Lichtgewicht drijft opmars thermoplastische composieten

0

Materiaalinnovatie kan bijdragen aan oplossingen voor de huidige milieu- en klimaatproblematiek. Zo zijn met vezelversterkte kunststoffen (composieten) onderdelen en producten te maken die licht én sterk zijn en dus bijvoorbeeld in (vracht)auto’s voor minder brandstofverbruik en dus minder CO2-emissie zorgen. Thermoplastische composieten lenen zich goed voor productieautomatisering en recycling. Alle reden voor het Fraunhofer Project Center (FPC) om bedrijven in (Oost-)Nederland te ondersteunen bij de productie en verwerking daarvan. Daarvoor combineert het FPC de materiaalexpertise van de Universiteit Twente met de productie-expertise van Fraunhofer IPT.

FPC brengt voor mkb zwaargewichten Fraunhofer IPT en UT in de ring

  • ‘Productie van thermoplastische composieten is goed te automatiseren en recycling is relatief eenvoudig. ‘
  • ‘Nog meer fundamenteel begrip van het materiaal is nodig om het ontwerpproces te kunnen verkorten.
  • ‘Functie-integratie bespaart tijd en kosten bij de uiteindelijke assemblage en verhoogt de ontwerpflexibiliteit.’
  • ‘We hebben complementaire skills. Die combinatie maakt FPC tot een excellent platform om op samen te werken.’
  • Onze uitdaging is de voordelen van thermoplastische composieten voor een breder scala aan toepassingen te benutten.’
  • ‘Wij kunnen complete oplossingen bieden, dat is onze toegevoegde waarde.

‘Onze ambitie is Nederlandse toeleveranciers op het hoge niveau van Duitse suppliers te brengen’

Het Fraunhofer Project Center for Advanced Manufacturing Technologies and Solutions (FPC) in Enschede helpt bedrijven in de maakindustrie bij hun transitie naar advanced manufacturing in de geest van Industrie 4.0. Voor concrete projecten combineert FPC de expertises van de beide founding partners, het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT en de Universiteit Twente (UT). Naast digitalisering van de bedrijfsprocessen in brede zin focust FPC op additive manufacturing, precisie-assemblage en lichtgewicht.

Biba Visnjicki en Muhammad Niazi van FPC: ‘Wij kunnen bedrijven helpen bij fundamentele vragen over het materiaal, maar ook bij de keuze van de juiste technologie voor hun productieproces en de opschaling daarvan.’ Foto: Arjan Reef

Composieten

Lichtgewicht is een belangrijk thema in veel industrieën, zegt Biba Visnjicki, director business development van FPC. ‘De doelen voor reductie van CO2-emissie kunnen niet volledig met de geijkte maatregelen worden gehaald. Dus moeten bedrijven innoveren, onder meer door over te stappen naar nieuwe materialen.’ Gewicht reduceren kan op verschillende manieren, verklaart Muhammad Niazi, projectmanager bij FPC. Bijvoorbeeld door in constructies hoge-sterktestaal of aluminiumlegeringen toe te passen, die met relatief weinig gewicht de gewenste mechanische eigenschappen (sterkte en stijfheid) bieden. Of door in een productontwerp alleen daar materiaal toe te voegen waar dat voor de gewenste eigenschappen, zoals sterkte, nodig is; topologie-optimalisatie heet dat. Vervanging van mechanische door elektronische functies kan ook uitkomst bieden. Kunststoffen, tot slot, zijn een stuk lichter dan metaal. Voor de gewenste mechanische eigenschappen moeten ze worden versterkt met carbon- of glasvezels.

Deze vezelversterkte kunststoffen (composieten) zijn er in twee varianten: thermohardend en thermoplastisch. Van thermohardend composiet worden nu bijvoorbeeld al de bladen van grote windmolens gemaakt. Productie gebeurt echter in een arbeidsintensief proces, waarbij schadelijke vluchtige stoffen kunnen vrijkomen en recycling is lastig. Op beide punten bieden thermoplastische composieten een aantrekkelijk alternatief: productie is wel goed te automatiseren en recycling na gebruik is relatief eenvoudig. ‘Circulariteit wordt steeds belangrijker, dus ook op het punt van recycling zal de regelgeving verder aanscherpen’, licht Visnjicki toe.

