructeurs niet. Oorspronkelijk beschermde men magnesium delen middels bichromatiseren tegen het rappe verval. Deze galvanische behandeling zorgt voor het typische, wat matte goudkleurig oppervlak. Hierdoor is de foutieve indruk ontstaan dat deze wat doffe goudkleur de natuurlijke kleur is van dit eigenlijk matgrijze en weinig fraai uitziende metaal. Heden ten dage worden magnesium onderdelen vrijwel standaard gelakt, bij voorkeur in goudkleur. Magnesium staat bijzonder hoog aangeschreven in de motorsport: bij het voorwiel van een supersportmachine wordt door middel van een magnesium wiel al 1,5 kilogram bespaard ten opzichte van een aluminium exemplaar. Hierdoor wordt het totaalgewicht van de motorfiets gereduceerd (voor een verbeterde acceleratie), het onafgeveerd gewicht verlaagd (beter wegcontact en dus meer tractie) en het gyroscopisch moment neemt af waardoor de benodigde instuurkracht lager zal zijn, met name op hoge snelheden. Een keerzijde van magnesium wielen is evenwel dat fabrikanten als PVM aanbevelen cq. voorschrijven om deze wielen elk jaar te vervangen. Magnesium wielen hebben namelijk geen “oneindige” levensduur zoals de standaard aluminium wielen van straatmotoren dat wel hebben. En geloof ons: die verouderde magnesium wielen scheuren na verloop van tijd echt. Met name de overgang van spaak naar velg is erg kritisch. Er blijft echter een steevaste vraag naar magnesium wielen en PVM is nu bezig met de ontwikkeling van een gesmeed magnesium wiel, gemaakt van een nieuwe legering en mét een straatgoedkeuring. Maar ook zo’n wiel is niet onbeperkt houdbaar: de levensduur is dan vier jaar. Let dus even op de productiedatum als je via Speurders.nl of Marktplaats een setje sexy wielen voor je Duc koopt… Titanium heeft een wezenlijk langere levensduur. Bovendien corrodeert het nauwelijks, bezit zeer goede thermische eigenschappen en een hoge treksterkte. Het weegt 40% minder dan staal en de hoge E-modulus maakt het geschikt voor vele onderdelen die niet van aluminium of magnesium zijn te maken. Eigenlijk is het een wondermetaal voor de motorfietsindustrie op een klein puntje na: de prijs. De accessoirehandel heeft heel wat titanium onderdelen in haar programma, waaronder titanium bouten en moeren. De klanten zijn vaak sportrijders die hun machine op een streng dieet willen zetten, maar ook special-bouwers of eigenaren van kostbare Italiaanse machines die hun raspaardje tot in het laatste detail willen verfijnen. Begrijpelijk, want degene die ruim 25.000 euro heeft gespendeerd aan een motorfiets waarvan de standaard groenige gechromateerde bouten na drie druppels regen roesten, gunt zich liever een set titanium bouten. Zo’n actie zal de motorfiets ongeveer een kilo en zijn eigenaar al snel 1500 euro lichter maken. Alleen de conische achterasmoer van een MV Agusta staat al voor 340 euro te boek! De hoofdreden van deze hoge prijzen is de forse prijs van de grondstof. De prijs van ruw titanium is danzij de florerende vliegtuigindustrie de pan uit gerezen. In 1995 kostte een kilo titanium nog ongeveer 50 ouderwetse guldens, ruim 22 euro, vandaag de dag is dat richting 100 euro per kilo. Ook de uitlaatfabrikanten weten alles van een stijgende vraag naar titanium. Naast professionals kiezen steeds meer sportrijders voor titanium uitlaten. Een compleet titanium systeem levert ten opzichte van een stalen systeem een gewichtsvoordeel van 4 kilogram op, maar hierbij dient de kanttekening gemaakt te worden dat tegenwoordig steeds meer sportfietsen al standaard zijn uitgerust met titanium uitlaatbochten en dempers. Ook worden steeds vaker standaard al in- en uitlaatkleppen van het uiterst licht en