F1 en innovaties op het gebied van koolstof

Voor Formule 1-fans is McLaren een begrip, al decennialang een steunpilaar van het kampioenschap. Velen herinneren zich nog de moeilijkheden die het team in 2015 ondervond na de hernieuwde samenwerking met zijn oude partner Honda, maar weinigen weten dat McLaren begin jaren tachtig een revolutie teweegbracht in deze sport.

Op zondag 12 april 1981 behaalde Nelson Piquet op het circuit van Buenos Aires de overwinning die hem uiteindelijk tot kampioen zou kronen, maar er vond ook een andere, meer discrete gebeurtenis plaats: de Marlboro-McLaren MP4/1 maakte zijn debuut in de race als eerste monocoque van koolstofvezel.

Het seizoen 1981 begon met controverse. De FISA weigerde de Lotus 88 met zijn innovatieve concept van een dubbel chassis goed te keuren, terwijl de Brabham BT49C furore maakte met een hydropneumatische ophanging die de regel van een minimale hoogte van 6 cm omzeilde, waardoor het grondeffect maximaal werd benut en de auto aan de baan bleef kleven. Het Brabham-team stond destijds onder leiding van Bernie Ecclestone. De koolstofvezeloplossing van McLaren werd al snel gekopieerd door alle teams in de Formule 1. Om te begrijpen waarom, volstaat het om een blik te werpen op de evolutie van de chassis. De eerste auto's waren gebaseerd op stalen ladderchassis die op de huidige straatauto's belachelijk zouden overkomen. Halverwege de jaren vijftig stapten de constructeurs over op gelaste stalen buizenchassis, waarna aluminiumlegeringen geleidelijk de norm werden. Aanvankelijk waren dit eenvoudige aluminiumplaten die aan het chassis werden vastgeschroefd, maar begin jaren tachtig werden ze vervangen door sandwichpanelen: een honingraatkern tussen twee dunne aluminiumlagen. Deze panelen waren licht en stijf, maar vlak, moeilijk te buigen en onmogelijk te lassen. Ze werden daarom meestal gelijmd en vastgeklonken met behulp van aluminium steunen. Toen McLaren in april 1981 koolstofvezelbekleding introduceerde, maakte de flexibiliteit van dit materiaal het mogelijk om het hele chassis in één enkele, echt monocoque structuur te gieten. Een composietmateriaal bestaat uit twee delen: een versterkende vezel en een matrix die de vezels met elkaar verbindt en de belastingen verdeelt. De bekendste vezels zijn glas, aramide (Kevlar) en koolstof; er zijn ook andere, zoals Zylon, basalt, keramiek of zelfs plantaardige vezels, hoewel deze laatste nooit hun plaats hebben gevonden in de composieten die in de autosport worden gebruikt. Koolstofvezel zelf is afgeleid van PAN (polyacrylonitril), een polymeer dat in de textielwereld ook bekend staat als Dralon. Het proces bestaat uit drie stappen: oxidatie bij ongeveer 250 °C, carbonisatie in een zuurstofvrije atmosfeer bij 1000-1500 °C en ten slotte grafitisering bij meer dan 2000 °C. Door de temperatuur en de verblijftijd aan te passen, kunnen fabrikanten de stijfheid en treksterkte van de vezel aanpassen. De verkregen filamenten worden gebundeld in strengen van 1000, 3000 of 12.000 filamenten, die vervolgens worden geweven of in lagen worden gelegd om weefsels te vormen.

