Wat is de overeenkomst tussen een groentekrat in de schappen bij een supermarkt of een onderdeel van een vliegtuig? Beide zijn gemaakt van thermoplastisch composiet, vederlicht, stijf, sterk en ontwikkeld in het Thermoplastisch Composieten Applicatie Centrum van hogeschool Saxion.
Het Thermoplastisch Composieten Applicatie Centrum, kortweg TPAC, moet voor docenten en studenten met een voorliefde voor experimenteren een speeltuin zijn. Een laboratorium met industriële machines, met robots, 3D-printers en een ruige buitenformaat shredder om kunststof producten te vermalen voor hergebruik. Een speeltuin waarin ook Dr. Ir. Ferrie van Hattum zich tuis voelt. De lector Lichtgewicht Construeren van Saxion is trots op het lab waarin, samen met de industrie, nieuwe toepassingen van thermoplastische composieten worden onderzocht, ontwikkeld en op kleine productieschaal worden getest, alvorens de industrie het kan implementeren.
Duurzamer
De kern van thermoplastisch composiet is, simpel gezegd, dat thermoplastisch materiaal zoals nylon (PA), polypropeen (PP) en polyetheen (PE) wordt gecombineerd met glas-, koolstof- of andere vezels. Die combinatie maakt dat tal van producten waaraan hoge eisen worden gesteld, veel sterker en duurzamer worden. Thermoplasten zijn van zichzelf namelijk zachter en buigzaam, terwijl koolstofvezels zelfs in vliegtuigen worden verwerkt. “Maar ook duur zijn”, voegt Van Hattum toe: “het is materiaal dat heel stijf is en aan hoge eisen voldoet. Je ziet het in de lucht- en ruimtevaart of dure racefietsen.”
We knopen hier nieuwe technologieën aan elkaar. Daarmee bereiden wij jonge mensen voor om die cutting edge technologieën in de praktijk toe te passen
Koolstofvezels worden hierbij tot matten geweven en kunnen met warmte en harsen in allerlei vormen geproduceerd worden voor hoogwaardige toepassingen. Maar er is ook een nadeel. Het is niet recyclebaar omdat het bijvoorbeeld niet om te smelten is zoals thermoplastische producten. Ook is het eindproduct van koolstofvezel niet slagvast, in tegenstelling tot thermoplasten als nylon of polypropeen die flexibeler zijn. En dan is er nog de kostprijs waardoor tal van massaproducten te duur zijn om te worden uitgevoerd met vezels.
Betaalbaar
De oplossing werd al in de jaren negentig van de vorige eeuw bedacht: combineer thermoplastisch materiaal en koolstof, glas of aramide vezels tot een thermoplastisch composiet. “Dat is wat we hier doen in het TPAC: we proberen de specifieke eigenschappen te combineren en wel zo dat het betaalbaar blijft en toegankelijk is voor massaproductie”, vertelt lector Van Hattum: “want het mkb, waar hoge producties worden gemaakt in onversterkt kunststof, is het nog niet mogelijk om deze technologie toe te passen. Daar ligt onze focus.” Wat dat betreft; de ontstaansgeschiedenis van het TPAC is gerelateerd aan het TPRC, het ThermoPlastic composites Research Center, dat vanuit de Universiteit Twente in samenwerking met partijen als Ten Cate, Fokker en Boeing op wetenschappelijk niveau onderzoek doet naar toepassing van thermoplastische composieten. Het TPAC moet gezien worden als een meer praktisch onderzoekscentrum, inherent aan de praktijkgerichte instelling van de hogeschool.
Lector Ferrie van Hattum: “we willen stijfheid, sterkte en licht gewicht combineren én het moet betaalbaar blijven”
Inmiddels zijn zo’n vijftig kunststofverwerkende en andere bedrijven betrokken bij TPAC, waar lectoren, docenten en studenten op zoek zijn naar de veelzijdige mogelijkheden van thermoplastisch composiet. In het lab kan Van Hattum een paar volle dozen op tafel zetten met proefstukken, waarin de twee ‘basis grondstoffen’ zijn gecombineerd. “Het gaat om iets te ontwerpen dat stijf en licht is. Een kinderzitje kan je versterken met een metalen frame, maar ook door strips van glas, aramide of koolstof in het eindproduct aan te brengen in één productiegang. Als producent ben je dan niet meer afhankelijk van een toeleverancier die de metalen frames levert. En heel belangrijk: we willen stijfheid, sterkte en licht gewicht combineren én het moet betaalbaar blijven.” Het is een technologie waar de kunststofverwerkende maakindustrie reikhalzend naar uitkijkt. Niet verwonderlijk dat de circa vijftig bedrijven hebben bijgedragen aan de totstandkoming van TPAC.
