Onder invloed van de hogere energieprijzen, de energietransitie en de toenemende grondstofschaarste winnen vezelversterkte kunststoffen in verschillende industrieën aan populariteit. Dankzij hun samenstelling zijn ze lichter en sterker. Maar ook kwetsbaarder voor bijvoorbeeld stootbelasting. Reden voor ingenieurs- en adviesbureau TCPM om zich te specialiseren in deze hoogwaardige materialen en constructies, en opdrachtgevers te ondersteunen bij complexe berekeningen, keuzes in ontwerp, productietechnologie en bij inspectie.
‘Door verschillende vezelrichtingen te combineren en te variëren in de hoeveelheid materiaal per richting, heb je meer controle en invloed op de eigenschappen en spreiding van het materiaal’, zegt Marco Nawijn. Foto’s: TCPM
Materiaalanalyses TCPM helpen opdrachtgevers hun producten te optimaliseren
Superjachten, vliegtuigrompen, windturbinebladen, high-performance sportartikelen zoals fietsen, helmen en schoenen, protheses, Formule 1- en elektrische auto’s, kabels – zo maar een aantal producten waarvoor de toepassing van vezelversterkte kunststoffen sterk in opkomst is. De kracht van deze hoogwaardige materialen is te danken aan het gebruik van vezels die in verschillende richtingen kunnen worden geplaatst en bijeen worden gehouden met hars.
‘Door verschillende vezelrichtingen te combineren en te variëren in de hoeveelheid materiaal per richting, heb je meer controle en invloed op de eigenschappen en spreiding van het materiaal. Een typische laagdikte is 0,3 millimeter, als je dan totaal 3 millimeter hebt, is er heel wat ruimte voor tailoring’, verklaart Marco Nawijn, business developer hoogwaardige materialen en constructies bij TCPM. Dit ingenieurs- en adviesbureau, gespecialiseerd in engineering, projectmanagement en industriële veiligheid, telt circa tweehonderd medewerkers over vijf kantoren door heel Nederland.
Wisselende scores
Kijkend naar de stijfheid en sterkte in verhouding tot de dichtheid van het materiaal (de zogenoemde specifieke stijfheid en sterkte), scoren vezelversterkte kunststoffen significant beter dan bijvoorbeeld staal en aluminium. ‘De stootbelasting is echter een stuk minder. Daarom worden ze in de bouw of de agrarische industrie, waar het niet ongebruikelijk is om iets met een hamer pas te maken, nog niet veel gebruikt. En in sommige gevallen is staal gewoon ook de beste keuze’, zegt Theo de Gruiter, competentie center leider analyse & simulatie bij TCPM. ‘Daar komt bij dat vezelversterkte kunststoffen zich nog minder goed lenen voor de productie van grote series. Dan is er te weinig tijd om de aanwezige hars te laten uitharden.’ Daardoor worden vezelversterkte kunststoffen momenteel bijvoorbeeld al wel ingezet bij Formule 1-auto’s, maar nog niet voor de VW Golf. ‘Als er elke tien minuten een deurframe van de band moet rollen, is dat nog een uitdaging. Wel lopen er onderzoeken naar harsen die sneller uitharden’, weet Nawijn.
Gecompliceerdere berekening
Hoewel opdrachtgevers doorgaans hun eigen product goed kennen, beschikken ze niet altijd over de kennis en ervaring van eindige-elementenanalyse, laat staan de analyse van hoogwaardige materialen en constructies. ‘De excellentie van de materialen heeft inderdaad als keerzijde dat het rekenen eraan gecompliceerder is. Terwijl dergelijke analyses wel helpen een product verder te optimaliseren of te achterhalen waarom het kapot gaat’, schetst De Gruiter. ‘Ook bij de overweging om aluminium onderdelen te vervangen door vezelversterkte kunststoffen, kunnen wij een inschatting maken hoe dik of sterk iets moet zijn en welke kosten daarmee gepaard gaan. Tevens kunnen we adviseren over de meest geschikte productiemethode.’
Link magazine april 2023, Thema: Parijs halen: De energietransitie. Vraag een exemplaar op bij de uitgever van Link magazine: uitgever@linkmagazine.nl
Goedkoper en lichter
Dat vezelversterkte kunststoffen sterk in opkomst zijn, is vooral te danken aan het feit dat hiermee producten lichter kunnen worden gemaakt. ‘Neem de toepassing van een composiet onderdeel in een machine die heel nauwkeurig elektronicacomponenten moest assembleren. Door 30 procent massa eruit te halen, ging de productiesnelheid ongeveer anderhalf keer omhoog’, vertelt Nawijn. ‘Met name de combinatie van exotische materialen met 3D-printtechnologie schept nieuwe mogelijkheden. Zo zouden bijvoorbeeld de verbindingen tussen romp en landingsgestel bij een vliegtuig, die nu nog van massief aluminium of titanium gemaakt zijn, een stuk lichter kunnen worden.’
Nog een mogelijke toepassing betreft elektrische auto’s: als die lichter worden, vergroot dit hun actieradius – nu nog vaak een pijnpunt. ‘Maar ook voor mechanische componenten met een botstructuur is een toekomst weggelegd dankzij de nieuwe productietechnologie van 3D-printen in metaal. Denk aan lichtgewicht protheses. Dat is echter voor opdrachtgevers qua reken- en ontwerpmethodiek nog best een uitdaging’, aldus Nawijn.
Economisch aantrekkelijk
Andere specifieke eigenschappen van vezelversterkte kunststoffen maken de toepassing ervan interessant voor onder meer de medische, de wind- en de offshore-industrie. ‘Het is niet magnetisch, röntgenstralen gaan er makkelijk doorheen, het is chemisch resistent en het roest niet’, somt Nawijn op. En in een immer kostengedreven omgeving worden vezelversterkte kunststoffen onder invloed van de huidige maatschappelijke ontwikkelingen bovendien economisch aantrekkelijker.
