De Nederlandse maakindustrie kan gerecyclede composieten gebruiken om er hoogwaardige producten met een relatief lage milieu-impact van te maken. Die overtuiging heeft lector Ferrie van Hattum aan hogeschool Saxion. Hij maakt het waar door het lectoraat Lichtgewicht Construeren en het daaruit voortgekomen ThermoPlastic Composite Application Centre (TPAC) als ‘R&D-afdeling’ van mkb-bedrijven te laten fungeren. Met dank aan TechForFuture als aanjager, financier en Centre of Expertise waar bedrijven op af komen. Dit is op zich al een feestje waard voor TPAC, dat ook nog eens tien jaar bestaat en op 7 december een nieuw lab in gebruik neemt.
Composieten zijn vezelversterkte kunststoffen met de belofte van gewichtsbesparing. In veel toepassingen kunnen composietdelen de zwaardere metalen onderdelen vervangen omdat ze dankzij de vezelversterking voldoende sterkte en stijfheid hebben. Grootschalig doken ze voor het eerst op in de vliegtuigbouw; elke kilo gewichtsreductie scheelt in het kerosineverbruik. Ze komen in twee smaken: thermohardend en thermoplastisch. De thermohardende variant is verreweg het populairst, met toepassing in onder meer windturbinebladen en vliegtuigstructuren. De producten worden gemaakt met polyester- of epoxyhars en kunnen slechts eenmalig worden uitgehard. Thermoplastische composieten, gemaakt met bijvoorbeeld polypropyleen, kunnen wel meermalen worden verwerkt. Gewoon een kwestie van opwarmen en opnieuw gebruiken. Dat maakt het in productie eenvoudiger om ze allerlei vormen en functies te geven.
Aerospace-technologie behapbaar maken
Aan hogeschool Saxion in Enschede is het lectoraat Lichtgewicht Construeren actief op dit gebied. Het onderzoek richt zich op toepassingen van thermoplastische composieten, met veel aandacht voor betaalbare productie op industriële schaal. Uit het lectoraat kwam tien jaar geleden het ThermoPlastic Composite Application Centre (TPAC) voort als een onafhankelijk innovatie-, onderzoeks- en ontwikkelcentrum. TPAC biedt toegang tot expertise en productiefaciliteiten en ontwikkelt proofs-of-concepts voor regionale en nationale MKB-bedrijven die willen innoveren met thermoplastische composieten. TPAC werkt onder meer samen met het TPRC (Thermoplastic Composite Research Centre), dat uit de Universiteit Twente is voortgekomen. “Zij doen fundamenteler onderzoek met een langere tijdshorizon, terwijl wij vooral voor het MKB werken”, vertelt lector Ferrie van Hattum. “Als R&D-afdeling voor MKB-bedrijven moeten we binnen een paar maanden het beeld hebben dat het de goede kant op gaat. Want binnen een half jaar moet er iets liggen waarvan een bedrijf denkt dat het er iets mee kan. Zo willen wij aerospace-technologie behapbaar maken voor de rest van industrieel Nederland.”
Gered van de verbrandingsoven
Composieten hebben dankzij de gewichtsbesparing een positieve milieu-impact en die kan – moet – nog worden vergroot door recycling. Thermohardende materialen zijn helaas nauwelijks te hergebruiken en kunnen alleen nog wat energie produceren bij verbranding. Thermoplastische composieten daarentegen kunnen wel worden hergebruikt. “Daarom zijn zij de toekomst voor industrieën als aerospace en automotive”, zegt Van Hattum. “Elk jaar schuift de markt een beetje op richting thermoplastisch en daar willen wij met ons onderzoek aan bijdragen.” Concrete aanleiding voor het onderzoek naar recycling was het snijafval dat overbleef bij de productie van composietdelen. “Duur materiaal van 80-100 euro de kilo dat gewoon in bakken op de verbrandingsoven stond te wachten. Terwijl het nieuw materiaal was waarvan we de samenstelling kenden. Dat afval zijn we in stukken gaan hakken, waarbij de vezels werden gebroken. We zorgden er wel voor dat de vezels niet te kort werden, zodat de mechanische eigenschappen nog voor 90-95% behouden bleven. Dat stopten we in een menger om de kunststofmatrix te smelten en vervolgens van het basismateriaal weer onderdelen te maken.”
“Als R&D-afdeling voor het MKB moeten we binnen een paar maanden het beeld hebben dat het de goede kant op gaat. Binnen een half jaar moet er iets liggen waarvan een bedrijf denkt dat het er iets mee kan.”