temperatuurbestendige titanium gemonteerd, bijvoorbeeld bij de nieuwste 600’s. Dit laatste niet zozeer om het totale gewicht te verlagen, maar wel om de de hoge toerentallen probleemloos te kunnen halen. Er zijn dus voldoende argumenten die voor aluminium, magnesium en titanium spreken. Eens te meer aangezien de grondstoffen ruimschoots aanwezig zijn op onze aarde. Titanium zou zelfs uit zeewater te winnen zijn en aluminium is het op drie na meest voorkomende element in de aardkorst. Het is een product van het naar de Franse vindplaats Le Baux genoemde bauxiet en alleen al Australië, Jamaica of west Afrika herbergen toereikende voorraden voor de komende decennia. Het probleem is het delven en produceren van deze lichtmetalen: zuiver aluminium wordt middels een elektrolytisch proces geproduceerd en dat kost ongeveer 18 maal zo veel energie als de staalproductie. Noorwegen is wegens zijn gunstige stroomwinning uit waterkrachtcentrales derhalve ’s werelds grootste aluminiumproducent, maar aangezien energieprijzen in de toekomst eerder zullen stijgen dan dalen wordt ook aluminium alleen maar duurder. En zelfs de recycling benodigd een extreem hoge energiehoeveelheid en biedt dus geen geweldig alternatief. Toekomstpotentieel hebben lichtmetalen beslist, ondanks dat de bewerking van deze materialen gecompliceerd en duur is. Aluminium, magnesium en titanium applicaties lijden bij motorfietsontwerpen vaak schipbreuk enkel en alleen door de kosten-baten-calculatie van de fabrikant, ongeacht hun betere materiaaleigenschappen. De fabrikanten werken permanent samen met universiteiten, onderzoekcentra als TNO en aanbieders van de producten als Corus, aan methoden en technieken om de inzet van lichtmetalen kostengunstiger te maken. Zo zien we al steeds meer aluminium frames terug die bestaan uit twee of meerdere gietdelen, die vervolgens aan elkaar worden gelast. Dit vinden we onder meer terug bij de Suzuki SV650 en Yamaha Fazer 600 en toont aan dat zelfs in de middenklasse, waar het budget een grote rol speelt, staal in toenemende mate wordt vervangen door lichtmetaal. En in de toekomst is het zelfs niet ondenkbaar dat materialen uit keramiek, kunststoffen en composiet-materialen de huidige metalen voor sommige toepassingen wel kunnen gaan vervangen. De trendsetters in de MotoGP gebruiken ook al steeds meer carbon. Maar dat is een heel ander verhaal. En dat verhaal verschijnt binnenkort in Motoplus. [[kasten Buell motorrad MRD-seite 62]] Lichtmetaal in de motorfiets Sportief tegengewicht voor het gebruikelijke heavy metall van Harley-Davidson: contructeur Erik Buell bereikt voor zijn XB-modellen middels toepassing van lichtmetalen extreme gewichtsbesparingen. 1. Motorblok: carter, zuigers, cilinder, koppelingshuis (gietaluminium), oliekoeler (aluminium legering, gelakt) 2. Wielen: velgen en spaken (gietaluminium, gelakt), wielassen (hoogwaardige aluminiumlegering) 3. Remsysteem: remklauw (aluminiumlegering) 4. Voorvork: buitenpoten (geëxtrudeerde aluminium buizen met oppervlaktebehandeling en kroonplaten (gietaluminium met oppervlaktebehandeling) 5. Schokdemper: demperhuis (aluminiumlegering met coating) 6. Rem- en koppelingsarmaturen: gietaluminium, gelakt 7. Kuipsteunen: gelakt gietaluminium. Bij XB-R zelfs uit gelakt gietmagnesium. 8. Voetsteunen: gietaluminium 9. Frame: profielen uit gietaluminium, gelakt. Frame heeft dubbelfunctie als brandstoftank. 10. Subframe: gietaluminium, gelakt 11. Achterbrug: gelakt gietaluminium. Fungeert tevens als olietank. 