Potentie
TPAC heeft inmiddels samen met een Nederlands bedrijf een vliegtuigonderdeel ontwikkeld. “Koolstofvezels zijn in de vliegtuig- en ruimtevaartindustrie gebruikelijk vanwege de eigenschappen. Maar niet alle onderdelen hoeven zulke hoge eigenschappen te hebben. Wij hebben een klein onderdeel her-ontworpen van thermoplastisch composiet dat die eigenschappen benadert en ook nog uit eigen restmateriaal bestaat”, aldus de lector die overigens niet verklapt om welk onderdeel het gaat en zeker niet om welk type vliegtuig. Het geeft echter aan wat de potentie is van het onderzoek.
Een belangrijk deel van het onderzoek gaat uiteraard ook naar hergebruik van materiaal, een prangend thema in een tijd waarin de circulaire economie steeds meer prioriteit krijgt. Thermoplastics laten zich relatief eenvoudig verwerken tot nieuwe grondstof. Anders ligt dat voor composieten van koolstof-, glas- of aramide vezels. “Bij de productie blijft veel restmateriaal over waar je niets meer mee kunt. het is niet meer te verwarmen zoals bij thermoplastics. Vandaar dat wij ook onderzoeken of wij dat restmateriaal op een dusdanige manier kunnen verwerken zodat we het uiteindelijk toch weer kunnen verwerken om thermoplastische producten mee te versterken”, aldus Van Hattum, die hiermee in feite de heilige graal van de kunststofverwerkende industrie nadert: een volledig circulaire productie van thermoplastische materialen en sterke vezels.
Kwaliteit
Het combineren van de twee grondstoffen is niet de enige uitdaging voor Van Hattum en zijn team. “Het is niet alleen het ontwikkelen van het composiet zelf. Het moet ook voor de kunststofverwerkende industrie toepasbaar zijn in hun productie”, vertelt Ferrie van Hattum: “Daarom staat in ons TPAC ook een industriële opstelling om proefproducten te maken. Veel producten van thermoplastisch materiaal worden in grote series vervaardigd en zijn dus goedkoop te produceren. De materialen moeten daarom ook in één productiegang verwerkt worden. Met onze opstelling kunnen we met een spuitgietmachine, een pers, een voorverwarmstation en een robot het volledig automatisch maken van producten van thermoplastisch composiet testen. Uiteindelijk moeten die processen volledig geautomatiseerd zijn om die lage kostprijs te blijven garanderen. Terwijl je tegelijkertijd de kwaliteit verbetert.”
Een voor velen herkenbaar product waarin de eigenschappen van thermoplastisch composiet tot uiting komen zijn opvouwbare kratten. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt in de supermarkten op de groenteafdeling. Logistiek gezien een ideale oplossing: de vouwkratten nemen leeg weinig ruimte in en kunnen eenmaal gevuld met groente of andere producten direct in de schappen worden geplaatst. Via TechForFuture is bij TPAC onderzoek gedaan of deze vouwkratten niet nog sterker gemaakt kunnen worden gemaakt door ze van thermoplastisch composiet te maken. Van Hattum: “De kratten hebben een beperkte stijfheid en sterkte. Wij kijken of we door de toevoeging van vezels eenzelfde vouwkrat kunnen produceren die lichter en sterker is, zonder het basis ontwerp teveel aan te passen.” Van proof of product tot werkelijkheid dus. Dat geldt ook voor de inspanningen om van recyclede plastics uit de afvalverwerking, met behulp van composiet, bermpalen, vlonders en tuinbanken te maken.
Cutting edge
Van Hattum benadrukt dat bij veel projecten studenten uit verschillende opleidingen worden betrokken: o.a. werktuigbouwkunde, civiele techniek en textiel. Het belang is voor de toekomst groot, besluit Van Hattum: “De toekomst is dat we minder grondstoffen en minder energie moeten verbruiken. Met welke materialen is dat mogelijk, hoe ga je daarmee ontwerpen en welke processen zijn nodig? We moeten nu a jonge mensen kennis laten maken van dit soort nieuwe materialen. Dan gaan ze vanzelf ook denken in dit soort materialen en technologieën in plaats van in hout of staal. Dat is ons belang: jonge mensen opleiden die voorbereid zijn in die cutting edge technologie die wij hier creëren.”
