Student TU Twente brengt lichtere vliegtuigen stapje dichterbij

Yibo Su, een promovendus aan de Universiteit van Twente, heeft de ontwikkeling van lichtere vliegtuigen een stapje dichterbij gebracht. Hij ontwikkelde een sterke verbindingsmethode voor lichtgewicht constructies met thermoplastische composieten.

Thermoplastische composieten zijn nieuwe, sterke en vooral lichte, brandstof besparende materialen, bestaande uit vezels en thermoplastische kunststof. Het wordt steeds meer ingezet in onder andere de auto- en de vliegtuigindustrie. De nieuwste vliegtuigtypes van Boeing en Airbus bestaan bijvoorbeeld al voor 50% van het gewicht uit composiet materialen, waarvan een groeiend aandeel thermoplastisch composiet is. Maar de toepassing kent ook uitdagingen, zeker als het gaat om verbindingen tussen verschillende materialen. Het onderzoek van Su richt zich specifiek op de verbinding tussen metalen en thermoplastisch composieten, iets wat zeker voor de luchtvaart van belang is.

Onderzoek

Op de website van de universiteit wordt het onderzoek van Su uitgelegd: “Thermoplastisch composiet onderdelen worden doorgaans gemaakt door zogenaamde prepreg. Dat zijn vezels die al zijn geïmpregneerd met een kunststof, die worden geconsolideerd, verstevigd, in een pers of een autoclaaf. Su ontwikkelde een manier om een metalen insert al in de mal te plaatsen, en tegelijk met de prepreg mee te consolideren. Dit is nog niet eerder gedaan en levert significante winst op in productietijd en -kosten. De student onderzocht welke mechanismen eraan bijdragen dat de insert goed vast komt te zitten aan het thermoplastische composiet en vervolgens welke factoren invloed hebben op de hechting. 

Een van Su’s sponsoren voor het onderzoek is het Thermoplastics Composites Recearch Center (TPRC), een onderzoekscentrum op het vlak van thermoplastisch composieten. Su maakte onder andere gebruik van de geavanceerde apparatuur van TPRC om thermoplastische composieten te verwerken en testen. “Het werk van Su past in de huidige trend van lichtgewicht construeren; het juiste materiaal op de juiste plaats”, aldus Wouter Grouve van TPRC. “In deze multi-materiaaloplossingen is de verbinding tussen de verschillende materialen cruciaal. Daar wordt momenteel wereldwijd vrij veel onderzoek naar gedaan, denk bijvoorbeeld aan het lijmwerk in de BMW i3 en i8. Su heeft specifiek gekeken naar het verbinden van thermoplastische composieten en metalen. Door het verbinden te laten plaatsvinden tijdens het verwerkingsproces van het thermoplastisch composiet (dat heet co-consolideren) hoef je geen lijn te gebruiken. Dat geeft een voordeel in termen van kosten en procestijden.”

Opschalen productie 

Volgens Grouve is het onderzoek van Su een bouwsteen in het grotere geheel van multi-materiaal structuren. “Thermoplastische composieten spelen een belangrijke rol in het opschalen van de productie. De verwerkingstijd van deze materialen kan in potentie erg laag zijn. Dit komt omdat, in tegenstelling tot thermoharder composieten, er geen uithardingsreactie nodig is. Thermoplastische composieten kun je warm maken, vervormen en weer afkoelen. Dit maakt het mogelijk om bijvoorbeeld persvormprocessen te gebruiken met cyclustijden in de ordegrootte van minuten. Dat is erg interessant voor grotere series. Daarnaast kun je thermoplastische composieten lassen. Dit maakt het mogelijk om snel en relatief goedkoop delen te assembleren. Met de benodigde opschaling in het achterhoofd, lijkt het noodzakelijk om steeds meer delen uit thermoplastisch composiet te maken. Naast deze voordelen, bieden thermoplastische composieten een hogere taaiheid dan thermoharder composieten, waardoor in potentie lichter geconstrueerd kan worden, en kunnen thermoplastische composieten makkelijker gerecycled worden.”

Voor een echte breed toepasbare technologie is nog vervolgonderzoek nodig. Grouve: “We hebben nog een beter begrip nodig van de onderliggende fysica. Als we beter begrijpen welke fysische en chemische processen een rol spelen, kunnen we materialen en voorbehandelmethodes beter op elkaar afstemmen. Verder zijn er technologische ontwikkelingen nodig. Hoe maak je bijvoorbeeld thermoplastisch composieten delen met metalen inserts? Welke processen gebruik je daarvoor en hoe zorg je er voor dat deze processen robuust zijn. Vragen die essentieel zijn voordat deze technologie gebruikt kan worden in structurele delen.”

Door: Kelly Bakker

Foto bron: Pixabay