12. Eindoverbrenging: achtertandwiel uit deels gelakt gietaluminium. [bildunterschrift bei MV Agusta] Helemaal goud: wielen, achterbrug, chassisplaten en onderste kroonplaat. Bij de Serie Oro verfraaide MV Agusta de elegante, straatlegale Supersporter F4 750S met ultralichte magnesiumdelen als kers op de cake. Meerprijs: een kleine 10.000 euro. Wie mooi wil zijn… [[bei kasten MRD-seite 63]] Titanium: karakteristiek voor dit materiaal is de blauwe verkleuring wanneer het verhit wordt; typisch voor titanium uitlaatsystemen. Rechts: Titanium bouten zijn schandalig duur, maar hebben een zeer grote treksterkte en vergaande corrosiebestendigheid. Ze kunnen ook in diverse kleuren geanodiseerd worden. Aluminium: De Suzuki SV1000 bezit een aluminium frame wat is samengesteld uit gietdelen met open hoofdprofielen. Dat bespaart gewicht en productiekosten en is vanwege de vakwerk-achtige constructie (en met dank aan de “ribben”) zeer torsiestijf. Onder: geëloxeerde (ofte wel geanodiseerde) aluminium delen brengen kleur in het spel en hebben bovendien een harder oppervlak wat de levensduur ten goede komt. Het zijn de sieraden van moderne motoren. Magnesium: Lichter is bijna onmogelijk – een magnesium voorwiel zoals dit vijfspaaks gesmede PVM wiel weegt compleet net over de twee kilogram. Kost wel 1000 euro en moet na één of uiterlijk twee jaar afgedankt worden. For Racing Purposes Only! [Tabelle MRD-seite 64:] Hoe verhouden de eigenschappen van lichtmetalen zich tot staal?* Dichtheid in gram/cm³ Elasticiteitsmodulus** in N/mm² Treksterkte in N/mm² * Gemiddelde waarden welke gelden voor de in de motorfietswereld veel toegepaste legeringen: magnesium ZW3, aluminium 7020, titanium Ti6Al4V, staal 25CrMo4. ** Hoe hoger de waarde, hoe stijver het materiaal [[kasten alu schweissen]] ALUMINIUM LASSEN: EEN KUNST Het veel gebruikte aluminium is lekker licht, maar ook erg moeilijk te lassen. Zeker in vergelijking met staal, dat eigenlijk door iedereen met een beetje oefening gelast kan worden, vraagt aluminium een heel bijzondere behandeling. Reden van het moeilijke lassen licht hem vooral in de corrosiebestendige oxidatiehuid. Het smeltpunt van deze huis ligt bij 2000° Celcius, terwijl aluminium zelf al bij 660° C smelt. Met een speciaal lasapparaat voorzien van een Wolfram-elektrode wordt met een wisselstroomfrequentie een vonk getrokken van wel 3000° C, die de oxidatiehuid doorbreekt. De vlamboog laat het materiaal smelten, wat bij aluminium ook nog heel erg slecht zichtbaar is en dus veel ervaring van de lasser vraagt. Anders smelt het materiaal ter plekke totaal weg. Met een lasdraad die exact is afgestemd op het te lassen materiaal wordt er extra materiaal in de vlamboog, op de te verbinden naad, gebracht. Aan de randen koelt dit vloeibare materiaal af en door een constante beweging te maken ontstaat op die manier een mooie “lasrups”. Om te voorkomen dat het vloeibare metaal tijdens het lassen kan reageren met de zuurstof uit de lucht, wordt rond de elektrode een beschermgas (doorgaans Argon) op de las geblazen. Dit gas vormt als het ware een kegel rond het vloeibare metaal en voorkomt dat zuurstof kan binnendringen. Dat zuurstof zou zorgen voor verontreinigingen in de las, waardoor de lasnaad erg zwak zou worden. Een geoefende lasser kan een vrijwel perfecte lasrups creëren, waarbij die rups mooi overgaat in de twee delen die hij met elkaar verbind. Het lassen is bijna een chirurgische ingreep, dat vraagt om een uiterst vaste hand. Bij serieproductie wordt dit heikele karweitje steeds vaker overgenomen door lasrobots. [[bildunterschrift, nur bei die 2 schweissnahte]] Functioneel, maar niet mooi:de gesmeerde lasnaad. Rechts zie je hoe mooi een aluminium lasnaad zijn kan met een mooie gelijkmatige rups en goede overloop naar het basismateriaal. Vakwerk!