Afstudeerder gezocht

Gezocht, TU afstudeerder om de mogelijkheid van bistabiel composiet te onderzoeken en vervolgens meteen in de praktijk toe te passen. Het gaat om een slim alternatief voor een dekzeil en misschien nog veel meer.... Theoretisch én  praktisch onderzoek zodat je na je afstuderen een zichtbaar visitekaartje hebt van je resultaat.

Zie ook: klassiek voorbeeld van een bistabiel membraan.
Student of toekomstige gebruiker, heb je interesse? Laat het me weten.

Groot gewikkeld

Het project Groot Composiet gaat over grote composiet producten en open innovatie in de composiet sector (zie waarom deze blog). Een van de deelnemers aan het project denkt over het maken van grote gewikkelde composiet producten (voorlopig tot 5 meter diameter) en enkele dagen geleden ben ik met deze ondernemer op bezoek geweest bij een Franse machinebouwer voor grote buizen. Deze machinebouwer maakt ook gerobotiseerde productie lijnen voor een flinke variatie aan composiet producten waaronder bubbelbaden. Om dit moois te zien moesten we wel even tot voorbij Parijs gaan.

Robot programmeren

Te beginnen bij de robots. De "teach in" robot programmeer methode wordt nog veel gebruikt, bijvoorbeeld voor het spuiten (gel-coaten) van een mal. Hiervoor had het bedrijf een lichtgewicht robot met mooie carbon armen. Een vakkundige spuiter doet het een keer voor door in-line de robot bij het handje te nemen en alle bewegingen te maken. Vervolgens kan die beweging tot in het oneindige door de robot in de productielijn worden herhaald. Simpel en effectief.

De robot programmeer methode waar de laatste maanden aan gewerkt werd maakt gebruik van een 3D model van het voorwerp en de werkruimte. Vervolgens moet er off-line heel wat gesimuleerd worden om tot een handige manier te komen om bijvoorbeeld een gelcoat aan te brengen of een randje netjes af te frezen. De robot kan wel vaststellen dat het in botsing dreigt te komen met het werkstuk maar kan niet vanzelf een optimale strategie vinden om dit en andere typische robot problemen te voorkomen.

Tenslotte is er nog de wens om een randje glad te schuren. Bijvoorbeeld door met een laser te scannen waar het uitstekende randje zit en dit randje dan met een schuurschijf weg te werken, net zo lang tot het glad is. Hier ligt een hele uitdaging. "Teach in" schuren, voelen, kijken en weer schuren gaat niet. Blindelings het 3D model aflopen is ook geen alternatief. Hier lijkt er een lege plek te zitten tussen in-line en off-line robot programmeren. Wat mist is gebruik maken van robot intelligentie. Juist voor composieten met al het bijkomende poets- en schuurwerk zou dit een oplossing moeten zijn. Ik zal het melden wanneer ik een lichtpuntje aan het einde van deze tunnel heb bespeurd.
Soms is een inzicht al een begin van de oplossing.

Bruggen Ahoy

Gisteren de Infratech bezocht in Ahoy Rotterdam. Traditioneel beton en staal voor civiele werken. Grote werken die wellicht in composiet zouden kunnen. Voor mij een redelijk onbekend terrein om te verkennen.
Wat ben ik zoal tegengekomen?

Een groot sloopbedrijf. Slopen gebeurt met een omgebouwde graafmachine die met een auxillary stick wat verder en hoger kan reiken om dan met een schaar een gebouw in brokjes van boven naar beneden af te knabbelen. Ik had altijd al aan een sloper willen vragen of er werkelijk een voordeel is als het verst uitstekende arm de helft lichter zou worden. Is het dan mogelijk om een grotere schaar te gebruiken en zo sneller te kunnen werken? Interessant gesprek, maar volgens de aanwezige specialist zou 40% of 1000 kg gewichtsbesparing weinig uitmaken. Misschien zit er een winst in het brandstofverbruik... ik weet zeker dat op goedkopere manieren meer brandstofbesparing te bereiken valt. De opgave om een zware sloop machine lichter te maken, moet ik voorlopig laten rusten.
Overgewicht blijft overigens wel een probleem om ergens in een oude binnenstad te mogen werken. Ook hier kun je het probleem ergens anders aanpakken door bijvoorbeeld het apparaat in onderdelen daarnaartoe te vervoeren. 

Minder opvallend in het dagelijks leven doch erg aanwezig waren leidingen en riool. Deze lijken al helemaal te zijn overgenomen door plastic of glasvezelversterkte varianten. Geen betonnen buis op de beurs te vinden. Of is dit een vertekend beeld? Worden op de beurs alleen de innovaties getoond en bestaat toch het gros van de nieuw te plaatsen rioolbuizen nog uit beton?

