Przez lata felgi traktowano raczej jako temat stylistyczny i marketingowy niż strategiczny element klimatycznej układanki, ale to zaczyna się zmieniać. Niemieccy inżynierowie twierdzą dziś, że potrafią odlać felgę w 0,05 sekundy, używając wyłącznie aluminium z recyklingu, a przy tym o połowę ograniczyć zużycie energii i nawet o jedną czwartą zmniejszyć zapotrzebowanie na surowiec. Najważniejsze jest to, że już teraz BMW i Mercedes-Benz przygotowują się do wprowadzenia tej technologii do produkcji seryjnej. Innymi słowy, choć nie tak dawno Niemcy wynaleźli koło na nowo, to tym razem dostaliśmy przykład rewolucji rynku felg w wykonaniu nie specjalistów z uniwersytetów, a największych graczy na rynku.
Dlaczego felgi nagle mają znaczenie w bilansie dwutlenku węgla?
Aluminium jest lekkie, sztywne i nieskończenie nadaje się do recyklingu, dlatego marki premium od lat wykorzystują je do produkcji felg. Cena za te zalety jest jednak wysoka, bo wytwarzanie pierwotnego aluminium jest ekstremalnie energochłonne. Elektroliza i odlewanie odciskają wyraźny ślad w emisjach zakresu 3 producentów aut, jeszcze zanim samochód wyjedzie z fabryki. Firma BMW szacuje, że same felgi odpowiadają za około 5 procent emisji CO2 w jej łańcuchu dostaw, biorąc pod uwagę fakt, że co roku kupuje mniej więcej 10 milionów lekkich felg aluminiowych, z czego 95 procent odlewanych jest z aluminium.
Czytaj też: Pompy ciepła nowej generacji wkraczają na rynek europejski. Panasonic zaskakuje rozwiązaniami
Ten udział robi się jeszcze bardziej kłopotliwy, gdy auta stają się cięższe. Duże SUV-y i samochody elektryczne wymuszają większe średnice kół i wyższe obciążenia, a klienci oczekują coraz bardziej wymyślnych wzorów. W tym samym czasie Europa boleśnie przekonała się, ile naprawdę kosztuje prąd. Ceny energii elektrycznej dla małych i średnich odbiorców przemysłowych w Unii w 2024 roku oscylowały w okolicach 0,19 euro za kilowatogodzinę, a więc znacznie powyżej historycznych poziomów. W takim scenariuszu proces, który zużycie energii na felgę tnie o połowę, staje się surowym problemem kosztów operacyjnych.
Turbu Pressure Casting – co ten proces produkcji felg aluminiowych naprawdę zmienia?
Technologia stojąca w centrum tej zmiany nazywa się Turbu Pressure Casting. Opracowała ją niemiecka firma inżynieryjno-rozwojowa Entec-Stracon, wyspecjalizowana w lekkich konstrukcjach i procesach odlewniczych, przy wsparciu Niemieckiej Federalnej Fundacji Środowiska (DBU). Na pierwszy rzut oka to po prostu kolejna odmiana odlewania ciśnieniowego, ale tym razem to detale mają znaczenie, bo w grę wchodzi spadek zapotrzebowania na energię z około 114 do ledwie 57 kWh.
Klasyczne odlewanie niskociśnieniowe działa “od dołu”, co oznacza tyle, że ciekłe aluminium jest wtłaczane do formy od środka i powoli wznosi się ku górze, wypełniając wnękę pod wpływem grawitacji i umiarkowanego ciśnienia. Metal spędza w formie stosunkowo dużo czasu, temperatura jest wysoka, a przepływ daleki od idealnie spokojnego. Taka kombinacja sprzyja powstawaniu porów, większych ziaren w strukturze krystalicznej i stosunkowo grubym minimalnym ściankom. Po ostygnięciu felgę trzeba dodatkowo intensywnie obrabiać skrawaniem, a usunięty materiał zamienia się w złom niższej jakości.
Czytaj też: Europa siedzi na kopalni ciepła i pozwala mu uciekać. Projekt iWAYS naprawia ten kosztowny błąd
Turbu Pressure Casting odwraca kilka z tych założeń. Zamiast wypełniać formę od środka, metal jest wstrzykiwany do niej z boku pod wysokim ciśnieniem i z precyzyjnie kontrolowaną prędkością. Według danych Entec-Stracon pełne wypełnienie formy zajmuje około 0,05 sekundy i to przy znacznie niższej temperaturze samej formy niż w klasycznym odlewaniu niskociśnieniowym. Połączenie krótkiego czasu wypełniania, chłodniejszej formy i kontrolowanego przepływu ogranicza turbulencje, tłumi powstawanie kieszeni gazowych i prowadzi do znacznie drobniejszej struktury ziaren po krystalizacji stopu. W języku inżynierii materiałowej oznacza to wyższą wytrzymałość i lepszą plastyczność przy tej samej chemii stopu.