Thermoplastische composieten zijn niet voor alle toepassingen geschikt, onder meer omdat ze zacht worden bij hoge temperatuur, tekent Niazi aan. Maar de eerste toepassingen in structuurdelen staan aan de vooravond van commerciële toepassing. Hij noemt als voorbeeld interieurdelen voor auto’s. De potentie is echter veel groter. In de automotive heeft dat alles te maken met de opkomst van elektrisch rijden. De behuizingen voor accu’s kunnen bijvoorbeeld van thermoplastische composieten worden gemaakt, of de drukvaten voor waterstof, als de elektrische auto van de toekomst zijn energie gaat krijgen van brandstofcellen. Voor Nederland zijn ook sectoren als de chemie en de offshore interessant; pijpen en leidingen van dit materiaal zijn goed bestand tegen corrosie en agressieve stoffen. Behuizingen van smartphones en laptops worden er ook al van gemaakt, maar voor deze hoogvolume-consumentenproducten is Azië de werkplaats van de wereld.

Materiaalgedrag?

Willen bedrijven hiermee aan de slag, dan komen ze met fundamentele vragen over het materiaal, weet Niazi. ‘Wat is de levensduur van zulke onderdelen, wat gebeurt er als ze op een bepaalde manier worden belast, hoe sterk zijn ze precies?’ Bedrijven moeten eerst het materiaal zelf beheersen, zegt Visnjicki. ‘Daarvoor zijn theoretische modellen, simulaties en testen nodig. Daarom werken wij samen met professor Remko Akkerman.’ De UT-hoogleraar productietechnologie doet met zijn groep onderzoek naar de eigenschappen van thermoplastische composieten. ‘We ontwikkelen tools die ontwerpers moeten helpen om grip te krijgen op het gedrag van het materiaal. Wat doet het eigenlijk tijdens productie, als het in gesmolten toestand is? Wat betekent het dat het zeer anisotroop is, dat wil zeggen: hoe hangen de eigenschappen van onderdelen af van de oriëntatie van de vezels? Het persen van het materiaal in bepaalde vormen kunnen we al goed simuleren (om vooraf te bepalen hoe het proces moet verlopen, zodat het resultaat de gewenste mechanische eigenschappen heeft, red.), maar de industrie vraagt om meer. Processen zoals het wikkelen van tape of het lassen van thermoplastische onderdelen zijn nog niet plug & play (dat wil zeggen: zonder diepgaande studie vooraf van het materiaalgedag in elk specifiek geval, red.) uit te voeren. Hier is nog meer fundamenteel begrip van het materiaal voor nodig om het ontwerpproces te kunnen verkorten. Veel aandacht is er ook voor het maken van grotere structuren die niet meer in een pers passen en toch in korte cyclustijden moeten worden geproduceerd.’

Productietechnologieën

Voor de productie komt dan Fraunhofer IPT in beeld als een wereldwijd vooraanstaande specialist in productie(-automatisering). ‘Wij leggen ons toe op lichtgewichtproducten en de push daarvoor komt vanuit de Duitse automotive. Op dit gebied zijn we al dertig jaar actief, wat onder meer heeft geresulteerd in spin-offs van nieuwe productietechnologie’, vertelt Henning Janssen, hoofd van de afdeling voor vezelversterkte kunststoffen en lasersysteemtechniek. ‘De materialen en ook de machines zijn al beschikbaar, maar die zijn nog wel duurder dan voor bijvoorbeeld thermohardende materialen, onder meer omdat ze op hogere temperatuur moeten werken. De uitdaging is nu de kosten omlaag te brengen.’ De productie van thermoplastische composieten begint met dunne tape en zogeheten (tailored) blanks, grotere bouwstenen die in standaardvorm of op maat voorgevormd worden geleverd. Complete onderdelen en producten worden uit tape en blanks opgebouwd en vervolgens gevormd. ‘Deze vorm van productie is additief, lijkt wel wat op gieten en is te combineren met 3D-printen.’ Conventionele (metaal)bewerkingen als frezen en boren zijn echter ook mogelijk. Een belangrijk aspect is functie-integratie, vervolgt Janssen. Het is relatief eenvoudig om onderdelen met specifieke functies, ook van een ander materiaal zoals metaal, in een composietproduct te integreren. Dat bespaart tijd en kosten bij de uiteindelijke assemblage en verhoogt de ontwerpflexibiliteit.

