Shaping our world with smart materials

Uitgelicht: lichte materialen

De transportwereld snakt naar lichte materialen

De grootste aanjager in de zoektocht naar nieuwe structurele materialen en materiaalproductietechnieken is de transportwereld, zegt prof.dr.ir. Remko Akkerman, hoogleraar in de productietechnologie en Wetenschappelijk Directeur van het Thermoplastic Composites Research Centre (TPRC.nl). Met een team van 40 man werkt Akkerman in het TPRC aan een materiaalsoort die een steeds grotere rol krijgt in de industrie: composieten. ‘Een composiet is een samenstelling van verschillende materialen met als doel de beste eigenschappen bij elkaar te voegen,’ legt Akkerman uit. ‘De vroegere bakstenen van modder en stro zijn er een voorbeeld van. Tegenwoordig denken we bij composieten vooral aan vezelversterkte kunststoffen. Koolstof- of carbonvezels worden veel gebruikt, omdat ze licht, sterk en hitte- en chemisch resistent zijn. In combinatie met kunststof leveren ze een stevig, vormvast en licht materiaal op.’  

De Boeing 787 Dreamliner, een primeur

Geen wonder dus dat vliegtuigbouwers steeds vaker metalen als aluminium verruilen voor composieten. In de nieuwste generatie Boeing- en Airbustoestellen is het aandeel composieten al ruim 50%, volgens Akkerman. ‘Op dit moment werken we bij het TPRC vooral aan kleinere vliegtuigonderdelen. Daar is al veel winst te halen. Maar de impact op brandstofverbruik en ecologische voetafdruk wordt natuurlijk veel groter als je complete romp- of vleugeldelen van composieten kunt maken. Bij militaire vliegtuigen gebeurt dat al meer. Onder passagiersvliegtuigen is de huidige Boeing 787 Dreamliner een van de eerste die gebouwd zijn met grote onderdelen van composieten.’

Van thermohardend naar thermoplastisch

De meeste composieten die nu al worden toegepast zijn thermohardende composieten. De volgende stap is industriële toepassing van thermoplastische composieten. Die zijn na verhitting makkelijker vervormbaar en bovendien beter te recyclen. Akkerman: ‘Thermohardende materialen kun je vergelijken met biscuit: als je die eenmaal gevormd en verhit hebt moet je ze gebruiken zoals ze zijn. Thermoplasten zijn veelzijdiger. Je kunt ze herverwarmen en herverwerken, of voorgevormde delen aan elkaar lassen. Bovendien gaat het opwarmen en afkoelen zeer snel, wat belangrijk is voor massaproductie. Voor spelers als Boeing en Airbus zijn dit zeer interessante materialen. Naast de vlucht die thermohardende composieten al nemen, zien we nu een explosieve groei in de toepassing van thermoplasten. Ook voor de energiesector zijn deze materialen heel interessant, denk bijvoorbeeld aan windturbines. Of voor de automotive industrie, zeker als je bedenkt dat auto’s steeds meer op accu’s gaan rijden: met lichtere materialen compenseer je voor die zware accu’s.’

Voor elk onderdeel een ander materiaal

Wereldwijd zijn talloze onderzoekers en bedrijven bezig met de ontwikkeling van composietmaterialen. Daar horen ook hernieuwbare varianten bij, zoals biocomposieten, die kunststoffen bevatten gemaakt van bijvoorbeeld plantvezels en niet van aardolie. ‘De opmars van composieten kun je vergelijken met de doorbraak van kunststoffen in de jaren ’20 en ’30,’ zegt Akkerman. ‘Die namen toen een enorme vlucht, vooral in consumentenproducten. Dat hing onder meer samen met de ongeëvenaarde productiesnelheden die ermee te halen waren. Met de nieuwe materialen van vandaag gaan we ook naar een hoger niveau. De fase van geïsoleerde oplossinkjes, point solutions, hebben we gehad; we werken nu aan generieke ontwerpmethoden en geoptimaliseerde constructie, waarbij je je materiaalkeuze voor elk afzonderlijk onderdeel afstemt op de specifieke vereisten die bij dat ene onderdeel horen. Het is niet te zeggen waar dat zal ophouden.’

TPRC, ‘het perfecte platform’

Akkerman benadrukt de cruciale rol van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek in de ontwikkeling van nieuwe materialen. ‘Vliegtuig- en auto-onderdelen moeten aan de hoogste veiligheids- en productie-eisen voldoen. Om dat te kunnen waarborgen moeten we het materiaalgedrag tijdens productie nog beter leren begrijpen en voorspellen. Daardoor zal de productiesnelheid, de toepasbaarheid en de betrouwbaarheid van thermoplasten toenemen. Het TPRC is daarvoor het perfecte platform, omdat het niet alleen wetenschappers maar de gehele waardeketen bij elkaar brengt: materiaalleveranciers, softwarespecialisten, machinebouwers, Original Equipment Manufacturers – iedereen doet een duit in het zakje, waardoor de missing link die we zoeken voor iedere nieuwe stap altijd op tafel komt. Bij mijn weten is het TPRC het enige instituut ter wereld dat op dit niveau met thermoplastische composieten werkt.’

Prof.dr.ir.R. Akkerman
prof.dr.ir. R. Akkerman (Remko)
Hoogleraar Productietechnologie Universiteit Twente | Wetenschappelijk Directeur Thermoplastic Composites Research Centre (TPRC), Enschede | Aandachtsgebieden: composieten, thermoplastics, fibers, productietechnologie

‘Ik ben in de jaren ’90 op de thermoplastische composieten ingesprongen, omdat ik ze als een zeer kansrijk materiaal van de toekomst zag. Een van de leuke kanten van het werken met composieten is dat je ze kunt vastpakken. Het is een zeer grijpbaar vakgebied – en toch van een complexiteit die je verbaast. Keer op keer stuit je op verrassende fenomenen die je nieuwsgierigheid wekken en vragen oproepen: Hoe komt dit? Hoe werkt dit? Kunnen we dit voorspellen? En het leuke van onderzoek is: achteraf is alles simpel. Bij elke ontdekking denk je: waarom hebben we dat niet veel eerder gezien?’