Het naadje van de vezelversterkte thermoplastische composiet

Het ThermoPlastic composite Research Center (TPRC) is een open innovatie R&Dcentrum op het gebied van thermoplastische composieten. Een groeiende groep onderzoekers werkt aan het nauwgezet in kaart brengen van de (proces)eigenschappen van deze innovatieve materialen.

Remko Akkerman met een vezelversterkte thermoplastische composiet: “Als je er iets mee wilt, moet je er iets van snappen!”

Eén grote speeltuin”, zo karakteriseert Remko Akkerman zijn onderzoeksafdeling aan de faculteit ‘Construerende Technische Wetenschappen’ van de TU Twente. Vanuit de leerstoel ‘Productietechniek’ richt de hoogleraar zich op productie en toepasbaarheid van vezelversterkte thermoplastische composieten. Overal in zijn werkkamer liggen modellen, die hij er herhaaldelijk bijpakt om zijn enthousiaste verhaal over de unieke eigenschappen van deze materialen duidelijk te maken: een keiharde composiet die aan de ene kant heel star is, en de andere kant op zo kan worden gebogen of een groot model dat verrassend weinig weegt. Combinatie van het lage soortelijke gewicht en de enorme stevigheid maken deze innovatieve materialen geschikt voor tal van toepassingen. Echter de hoge prijs maakt dat ze vooralsnog alleen toepassing vinden in high-tech omgevingen en de vliegtuigindustrie, waar de voordelen zwaarder wegen dan de investering. “De Boeing 787 bijvoorbeeld bestaat al voor meer dan de helft in gewicht uit composietmaterialen. Je ziet bij dit vliegtuig ook opvallend grote ramen; iets wat je met een aluminium romp nooit kunt realiseren. Aluminium is vermoeiingsgevoelig. Composietmaterialen hebben daar praktisch geen last van. Bij de ramen, dus aan de rand van de plaat, is de spanningsconcentratie ook nog eens drie keer zo hoog als over de hele plaat. Hoe groter het gat, des te hoger de spanningsconcentratie, dus kan je zo uitrekenen dat de ramen bij de composieten een stuk groter mogen zijn.”

TPRC

Boeing is één van de partners in het twee jaar geleden opgerichte TPRC, samen met Ten Cate (producent van thermische composieten), componentbouwer Fokker en kennisinstituut TU Twente. “Met OEM-er Boeing erbij hebben we zo de hele waardeketen onder één dak. Door deze open innovatie structuur kunnen we samen stappen zetten, veel sneller en efficiënter dan je ooit als eenling kunt bereiken”, zegt Remko Akkerman. Akkerman heeft als technisch directeur samen met zakelijk Herink de leiding over het TPRC, dat op dit moment plaats biedt aan zeven mensen, vooral onderzoekers. Dat aantal zal fors groeien, niet in de laatste plaats vanwege de nieuwbouw die onlangs is afgerond, op een steenworp afstand van het faculteitsgebouw op de campus. “Ook verwachten we binnenkort nog enkele nieuwe partners binnen het TPRC te verwelkomen, waardoor het budget, nu zo’n € 8 miljoen, verder zal groeien.”

Anders engineeren en produceren

De uitdagingen waar het TPRC voor staat zijn enorm. “Simpel gezegd, als je iets met de composieten wilt, moet je er iets van snappen. Sterker: je moet het goed in de vingers hebben! We zijn bezig om een database te vullen met standaarden voor het mechanisch gedrag van de materialen. Wat gebeurt er bij trekken, bij buigen? Hoe verloopt het persen, hoe kan je ze het beste verbinden? En wat is de invloed van temperatuur? Je moet je voorstellen dat een ontwerper die met een metaal aan de slag wilt in zijn engineeringsoftware automatisch de beschikking heeft over al die gegevens. Bij de vezelversterkte thermoplasten ligt dat anders: eigenlijk moet je elke variabele experimenteel bepalen; er is gewoon nog te weinig bekend over het gedrag van deze materialen.” Een stap verder is de produceerbaarheid van deze materialen. “Productie is nu nog een arbeidsintensief proces, met lange tussenstappen voor drogen en uitharden. Dat is niet alleen duur, maar gaat je ook opbreken als er werkelijk grote vraag naar deze producten gaat ontstaan. Je ziet dat al bij de composieten die worden gebruikt in de rotoren van windmolens. De groei van windenergie is zo groot dat je over enkele jaren met de huidige productietechnieken de vraag niet meer kan bijbenen. Door het inzichtelijk maken van de materiaaleigenschappen begrijpen we wat er precies gebeurt en kunnen we verbeteringen aanbrengen in de procesvoering”, aldus Akkerman.

Hoeveel vezels?

Bert Vos bij de zuurkast met daarin de door Beun-De Ronde geleverde CEM Star System 2 microwave digester voor het oplossen van de solventresistente kunststoffen.

Tal van mechanische analyses, veelal met ingenieuze, zelf ontworpen testopstellingen, geven inzicht in het mechanisch gedrag, de performance en de mechanische kwaliteit. De microstructuur kan uitstekend worden bekeken met microscopische technieken en röntgenanalyse. Bepaling van het precieze aantal vezels in het materiaal vergde echter een robuuste voorbewerking van het monster. “Het is het gemakkelijkste om de dichtheid van het product te meten; je weet hoeveel vezel- en uitgangsmateriaal er in zit, en dan kan je dat zo terugrekenen. Maar als er luchtbelletjes inzitten, is dat zeer onnauwkeurig, want die tellen natuurlijk wel mee in de dichtheid. We hebben derhalve voor een andere benadering gekozen: het verwijderen van het kunststof, zodat je alleen de vezels overhoudt”, vertelt Remko Akkerman.

Chemische power

Bert Vos, technician bij ‘Productietechniek’, legt uit wat er allemaal bij kwam kijken om deze methode te ontwikkelen. “Ook hier is de basis simpel: je weegt eerst het product, vervolgens verwijder je het kunststof en weeg je de vezels. Bij glasvezels kan dat prima; die kan je zo tot 700 °C opstoken. Maar dat kan niet bij onze koolstofvezels; die ben je dan ook kwijt. Extra probleem is dat de kunststoffen die we gebruiken voor de vezelversterkte composieten, bijvoorbeeld PPS en PEEK, juist zo goed kunnen worden toegepast omdat ze een hele goede solventresistentie hebben. Mooi voor de toepassing, maar niet zo mooi voor de onderzoeker! Alleen zwavelzuur bij hoge temperaturen bleek te voldoen, maar dat kan je niet zomaar doen in de zuurkast. Uiteindelijk zijn we uitgekomen bij de CEM Star System 2 microwave digester, een open magnetronbuis, waarin diverse zuren of combinaties daarvan nauwkeurig kunnen worden gedoseerd. Open, omdat het volume behoorlijk toeneemt zodra de oplossing wordt verwarmd tot temperaturen waarbij de kunststoffen er afgaan. De procedure is eenvoudig. We nemen een klein sample van het product en leggen dat in de kwartsbuis. Daar voegen we zwavelzuur aan toe en verwarmen dit. Na een half uur is het kunststof opgelost. Oxideren met waterstofperoxide maakt de oplossing helder. Door filtratie scheiden we de oplossing van de vezels, die we vervolgens nauwkeurig kunnen wegen. Een prima chemische oplossing in een mechanische omgeving!”

Beun-De-Ronde
www.beunderonde.nl

TPRC
www.tprc.nl

LabVison editie 15 - december 2011