De matrix is meestal een synthetische hars (polyester, epoxy, fenol of acryl), hoewel ook metalen matrices (bijvoorbeeld met boorvezels versterkt aluminium) en keramische matrices zijn getest, waarbij deze laatste nu verboden zijn in de F1. Composieten met een koolstofmatrix worden nog steeds gebruikt voor remschijven en remblokken. Harsen zijn over het algemeen tweecomponentensystemen die uitharden wanneer ze worden gemengd, onder invloed van warmte of ultraviolette straling. In de Formule 1 is epoxy het meest gebruikte materiaal, omdat het een uitstekende mechanische sterkte biedt; fenolhars wordt alleen gebruikt voor onderdelen die temperaturen van meer dan 150 °C moeten weerstaan. Koolstof-epoxycomposieten worden geproduceerd door middel van “contactgieten”: lagen koolstofweefsel die met vloeibare hars zijn geïmpregneerd, worden in een voorbehandelde mal geplaatst en vervolgens uitgehard – hetzij bij kamertemperatuur gedurende een dag, hetzij in een oven in minder dan een uur. Deze eenvoudige methode vereist minimale apparatuur en kan in een bescheiden werkplaats worden toegepast. Er bestaat ook een techniek die ‘vacuümgieten' wordt genoemd. Het basisprincipe is vergelijkbaar met dat van contactgieten, maar nadat de laatste laag weefsel is aangebracht, worden een lossingsfolie en een drainagemateriaal toegevoegd en wordt het geheel verzegeld in een plastic zak waaruit de lucht met behulp van een pomp wordt verwijderd. Het vacuüm in de zak, in combinatie met de atmosferische druk, zorgt voor een gelijkmatige druk op het hele stuk, waardoor de koolstoflagen beter worden verdicht en er minder hars nodig is om een hoogwaardig composietmateriaal te verkrijgen. De benodigde apparatuur is minimaal, maar het proces is moeilijker te beheersen dan bij contactgieten. Infusie werkt volgens een heel ander principe. Lagen droog weefsel worden in de mal gelegd, in dezelfde zak gewikkeld als bij zakvorming, en de lucht binnenin wordt met behulp van een pomp verwijderd. De vloeibare hars zit in een reservoir dat via een of meer slangen, geregeld door kleppen, met de zak is verbonden. Wanneer de kleppen worden geopend, zuigt het vacuüm de hars in de zak, waar het het weefsel impregneert. Hoewel deze methode complex en moeilijk uit te voeren is, heeft zij de voorkeur voor grote onderdelen zoals windmolenbladen.

Bij de “prepreg”-methode zijn de weefsels al verzadigd met een zeer viskeuze hars en worden ze bevroren opgeslagen. Eenmaal uit de vriezer begint de hars heel langzaam uit te harden, waardoor het materiaal een consistentie krijgt die lijkt op een dunne laag leer die gemakkelijk kan worden gesneden. De lagen weefsel worden vervolgens in de vereiste volgorde en richting gelegd, in dezelfde zak geplaatst en uitgehard in een autoclaaf. De hoge druk in de autoclaaf compenseert de viscositeit van de hars, waardoor een goede verdichting wordt gegarandeerd. Deze techniek wordt gebruikt in de Formule 1 en de lucht- en ruimtevaart, omdat ze in hoge mate reproduceerbaar is. Paradoxaal genoeg vereist deze techniek de minste handvaardigheid, maar blijft ze het duurst. Minder gangbare processen zijn onder meer filamentwikkeling voor buizen of gasflessen en spuitgieten.

Koolstof/koolstofcomposieten Wanneer zowel de versterking als de matrix uit koolstof bestaan, ontstaat een koolstof/koolstofcomposiet. In de Formule 1 wordt dit materiaal voornamelijk gebruikt voor remschijven. De koolstofvezels worden driedimensionaal gebreid of geweven om de uiteindelijke vorm te benaderen en vervolgens geïmpregneerd met pek (een residu van de destillatie van aardolie, vergelijkbaar met bitumen). Het onderdeel ondergaat dezelfde reeks transformaties als PAN-koolstof, inclusief carbonisatie bij ongeveer 1250 °C in een inerte stikstofatmosfeer. Nadat de oppervlaktekorst is verwijderd, wordt de impregneer-carbonisatiecyclus herhaald totdat de gewenste homogeniteit is bereikt. Het onderdeel wordt vervolgens geïmpregneerd met vloeibaar silicium om de slijtvastheid te versterken en vervolgens gegrafitiseerd bij temperaturen van meer dan 2000 °C. Na afkoeling wordt het bewerkt om de uiteindelijke afmetingen te verkrijgen. Het sandwichconcept Als we het over composietmaterialen hebben, denken we onvermijdelijk aan het sandwichprincipe: een lichte, niet-samendrukbare kern wordt tussen twee composietlagen geplaatst. In de Formule 1 is de meest voorkomende kern de Nomex-honingraat (met fenolhars geïmpregneerd papier), die sinds de jaren 1980 samen met de aluminium honingraat wordt gebruikt. Een minder bekende kern, die wordt gebruikt in de vloer van de Chevrolet Corvette, is balsahout. Ja, hout kan deel uitmaken van een hightechconstructie. Aangezien de stijfheid toeneemt met het kwadraat van de dikte, leidt een verdrievoudiging van de dikte tot een 27-voudige toename van de stijfheid, waardoor het extra gewicht van de kern verwaarloosbaar is in vergelijking met de winst aan stijfheid.

