Fiber reinforced plastics are composite materials that offer a lower weight, while still mechanically perform at least as good as conventional materials such as steel. This makes them attractive for the automotive industry since the implementation of them in e.g. a car frame would enable the manufacturers to sell a more fuel efficient vehicle to the customer. The manufacturing of composites is however more energy intense than for steel and the recycling capabilities are limited. This encourages the car designer to regard the product from a macro-perspective, spanning from the extraction of the resources needed to produce the material, to the phase where the product which the material constitutes is disposed. By analyzing such a macro-perspective, the life cycle energy of a product system can be estimated. Since the life cycle energy is correlated to the component design, an optimization problem can be established where the objective function to be minimized is the total life cycle energy. The component design can be expressed in terms of optimization design variables, yielding that the minimum energy is achieved by the optimal design. This methodology is called life cycle energy optimization (LCEO). The aim of this thesis is to apply this method and present a comparison between different materials and recycling strategies for a load carrying frame component provided by Volvo Cars. The materials studied are carbon fiber reinforced plastics (CFRP), glass fiber sheet moulding compound (GF-SMC) and conventional steel. A Python model consisting of five life cycle phases where each phase was described by a function was implemented. Each function uses the component geometry and material properties as an input and gives the energy of the phase as an output. By summing the outputted energies, the life cycle energy is obtained. The distribution of the results is visualized with bar plots. The results show that the least energy demanding option is to manufacture the component in GF-SMC and process the end-of-life product mechanically. If the fiber degradation is taken into account, the most efficient strategy is to manufacture the component in CFRP and recycle it using solvolysis. This thesis shows that the LCEO methodology can be used as a tool for designers to include the recyclability in an early phase of the product development. Future challenges concern the development of industrial recycling of fiber reinforced plastics where the fiber degradation is minimized. / Fiberförstärkta polymerplaster är kompositmaterial som erbjuder en lägre vikt än konventionella material som stål, samtidigt som de bibehåller den mekaniska prestandan. Detta gör dem intressanta för fordonsindustrin då nyttjandet av dem skulle möjliggöra tillverkare att sälja bränsleeffektivare bilar. Tillverkningen av sådana kompositer är dock mer energikrävande än den för stål och deras återvinningsmöjligheter är begränsade. Detta skapar för fordonsformgivaren ett incitament att beakta produkten i ett makroperspektiv som sträcker sig från utvinningen av naturresurserna för att skapa materialet, till slutskedet av produktens avsedda användning. Genom att bestämma hur den ackumulerade energin är fördelad i ett sådant makroperspektiv kan den total livscykelenergin beräknas. Eftersom livscykelenergin är kopplad till komponentens formgivning, kan ett optimeringsproblem med livscykelenergin som målfunktion att minimeras ställas upp. Komponentens formgivning kan uttryckas som optimeringsproblemets designvariabler. Den design som ger den lägsta livscykelenergin blir därmed den optimala formgivningen. Denna metod kallas livscykelenergioptimering (LCEO). Målet med detta examensarbete är att tillämpa denna metod på en lastbärande bilkomponent tillhandahållen av Volvo Cars och genomföra en jämförelseanalys mellan olika material samt återvinningsstrategier. Materialen som undersöks är kolfiberförstärkt härdplastkompist (CFRP), sheet moulding compound med glasfiber (GF-SMC) och konventionellt stål. Den Pythonimplementerade modellen består av fem livscykelfaser där varje fas uttrycks om en funktion med komponentgeomterin samt materialegenskaperna som indata och ger energiåtgången för fasen som utdata. Genom att summera energierna erhålls livscykelenergin och genom att presentera resultaten i ett stapeldiagram kan livscykelenergidistributionen visualiseras. Resultaten visar att det minst energikrävande alternativet är att tillverka komponenten i GF-SMC och återvinna produkten genom mekanisk bearbetning. Om hänsyn tas till fiberslitage blir den optimala lösningen att tillverka komponenten i CFRP och återvinna den genom solvolys. Detta arbete visar att LCEO- metoden, i ett tidigt skede, kan användas som ett verktyg av formgivare för att inkludera hur väl en produkt kan återvinnas. Framtida utmaningar består av att utveckla återvinningen av fiberförstärkta härdplaster industriellt, så att fiberslitaget minimeras.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-285759 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Jonsson, Robert |
| Publisher | KTH, Lättkonstruktioner |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-SCI-GRU ; 2020:228 |
Page generated in 0.0024 seconds