Nieuwe composieten met grotere impactweerstand en geautomatiseerd productieproces

Een onderzoek van het Nederlandse Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaborartorium (NLR) samen met TU Delft onder leiding van Martin Nagelsmit, levert een nieuw composiet ontwikkeld dat beter bestand is tegen impact dan de vorige af. De weerstand tegen impact is zeer belangrijk bij vliegtuigconstructies. Composieten zijn al een hele tijd een populair materiaal bij de bouwers van vliegtuigen want het is relatief sterk ten opzichte van het laag soortelijk gewicht. Dus composiet materialen maken de vliegtuigen dus eigenlijk lichter waardoor ze minder brandstof verbruiken en dus verder kunnen vliegen en/of meer passagiers of andere lading meenemen. Ook zorgt dit voor een minder grote CO2 uitstoot door de vliegtuigen.

Maar het is nu ook niet dat composieten de perfecte materialen zijn, er kleeft wel een nadeel aan hun gebruik. Composieten bestaan uit vezelmateriaal (zorgt voor gunstige eigenschappen) en matrixmateriaal (houdt de vezels samen). En veelal bevat een composiet materiaal meerdere lagen van dit vezelmateriaal. Dus wanneer een vliegtuig in een botsing terecht komt, met een kraan of dergelijke, leidt dit bijna onoverkomelijk tot delaminatie. En wanneer men, zoals gebruikelijk, aluminium gebruikt in plaats van composieten, dan zorgt dit enkel voor een zichtbare breuk. Delaminatie wil zeggen dat de verschillende lagen los komen van elkaar, en dus verliest het composiet zijn gunstige eigenschappen. En het grootste probleem van al is dat dit bijna niet zichtbaar langs de buitenkant van het composiet materiaal.

Bij de constructie van composieten komt het er vaak op neer om zo'n optimaal weefpatroon te gebruiken zodat de vezels zodanig gericht zijn om de belasting zo goed mogelijk op te vangen. Maar naast weefsel worden de vezels ook vaak unidirectioneel aangebracht. Dit wil zoveel zeggen als dat ze allemaal mooi naast elkaar, in dezelfde richting liggen. Weefsels hebben wel een beter weerstand tegen inslag dan de unidirectionele vezels, omdat er ook een soort onderlinge verbondenheid is tussen de vezels van het weefsels. Weefsels zijn wel niet zo eenvoudig te produceren doordat het lastig is om het complexe productieproces te automatiseren.

De eigenlijke vernieuwing van de samenwerking van TU Delft en NLR is dat ze een nieuwe technologie ontwikkeld hebben waarmee de productie van composieten met 'weefsels' geautomatiseerd kan worden. Het is wel niet echt zo dat men echt een weefsel verkrijgt maar toch wel een heel goed benaderende imitatie ervan. Deze nieuwe technologie maakt gebruikt van een speciaal machine, namelijk fibre placement machine (link bevat ook een filmpje). Met deze machine kunnen producten met complexe geometrieën en vezeloriëntaties automatisch gefabriceerd worden. De vezels worden met een computergestuurde kop aangevoerd en aangebracht op de mal, doordat deze kop ongeveer in alle richtingen kan bewegen, kan men ook de hoek waaronder de vezels georiënteerd zijn continu laten variëren.

Met deze machine zijn ze dus ook in staat om de structuur van weefsels te gaan imiteren. De vezels worden aangebracht volgens het zogenaamde 'AP-PLY patroon'. Dit patroon combineert eigenlijk de gunstige eigenschappen van unidirectionele vezels met die van weefsels. Het ziet er ongeveer uit als het patroon van de deegreepjes op een appeltaart, maar dan opgevuld. Dit geeft een betere onderlinge verbondenheid van de vezels. Een betere onderlinge verbondenheid zorgt er dan ook voor dat composieten minder snel gaan delamineren na vervorming. En blijven de vervorming beperkt tot een klein gebied in het materiaal.

De eerste testresultaten van dit nieuw 'patroon' zijn veelbelovend want het kan resulteren tot een gewichtsbesparing van zo'n 10% ten opzichte van de conventionele composieten. Maar dit kan nog groter worden omdat men het 'patroon' kan aanpassen aan de specifieke toepassing.

via [nlr]&[tudelt]