Koolstofvezel en zijn voordelen Naast zijn lage dichtheid biedt koolstofvezel een uitstekende trek- en druksterkte en een hoge stijfheid. Een onderdeel van koolstofvezel kan vier keer zo stijf zijn als een onderdeel van een aluminiumlegering of tien keer zo stijf als een onderdeel van staal met hetzelfde gewicht. Dankzij het composietontwerp kunnen ingenieurs de vezels rechtstreeks afstemmen op de belastingen waaraan een onderdeel zal worden blootgesteld, door het type vezel, het weefsel en de oriëntatie te kiezen om de prestaties te optimaliseren. Deze op maat gemaakte aanpak voorkomt materiaalverspilling, in tegenstelling tot metalen die, met uitzondering van processen zoals smeden, in alle richtingen dezelfde sterkte bieden. Ontwikkelingen Het scala aan matrices en versterkingen dat in composieten wordt gebruikt, is in de loop der jaren weinig veranderd, maar recente ontwikkelingen hebben tal van nieuwe toepassingen voor deze materialen mogelijk gemaakt.

Een van de gebieden waarop vooruitgang is geboekt, is de productie: dankzij de vooruitgang op het gebied van rapid prototyping en gereedschapsbouw kan nu in slechts drie dagen een geheel nieuw composietonderdeel worden vervaardigd, inclusief mallen. Bovendien stelt een hele reeks 3D-printtechnologieën fabrikanten in staat om rechtstreeks met grafietpoeder of lange koolstofvezels te werken zonder gebruik te maken van een traditionele mal.

Tegelijkertijd omvat dit gebied extremen, van koolstofnanobuisjes van slechts enkele microns tot massieve vezels met brede vleugels die de motorkappen van de huidige eenzitters sieren. Neem bijvoorbeeld de Marlboro-McLaren MP4/1. In 1981 waren alle auto's in het kampioenschap nog uitgerust met een carrosserie op hun chassis. De MP4/1, aangedreven door een Ford Cosworth V8-motor van 3 liter, vormde daarop geen uitzondering, maar zijn revolutionaire koolstofvezelkuip was gegoten rond een mannelijke mal in de vorm van een stempel. De kale kuip, te zien op de foto hieronder, vertoonde oppervlaktefouten waardoor hij in dit stadium ongeschikt was voor de carrosserie. Het zou nog enkele jaren duren en de volledige integratie van schokdempers en andere ophangingsonderdelen voordat de carrosserie ook als buitenbekleding van de auto kon dienen. De geschiedenis leert ons dat John Watson zich op zaterdag 11 april 1981 als elfde kwalificeerde, ver voor zijn teamgenoot Andrea de Cesaris, die nog steeds het oude chassis gebruikte. De volgende dag moest Watson halverwege de race opgeven vanwege hevige trillingen. Toch won hij op 18 juli van datzelfde jaar de Grand Prix van Groot-Brittannië op Silverstone, waarmee het begin van de dominantie van koolstofvezel in de Formule 1 werd ingeluid. Inhoud geschreven door Patrice Véronel, verspreid door FranceF1.