Succesvol vliegende panelen gemaakt
Partners in dat project waren composietproducent Toray Advanced Composites (voorheen TenCate Advanced Composites) in Nijverdal en producent van vliegtuigonderdelen GKN Fokker in Hoogeveen. Het eerste gerecyclede product was een demonstrator, een inspectieluik voor de staartstukken die GKN Fokker gaat maken voor een nieuwe helikopter van het Amerikaanse leger. “Wij hebben meer dan 100 van die panelen gemaakt om ze te testen op sterkte, stijfheid en vezelverdeling. Ze bleken te voldoen aan de specs. Ook zijn ze nog eens 9% lichter, omdat we slim een kruisversteviging in het ontwerp hadden aangebracht. Verder wordt bij de productie 80% op CO2-emissie bespaard ten opzichte van nieuwe delen, tegen een derde van de kosten. Daarbij hebben we de procestijd kunnen terugbrengen van anderhalf uur naar 5-10 minuten.” Kortom, het project was een allround succes. “Die panelen hebben intussen een half jaar succesvol in een helikopter rondgevlogen. Dat hele traject van idee tot product bij de klant heeft nog geen twee jaar geduurd.”
Vervolgens kwam de vraag naar het maken van complexere delen en het aanbrengen van aanvullende functionaliteit, zoals bliksemafleidingsmateriaal, in de panelen. Ook raakten andere bedrijven geïnteresseerd. “In het vervolgtraject hebben we aangetoond dat met exact hetzelfde proces ook andere vormdelen zijn te maken uit afval.” Dat gebeurde in rTPC-projecten (recycling van thermoplastische composieten) met financiering van TechForFuture (TFF).
Ferrie van Hattum, Lector Lichtgewicht Construeren: “Wij willen in onze projecten telkens een basisidee via alle stappen van het productieproces tot een werkend product brengen.”
Naar biogebaseerde kunststoffen
In het rTPC-onderzoek lag, en ligt, de nadruk op recycling van de composieten, oftewel kunststoffen met hun vezelversterking. Veel milieuwinst valt ook al te behalen als alleen de kunststoffen (uit andere bron) worden gerecycled en vervolgens met ‘virgin’ vezelmateriaal worden gebruikt voor de productie van composieten. Ook daar wordt in Enschede aan gewerkt. In een Interreg-project werkt TPAC samen met automobielconcern Stellantis (onder meer Fiat en Chrysler), meldt Van Hattum. In auto’s zit traditioneel veel staal verwerkt en omdat het lichter moet, is dat in de loop der tijd vervangen door hogesterktestaal. “Recycling daarvan met behoud van eigenschappen is moeilijk. Om toch de milieu-eisen van Brussel te halen, kijken de fabrikanten nu extra naar vezelversterkte kunststofdelen; daar is nog een hoop winst te halen.”
Er was al eerder een project met Stellantis uitgevoerd. “Daarin werden vezelversterkte tapes van het Nederlandse bedrijf CompTape geïmpregneerd met gerecyclede kunststof van Veolia (een kunststofrecyclingbedrijf uit Vroomshoop, red.). Vervolgens hebben we een weefmachine gebouwd om met die tapes te gaan weven. Een ander Nederlands bedrijf, Giant Leap Composites, maakte van die weefsels plaatmateriaal waarmee we demoproducten overspoten met kunststof konden maken. We zijn gaan rekenen aan de mechanische eigenschappen en de kostprijs van het proces. Daarmee zijn we terug naar Stellantis gegaan om de stap te zetten naar daadwerkelijke producten zoals spatborden en andere auto-onderdelen. We hebben er al een aantal composietplaten voor gemaakt en die inclusief korrels gerecyclede kunststof naar hen opgestuurd. Het is wellicht geen rocket science, maar verder doet niemand dit al. Wij hebben nu laten zien dat we met een volledige Nederlandse supply chain automotive-producten kunnen maken die al voldoen aan de milieuregels van Brussel voor 2030.”
En dan is dit nog maar een tussenstap. “We willen van oliegebaseerde kunststoffen naar gerecyclede en uiteindelijk biogebaseerde materialen; bijvoorbeeld van polypropyleen naar gerecyclede polyprop naar PLA (polymelkzuur, red.). Dat is lang niet in alle gevallen een oplossing, maar voor veel toepassingen wel. Wij beheersen er alle processen voor.”