Samenwerking

Er is nog wel meer begrip nodig van de verschillende productieprocessen, zoals het vormen. Daarom werkt IPT al vele jaren samen met de UT-onderzoekers, meldt Janssen. ‘Zij zijn experts in het simuleren van wat er gebeurt in een enkele laag materiaal en in het begrijpen van de fysica. Wij ontwikkelen nieuwe processen en bouwen nieuwe machines voor de productie.’ Akkerman beaamt dit: ‘We hebben complementaire skills. Zij zijn goed in het automatiseren van de productie, wij begrijpen goed wat het materiaal doet. Die combinatie maakt FPC tot een excellent platform om op samen te werken.’ Akkermans focus lag tot nu toe vooral op de aerospace; in vliegtuigen is elke kilo aan gewichtsbesparing immers meegenomen. Zo werkt hij in het ThermoPlastic composites Research Center in Enschede onder meer samen met Boeing. Binnen FPC kan hij z’n blikveld nu verruimen. ‘Het geeft ons de mogelijkheid ook in andere domeinen te werken en dat levert ongetwijfeld weer nieuwe onderzoeksvragen op. Onze uitdaging is de voordelen van thermoplastische composieten voor een breder scala aan toepassingen te benutten, elk met hun eigen beperkingen en eisen.’

Voor het mkb

Kansen zijn er genoeg, aldus Akkerman. ‘Nederland heeft al een sterk ecosysteem, met producenten van materialen en onderdelen en spelers die innovatieve concepten voor productietechnologie ontwikkelen.’Een gigant als Boeing heeft zelf zijn netwerk van technologieleveranciers. Bedrijven in andere sectoren, met name mkb’ers, hebben dat niet. Voor hen komt FPC in actie, verklaart Muhammad Niazi. ‘Wij bestrijken de hele keten, van materiaal- en productontwikkeling tot productie, automatisering en recycling. Wij kunnen bedrijven helpen bij fundamentele vragen over het materiaal maar ook bij de keuze van de juiste technologie voor hun productieproces en de opschaling daarvan. We beginnen altijd met een audit, waarbij we naar hun producten en processen kijken, en op basis daarvan doen we suggesties voor de keuze van technologie waarmee ze zich kunnen verbeteren. De meeste vragen tot nu toe gaan over automatisering.’ FPC kan ook nog bijdragen met marktverkenningen, vult Henning Janssen aan. ‘Wij kunnen ook het businessperspectief hanteren: welke markt is veelbelovend, welke technologie is het meest geschikt, welke materialen zijn interessant, waar ligt de fit met de reeds aanwezige kennis, waar in de waardeketen kan men zich het beste positioneren?’

Concurreren met Duitsland

De ambities binnen FPC zijn groot. Janssen: ‘Wij willen bijdragen aan vergroting van het marktaandeel van thermoplastische composieten in de automotive, de offshore en de consumentenproducten. De markt daarvoor wordt volwassen, er is standaardisatie van materialen en processen, de eigenschappen van producten worden consistenter, er zijn meer producenten die weten wat ze doen. Maar zoals altijd bij opkomende productietechnologieën moet de supply chain nog wel verder vorm krijgen.’ FPC-projecten kunnen daaraan bijdragen. ‘De focus ligt meestal op het vinden van de optimale technische oplossing voor een concrete toepassing. Dat kan reiken tot aan prototyping en een turnkey-oplossing voor productie en automatisering die we in samenwerking met industriële partners realiseren. Daar moeten altijd ook de materiaaleigenschappen en het productontwerp bij worden betrokken.’

Niazi: ‘Zo kunnen wij complete oplossingen bieden, dat is onze toegevoegde waarde. Met FPC mikken we niet op een high-performance-markt als de aerospace, maar op hoogvolume-markten als de automotive en de olie & gas. Nederlandse toeleveranciers zijn nu nog terughoudend om voor de automotive te kiezen omdat ze een groot risico zien in het concurreren met de gevestigde tier-1 en tier-2 suppliers uit Europese landen zoals Duitsland. Maar als ze kiezen voor thermoplastische composieten in een opkomende markt als elektrische auto’s, kunnen wij hen helpen om oem’ers te laten zien dat ze producten zoals accubehuizingen en drukvaten kunnen produceren op hetzelfde niveau als die Duitse suppliers. Onze ambitie is Nederlandse toeleveranciers op dat hoge niveau te brengen.’

 

 

 

Foto IPT (Henning Janssen) 3

Henning Janssen toont bij Fraunhofer IPT een demo-opstelling voor het wikkelen van tape van thermoplastisch composiet en een drukvat als voorbeeld van een veelbelovende toepassing. Foto: Pascal Moors

 

FOTO Fraunhofer.jpg

Biba Visnjicki en Muhammad Niazi van FPC: ‘Wij kunnen bedrijven helpen bij fundamentele vragen over het materiaal, maar ook bij de keuze van de juiste technologie voor hun productieproces en de opschaling daarvan.’ Foto: Arjan Reef

 

Share.

Reageer

CAPTCHA Image

Reload Image

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.