Interessant.
Op de beurs stonden maar liefst 3 aanbieders van bruggen (FiberCore, Bijl en Lightweight Structures), alle 3 van composiet. Is het afgelopen met betonnen bruggen en worden die alleen maar gesloopt (sloopmachines en puinverwerkers waren wel aanwezig op de beurs)? Is dit wederom een vertekend beeld? Dergelijke bruggen tot wel 80 meter overspanning worden in composiet ontworpen met stijfheid als belangrijkste ontwerp criterium. Ze zijn dus altijd wel sterk genoeg. Natuurlijk zijn composiet bruggen onderhoudsarm en lichter zodat de fundering aan beide zijden ook weer lichter kan. Een bezoeker vroeg aan FiberCore of er een risico was van wegwaaien als de brug zo licht is... Daar had FiberCore, denk ik, nog niet over nagedacht. Maar als de brug is weggewaaid, wil FiberCore de brug een eindje verderop weer oprapen en terugleggen. En dan wat extra schroeven gebruiken natuurlijk. Zou de trend van lichter construeren het zo ver brengen?

Ketelformule

Allereerst iedereen een gezond, succesvol en plezierig 2011 toegewenst.
Voor eenieder die in de composieten werkzaam is, moet dat, wat betreft succes en plezier, lukken. Kansen genoeg om mooie, betere en duurzame producten te maken.

Een voorbeeld van zo'n kans wil ik hier aanhalen. Sinds het eind van de 18e eeuw wordt er gewerkt met stoommachines en gerekend met de zogenaamde ketelformule (zie http://nl.wikipedia.org/wiki/Drukvat). Deze formule wordt gebruikt om de spanning te berekenen in een cilinder die onder druk staat. Met de formule kan worden berekend welke druk een LPG-tank in een auto aan kan, of tot welke diepte een onderzeeër kan afdalen en wellicht welke bloeddruk je aorta en andere bloedvaten kunnen verdragen.
De formule is als volgt:
De spanning in radiale richting (de kracht in de rondte van het vat) = druk*straal/wanddikte
De spanning in lengterichting (de kracht in de lengte van het vat) = druk*straal/(2*wanddikte)

Wat valt op aan de formules?

1. De spanning (radiaal en in lengterichting) neemt evenredig toe met de straal van het vat. Als de straal 2 keer zo groot wordt, moet de wanddikte ook 2 keer zo groot zijn om dezelfde druk te kunnen weerstaan. Maar ook de omtrek wordt 2 keer zo groot. Dus met 4 keer zoveel materiaal kan het volume ook 4 keer zo groot geworden. Grappig is dat het dus niet uit maakt wat materiaalkosten betreft of het vat 4 keer langer wordt gemaakt of 2 keer in diameter toeneemt. Het maakt cijferlijk niet uit of het volume uit de lengte of de breedte komt of dat gewoon 2 vaten worden gebruikt.
2. De spanning in de lengterichting is maar de helft van de spanning in radiale richting. Een stalen vat dat in lengte en radiale richting even dik is zal bij overbelasting dus scheuren over de lengte en niet in de rondte. Als je aan staal denkt voor een vat dimensioneer je eenvoudig op de grootste kracht. In composiet kan dat stukken beter.

Waar bamboe, zie composiet-in-de-natuur, de grootste krachten en dus de vezels in de lengte richting heeft zou een drukvat van composiet de meeste vezels in radiale richting hebben. Volgens de ketelformule 2 keer zoveel in radiale windingen als lengtewindingen. Ten opzichte van een stalen vat is dat een materiaal besparing van 25%. Bovendien zijn vezels veel lichter en ook nog sterker dan staal wat ook nog eens een flinke gewichtsbesparing geeft. Een tank van bijvoorbeeld een tankauto, een tankcontainer of een gastank in de auto kan dus heel veel lichter worden gemaakt. Volgens het Delftse bedrijf www.Low8.com geeft dat voor een LPG tank een gewichtsbesparing van 80%!
Hoe minder gewicht een zwaar wegend argument kan worden...

Composiet in de natuur

Deze week van Jan Willem (GBT, techniek voor windmolenbladen) een mooi voorbeeld gehoord uit de natuur dat duidelijk maakt waarom composiet zo licht en zo sterk kan zijn.
De meeste materialen hebben eigenschappen die in alle richtingen gelijk zijn. Bij een blokje plastic, aluminium, steen, staal, glas enzovoort maakt het niet uit hoe je er aan trekt. In alle richtingen is het even sterk. Met composiet is dat anders.

