Thermoplasten gemaakt voor duurzame lichtgewicht trends

Op de Lightweight Future Day 2021 werden de aanwezige experts uit de industrie en de onderzoekswereld in 15 keynotes getrakteerd op een overzicht van alle facetten van de huidige ontwikkelingen en trends in lichtgewicht ontwerpen en produceren. Elke keynote werd gevolgd door een vraag- en antwoordsessie onder leiding van Dr. Norbert Müller, hoofd Ontwikkeling smart machine bij Engel, en Dr. Bastian Brenken, managing director van Composites United. De twee industrie-experts leidden het publiek met veel vakkennis door het programma en zorgden voor een ontspannen en onderhoudende conferentiesfeer.

Ondanks het virtuele karakter in verband met corona telde het evenement meer dan 500 ‘bezoekers'. De deelnemers kwamen voornamelijk uit Europa, met een focus op Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en de Benelux. Maar zelfs enkele lichtgewichtexperts uit de VS hadden zich niet laten afschrikken door het conferentietijdstip, dat voor hen vroeg in de ochtend was, zoals Christian Wolfsberger, business development manager Lightweight Composites bij Engel en organisator van de Lightweight Future Day, opmerkte.

Versnellen serieproductie

Thermoplastische composieten en de bijpassende productietechnologie maken serieproductie in grote aantallen veel eenvoudiger, zoals Michael Thienel, expert in de ontwikkeling van deuroplossingen bij automobieltoeleverancier Brose, in de eerste keynote uitlegde: "Met een intelligente mix van materialen zijn we er in geslaagd een innovatief deursysteem te ontwikkelen dat een nieuwe norm stelt op het gebied van gewicht, functionaliteit en flexibiliteit. In vergelijking met de oude op staal gebaseerde producten besparen we tot 5 kg, dat is 40 procent van het gewicht, terwijl de botsveiligheid gelijk blijft. Bovendien hebben we een wanddikte van slechts 0,6 millimeter bereikt."

Automobieltoeleverancier Brose maakt onder andere lichtgewicht moduledragers voor het inwendige van autoportieren uit thermoplastische composiet. (Foto: Brose)

Brose levert sinds 2018 jaarlijks één miljoen moduledragers voor portieren van vezelversterkte thermoplast (thermoplastische plaat) aan Ford. Vandaag staat Brose al op de drempel van de serieproductie met de volgende generatie deurmodules. Dit nieuwe constructie-element vervangt andere op staal gebaseerde deurdelen en bespaart nog eens 1 kg per portier, en het systeem is ook economisch aantrekkelijker dan het stalen element. Uit veel keynotes op de Lightweight Future Day blijkt dat de weg naar ultramodern lichtgewicht vaak via thermoplastische verwerking loopt. FACC, een specialist voor lichtgewicht onderdelen in de vliegtuigbouw, staat ook achter thermoplasten. Het bedrijf richt zich met name op de toekomstige markt van ‘Urban Air Mobility', bemande luchtvoertuigen en onbemande drones in het stedelijk luchtverkeer, zoals Rene Adam, directeur Research & Technology van het bedrijf, uitlegde. Productievolumes van 5.000 tot 30.000 onderdelen per jaar worden verwacht. Dit zijn aanzienlijk hogere cijfers in vergelijking met de onderdelenproductie voor grotere vliegtuigen, die ongeveer 1.000 eenheden per jaar bedraagt. Door hun lange uithardingstijden zouden de thermoharders die tot dusverre hoofdzakelijk in de vliegtuigbouw werden gebruikt, niet aan de hier vereiste korte cyclustijden kunnen voldoen.

Duurzamer dankzij recycling

Maar thermoplasten zullen in de toekomst waarschijnlijk ook een grotere rol gaan spelen in de traditionele vliegtuigbouw, aangezien de luchtvaartindustrie zich ten doel heeft gesteld om in 2050 klimaatneutraal te zijn. Rene Adam: "De productieprocessen in de luchtvaartindustrie zullen totaal veranderen. Hybride verwerking, koudverlijmen en rapid forming behoren hier nog niet tot de standaard productieprocessen. We moeten de kostenstructuren en productiecycli aanzienlijk verbeteren. Dit zijn de redenen waarom wij bij FACC geloven dat thermoplasten in de toekomst het belangrijkste materiaal voor vezelcomposietkunststoffen in de luchtvaartindustrie zullen zijn."