Investeren in productie
Een groot concern ‘bekeren’ tot gerecyclede producten is één, mkb-bedrijven over de streep trekken is zeker zo lastig. Terwijl de tijd er wel rijp voor is. Want volgens Van Hattum zijn gerecyclede composietmaterialen klaar voor de sprong naar productie op industriële schaal. “Het is technisch en economisch haalbaar. Dat hebben wij – pragmatisch als een goeie ouwe HTS en als enige in Nederland – aangetoond door een vliegend onderdeel te maken dat volledig voldoet aan de specs van een Amerikaanse fabrikant. Het probleem in ons land is dat we goed zijn in materialen maar dat er een gebrek is aan grote eindgebruikers; ook GKN Fokker is uiteindelijk een toeleverancier. Met ons goed geoutilleerde lab kunnen wij alle stukjes van de procesketen aan elkaar naaien, van materiaal naar processen naar halffabricaat en eindproduct en ook de recyclingstap. We hebben het op A3-formaat op industrieel niveau kunnen aantonen, waardoor partijen beseffen dat het risico voldoende is afgedekt en ze er zelf verder mee kunnen gaan. Daarmee kunnen ze erin gaan investeren. Er zijn in Nederland echter nog niet veel van dit soort bedrijven. DTC in Almere kan het, GKN Fokker zou het zelf kunnen doen, maar zal productie misschien liever willen uitbesteden. Saxion zelf gaat het natuurlijk niet doen, dat is niet onze taak, en een echte spin-off is er ook niet. Gelukkig is er wel een start-up die met deze technologie aan de slag gaat.” Van Hattum doelt op SPIRAL Recycled Thermoplastic Composites, dat vorig jaar is opgericht door twee composietveteranen die hun sporen al hebben verdiend. “Wij helpen hen om de technologie verder te krijgen, zodat zij er een business van kunnen maken.”
“We kunnen nog tientallen jaren vooruit om alles te weten te komen over thermoplastische composieten, hun toepassingen en hun recycling.”
Van aanjager naar ecosysteem
De basis voor het succes is mede gelegd door TechForFuture (TFF), dat al betrokken was bij drie rTPC-projecten. Van Hattum heeft sinds de start van het eerste project, rTPC Demonstrators, de rol van TFF zien groeien. “In het begin fungeerde directeur Alexander Jansen vooral als een aanjager die partijen bij elkaar bracht. De financiering van TFF was natuurlijk ook altijd belangrijk. Maar intussen is er een hele verzameling van projecten met allerlei lectoraten en bedrijven opgezet. Daardoor is TFF steeds meer uitgegroeid tot een Centre of Expertise in zijn meest complete vorm: een plaats waar alle kennis en kunde op één plek is te vinden. Er is een ecosysteem gecreëerd waar bedrijven en onderzoekers elkaar als vanzelf weten te vinden.”
Deze ontwikkeling ondersteunt Van Hattum’s ambitie. Hij wil namelijk zoveel mogelijk bedrijven uit de Nederlandse maakindustrie laten kennismaken met thermoplastische composieten en hen helpen bij de toepassing ervan. Recycling is daarbij de volgende stap die de positieve impact van composieten verder vergroot. “Wij willen in onze projecten telkens een basisidee via alle stappen van het productieproces tot een werkend product brengen. Met de nieuwe uitbreiding van ons lab krijgen we alle processen en machines die daarvoor nodig zijn helemaal in de vingers.”
Dat is nodig, want er valt nog een wereld te winnen, volgens Van Hattum. Daarom is hij blij dat Composieten een van de zes toepassingsgebieden is in het enorme Groeifonds-project NXTGEN HIGHTECH (1 miljard euro investering, waarvan 450 miljoen overheidsbijdrage) en dat TPAC daarin meedraait. “Dat is toch wel een erkenning dat we als regionale hogeschool op nationaal niveau een bijdrage leveren. Met echt praktijkgericht onderzoek bieden we al jaren aantoonbaar toegevoegde waarde.”
Feestje
Alle reden voor een feestje. Dat komt er op 7 december, met de viering van het tienjarig bestaan van TPAC en de officiële opening van het nieuwe lab. “Daarmee kunnen we onze rol bestendigen”, zegt Van Hattum. “Er valt nog zoveel te doen op allerlei vlak, we kunnen nog tientallen jaren vooruit om alles te weten te komen over thermoplastische composieten, hun toepassingen en hun recycling.”
Die zonnige toekomst voor (gerecyclede) composieten komt er alleen als er ook voldoende studenten in dit vakgebied worden opgeleid, erkent de lector. “In de slipstream van alle projecten nemen we de studenten uit de opleidingen mee in dit soort ontwikkelingen. Dat staat ook op de agenda van TFF: leuk dat we met z’n allen nieuwe technologieën ontwikkelen, maar we moeten juist ook aan human capital werken. Dus zorgen we voor stage- en afstudeeropdrachten in de projecten en filteren we de opgedane kennis terug naar het onderwijs. We leveren materialen aan voor eerstejaars materiaalkunde-onderwijs en studenten komen hier voor het practicum kunststoftechnologie. Verder hebben we een minor opgezet, waarin we de studenten met hars en vezels composietonderdelen laten maken en eraan rekenen. Ook doceren we in de master Innovative Textile Development. We zijn bekend bij studenten, maar toch nog minder populair dan ik had gewild. Binnen werktuigbouwkunde zijn we toch redelijk specialistisch bezig, een beetje uit het zicht.” Wie weet helpt het aanstaande feestje om de zichtbaarheid te vergroten. Aan het enthousiasme van Ferrie van Hattum zal het niet liggen.