Wedle zapewnień projektanci felg mogą nawet zacząć stosować cieńsze przekroje i mniejsze promienie niż w przypadku odlewania niskociśnieniowego. W materiałach technicznych pojawiają się wartości minimalnych grubości rzędu około 3 milimetrów, a lokalnie nawet bliżej 1 milimetra, podczas gdy typowe bezpieczne minimum dla standardowej felgi odlewanej niskociśnieniowo to raczej 6-8 milimetrów. Stanowi to fundament dla deklarowanych oszczędności masy i zużycia surowca.
100 procent aluminium z recyklingu. Na co tak naprawdę godzą się BMW i Mercedes?
Drugim nośnym hasłem wokół Turbu Pressure Casting jest możliwość pracy na wsadzie składającym się w 100 procent z aluminium wtórnego i to bez żadnych kompromisów w zakresie własności mechanicznych. W praktyce oznacza to, że stop tworzą wyłącznie stopy wtórne, a więc zarówno wewnętrzny złom procesowy z układu wlewowego i przelewów, jak i zewnętrzne strumienie recyklingu, czyli na przykład zużyte felgi i inne odlewy motoryzacyjne, choć oczywiście odpowiednio sortowane i kontrolowane pod kątem składu chemicznego. Nadmiar materiału generowany przez sam proces pochodzi głównie z układu doprowadzenia metalu i przelewów, a na dodatek ma na tyle wysoką jakość, że może natychmiast wrócić do kolejnego cyklu odlewania.
To dobrze wpisuje się w szerszy ruch branży. BMW już wcześniej zobowiązało się do stosowania felg odlewanych z aluminium przy użyciu w 100 procentach energii elektrycznej z odnawialnych źródeł we wszystkich modelach BMW i MINI od 2024 roku, szacując, że sama ta zmiana może zmniejszyć emisje w łańcuchu dostaw związane z felgami o ponad połowę, czyli potencjalnie do 500 tysięcy ton dwutlenku węglarocznie. Osobno dostawca felg RONAL Group rozpoczął produkcję felg z 100 procent aluminium wtórnego dla MINI Cooper SE Convertible, łącząc 40 procent złomu poprodukcyjnego z 60 procentami złomu poużytkowego, aby osiągnąć pełną zawartość recyklingu.
Wejście felg odlewanych metodą Turbu Pressure Casting do BMW i Mercedesa leży więc na przecięciu trzech trendów: przechodzenia na zieloną energię w procesach energochłonnych, zwiększania udziału aluminium z recyklingu oraz dążenia do redukcji masy przy coraz cięższych pojazdach, a to zwłaszcza elektrycznych. Obietnica nowej metody brzmi więc prosto – można mieć wszystkie trzy elementy naraz, bez rezygnowania z dowolności stylistycznej i trwałości. Ba, nawet projektanci będą mogli szaleć bardziej, bo ten proces niczego nie ogranicza, a nawet zachęca do aktualnie kosztownych eksperymentów.
Jak to się ma do istniejących technologii wytwarzania felg?
Odlewanie nie jest jedyną drogą do produkcji felg. W autach sportowych i części modeli z górnej półki stosuje się felgi kute lub walcowane przepływowo, a więc powstające zupełnie inną metodą i oferujące bardzo wysoki stosunek wytrzymałości do masy. Kucie w szczególności zagęszcza strukturę materiału poprzez odkształcenie plastyczne, co zapewnia wybitną odporność zmęczeniową, ale kosztem złożonego oprzyrządowania i zwykle wyższej ceny jednostkowej. Trzeba więc powiedzieć wprost – Turbu Pressure Casting nie aspiruje do zastąpienia kucia, ale chce wywrócić do góry nogami segment odlewanych felg niskociśnieniowych i grawitacyjnych, które wciąż dominują w masowej produkcji.
Czytaj też: Platyno-bizmut prowadzi prąd bez strat tylko na powierzchni. Fizycy nie mogą uwierzyć w to, co odkryli
Na tym etapie większość twardych danych o Turbu Pressure Casting pochodzi od samego twórcy procesu i pierwszych partnerów projektowych. Niezależne, wieloletnie dane z eksploatacji dotyczące trwałości felg, odporności na korozję i zachowania przy realnym użytkowaniu nie są jeszcze powszechnie dostępne. Producenci aut z definicji podchodzą bardzo ostrożnie do wszystkiego, co dotyka wirujących elementów krytycznych dla bezpieczeństwa, i słusznie, bo pękające od zmęczenia felgi to nie jest miejsce na lekką eksperymentację. Pozostaje też kwestia zmian na liniach produkcyjnych, więc innymi słowy, ciekawie będzie obserwować, co w tym segmencie przyniesie przyszłość.