Het mooie voorbeeld van composiet in de natuur is een boom. In een boom lopen de houtnerven precies zo dat deze het beste de krachten kunnen opvangen. In de richting waar veel minder kracht wordt gevraagd, dwars op de lengte, lopen geen nerven en is het hout ook veel minder sterk.

Op deze manier worden ook producten in composiet ontworpen, alleen vezel daar waar nodig voor de krachten en vooral in de richting die nodig is Dat scheelt gewicht. Een bamboe stam gaat nog iets verder met gewichtsbesparing dan een boom. Bamboe (zoals iedereen wel weet) is hol van binnen. Alleen materiaal waar het ertoe doet, en alleen sterkte in de richting die ertoe doet.

Het bedrijf Leospar gaat nog een stapje verder. Het combineert het holle ontwerp van bamboe met het beste hout (licht, sterk en duurzaam) tot een geavanceerde lichtgewicht mast. Een mast voor klassieke schepen die heel lang meegaat, en/of een mast voor iemand die met z'n schip wedstrijden wil winnen. De natuur was ons voor met bamboe, maar deze holle mast vind ik daarop weer een innovatie.

Groot Composiet componeren

Wat is nu Groot Composiet?
Met Composiet kun je mooie, slim ontworpen dingen maken; dus mag je verwachten dat je met Groot Composiet dat in de overtreffende trap kunt!
Composiet kennen we al heel lang, van carbon frame voor een mountainbike (dit is mijn fiets) tot polyester zeilboten. Composiet is per definitie een samengesteld materiaal. Misschien kun je het wel een gecomponeerd materiaal noemen; denk aan vezels (hennep, glas, carbon) in de richting van de voornaamste krachten en een of ander hars om het geheel bij elkaar te houden. Binnen deze definitie is een enorme variatie aan materialen mogelijk. Elk van de materialen in de samenstelling wordt dan (als men het goed doet) op zijn beste eigenschappen ingezet.
Groot Composiet, tegenover gewoon composiet, heeft technisch een aantal speciale uitdagingen. Bijvoorbeeld in een grote, zwaar belaste constructie moet soms een dikke laag vezels komen om de grote belasting op te vangen. Om alle vezels goed met elkaar te verlijmen, moet er een dik pakket van vezels in één keer vullen met hars. Dit moet natuurlijk zonder luchtbellen gebeuren en bovendien wordt een dik pakket warm bij het uitharden (exotherme reaktie). Het geheel mag dan niet te heet worden en bij afkoelen krimpt de hars vaak wat meer dan de andere materialen in de compositie, zoals de vezels. De vezels die gestrekt in hun lengterichting op trek worden belast, zouden dan net een beetje in elkaar gedrukt worden (wat niet de bedoeling is). Het is nog een hele kunst om dit proces tot een grote perfectie te beheersen. Vaak worden constructies  overgedimensioneerd om een veiligheidsmarge in te bouwen. Hoe beter de processen worden beheerst, hoe minder "onnodige" overdimensionering (dus grondstoffen, milieu en kosten besparing). Als we dat kunnen, wordt Nederland daar beter, schoner en hopelijk mooier van. Daarvoor is het project Groot Composiet met een groep partnerbedrijven opgezet.

Door in Noord-Holland (en ook een beetje daarbuiten) als groep composiet bedrijven samen te werken en kennis te ontwikkelen, proberen we grote composiet producten goed in de vingers te krijgen. Daarmee wordt ook voor grote objecten een esthetische en duurzamere oplossing geboden dan met aluminium, staal en beton.
Zie bijvoorbeeld de geplande aanbouw van het Stedelijk Museum.
Hiermee is niet gezegd dat we bij Groot Composiet streven naar systematische vervanging van aluminium, staal en beton. Het mooie van composiet is dat als op een bepaalde plek in de constructie aluminium, staal of beton de beste eigenschappen heeft, dan kan dat er mooi in "gecomponeerd" worden.

Voor de liefhebber, een voorbeeld van beste eigenschappen benutten:
Carbon (en ook glasvezel) kent geen vermoeiingsverschijnselen zoals staal of aluminium. Dit wil zeggen dat het na een hoeveelheid keren heen en weer buigen breekt. Wat levert dat voor constructievoordelen op? Denk bijvoorbeeld aan het draaipunt van de achtervering van een carbon fiets dat niet een normaal (pen-gat) scharnier hoeft te zijn. Het draaipunt van de achtervering van mijn fiets is gewoon de carbon achtervork. Dus geen apart scharnier dat speling kan krijgen, last van slip-stick heeft, minder stijf is, of toch voor de stijfheid zwaar is uitgevoerd.

PS. Op de duurzaamheid van composiet kom ik in een van de volgende blogs terug.