Een ander onderwerp kwam in veel van de presentaties terug: de uitstekende recyclebaarheid van thermoplasten in vergelijking met de beperktere recycleerbaarheid van thermohardende vezelcomposieten. Georg Käsmeier, managing partner bij Forward Engineering, wees erop dat de EU de circulaire economie tot norm wil verheffen als onderdeel van de Green Deal. "Nu is het juiste moment om bij uw productontwikkeling over te schakelen van lineair naar circulair denken en al in de productontwerpfase rekening te houden met het recyclingproces", drong hij er bij de conferentiedeelnemers op aan. Als onderdeel van een studie vergeleek zijn bedrijf de CO2-voetafdruk bij de productie van een rempedaal op basis van primaire thermoplasten, biogebaseerde materialen en gerecyclede thermoplasten. Het CO2-besparingspotentieel van het gebruik van thermoplasten met gerecycleerde content bleek aanzienlijk te zijn. "Wij geloven dat thermoplastische materialen een groot potentieel hebben op het gebied van duurzaamheid. Om dit te benutten, moeten er nu recyclingprocessen op industriële schaal worden opgezet. Maar we zien wel dat deze uitdaging door de industrie wordt aangepakt", aldus Käsmeier.

Thermoplasten gaan een voorspoedige toekomst tegemoet. Niet alleen dankzij ‘Urban Air Mobility', maar ook in de traditionele vliegtuigbouw. (Foto: FACC)

In één keer

Vanwege het toenemende belang van thermoplasten in lichtgewicht, heeft Engel de afgelopen jaren fors geïnvesteerd in technologieën en systemen voor de verwerking van thermoplastische composieten. "Wij zijn het eerste bedrijf ter wereld dat een volledig geïntegreerd proces kan aanbieden dat begint met een UD-tape-legcel en eindigt met een volledig geconsolideerd, overmoulded thermoplast lichtgewicht onderdeel", zei Paul Zwicklhuber, ontwikkelingsingenieur Composite Processing bij Engel, in zijn presentatie. De tape-cel is een pick&place-cel. Dit betekent dat de tapes met tussenpozen van 3 - 4 s kunnen worden gestapeld en aan elkaar worden gelast. Omdat de kwaliteit van de stapel grotendeels afhangt van de nauwkeurigheid van de positionering van de tape, is de cel uitgerust met een meetsysteem met hoge-resolutie cameratechnologie. Downstream bevindt zich een consolidatie-eenheid die de thermoplastische tapeweefsels in de spuitgietcyclus consolideert. De consolidatie kan naadloos in het totale proces worden geïntegreerd, wat de efficiëntie bij de productie van op maat gemaakte tapeoplossingen aanzienlijk verhoogt.

Geïntegreerd proces

Engel organomelt is de kern van het geïntegreerde proces. Thermoplastisch vezelcomposiet prepregs zoals UD-tapes en organomelt-sheets worden hier gevormd en gefunctionaliseerd. Functionele elementen, zoals versterkingsribben of montage-elementen, kunnen direct na het thermovormen met een thermoplast uit de matrixmateriaalgroep worden omspoten. Zo ontstaat een sterk geïntegreerd en volledig geautomatiseerd productieproces , terwijl het proces tegelijkertijd de recycling van de onderdelen aan het einde van hun nuttige levensduur vereenvoudigt. Het organomelt-proces wordt ook gebruikt bij de productie van deurmodules van Brose.

Het draait niet altijd om gewicht. Vinnen voor surfplanken van FCS gemaakt van thermoplastische vezelcomposieten op basis van UD-tapes. (Foto: FCS) 

Niet altijd het gewicht

De use-case van het Zwitserse Svismold laat zien aan dat lichtgewicht materialen ook voordelen kunnen bieden als het gewicht geen rol speelt. Het bedrijf wist een fabrikant van surfplanken ervan te overtuigen thermohardende vinnen te vervangen door een vin van thermoplastische vezelcomposieten op basis van UD-tapes. Het bleek dat je met de nieuwe vin ongekend nauwkeurig kon sturen. Een van de redenen hiervoor zijn de nauwkeurig berekende krachtlijnen in het onderdeel, die exact in het onderdeel kunnen worden gereproduceerd omdat het gebruik van UD-tape de vezeluitlijning garandeert. Tegelijkertijd zijn de productiekosten worden verlaagd. De surfplank met de nieuwe vin is bovendien goed ontvangen in de surfgemeenschap.

Persoonlijke contacten

De uitwisseling van ervaringen en kennis tussen machinefabrikanten en systeemleveranciers, materiaalleveranciers, matrijzenmakers, onderzoekers en ontwikkelaars is wat de Lightweight Future Day zo waardevol maakt voor de deelnemers. Bovendien vindt er een uitwisseling plaats tussen bedrijfstakken die verder totaal verschillend zijn, maar wel op zoek zijn naar oplossingen voor vergelijkbare uitdagingen.

"Ook al heeft het virtuele platform dit jaar een bijzonder hoge dekkingsgraad bereikt, persoonlijke contacten zijn voor ons nog steeds belangrijk", zegt Christian Wolfsberger. "We kijken ernaar uit om de Lightweight Future Day volgend jaar opnieuw als face-to-face of hybride evenement aan te bieden en zoveel mogelijk deelnemers op onze locatie in Schwertberg te mogen verwelkomen."