Nederland Nieuw Materialenland

Transcriptie

1 Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief Nederland Nieuw Materialenland 'Eerder scheurtjes maar toch veilig geland - dankzij Glare' (1 van 11) [ :35:08]

2 robert van der veen 's Werelds grootste verkeersvliegtuig, de A 380 van Airbus, komt eraan. Bij het nieuwe, lichtere - zuinigere maar vooral veiligere, want duurzamere - materiaal waarvan deze superjumbo wordt gebouwd door de Europese luchtvaartindustrie heeft de tu delft een belangrijke rol gespeeld. Meer dan twintig jaar geleden begonnen in Delftse laboratoria die ontwikkelingen met onderzoek naar laminaten, composieten en betere vezelmaterialen. Het Delftse Glare, dat Airbus voor zijn nieuwste toestellen gaat gebruiken, heeft zich intussen bewezen. De toepassingsmogelijkheden lijken legio, van het Delftse researchwerk kunnen in de nabije toekomst ook veel anderen profiteren zoals de automobielindustrie. Nieuwe materialen bieden nieuwe mogelijkheden maar ze zorgen tegelijkertijd voor nieuwe vragen. En impulsen, waardoor aan de vooravond van de geboorte van het supervliegtuig van Airbus het nieuwe al bijna weer achterhaald lijkt door het allernieuwste: het oprukkende thermoplast. Deze met koolstof versterkte polymeren kunnen op termijn zelfs het einde van het huidige buisvliegtuig inluiden. 'Het verkeersvliegtuig van de toekomst is namelijk een staartloze, vliegende (delta)vleugel.' Een verhaal over ontwerpen als «het tegen elkaar uitspelen van natuurkrachten» en de nieuwe kansen van de jongste ontwikkelingen, waaraan ook menig bouwer of constructeur kennelijk zelf nog moet wennen. Prof.ir. A. Beukers: 'Het ligt niet aan het composiet maar aan de constructeurs. Die denken nog in metaal en maken geen gebruik van de integratiemogelijkheden van bijvoorbeeld thermoplasten.' Kostenvergelijking tussen aluminium en Glare voor de romppanelen van een vliegtuig. Auteur robert van der veen raakte onder de indruk van de nieuwe materialen van de luchtvaart: 'De voorrand van een koolstofvleugel heeft het profiel van een aantrekkelijke vrouw.' Want : 'Mooie vrouwen zijn subsoon, zonder rijen pukkelige klinknagels.' (2 van 11) [ :35:08]

3 In de vliegtuighal van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Technische Universiteit Delft kan men zien, dat Nederland nog steeds een luchtvaartnatie is: naast de «oude» cockpit van een Fokker 70 of 100 staat een romppaneel van de allernieuwste Airbus 380. Dr. ir. Tjerk de Vries ( 1966), die een dag per week in Delft werkt en vier dagen bij Airbus in Hamburg, wijst op een paneel van Glare. 'Hieraan heb ik mijn promotie-onderzoek gedaan'. Glare - van GLAs REinforced - is een constructie van dun aluminium, staal of titanium en glasvezels die in de lengte- en de breedte gelegd kunnen worden. In vergelijkbare constructies is het door de lagere soortelijke dichtheid en de dunnere platen, dertig procent lichter dan aluminium. Daardoor kan ook de rest van het toestel lichter worden uitgevoerd. Zoals we weten sinds de rampen met de Franse Concorde en de «Eindhovense» Hercules, kunnen vermoeïngsscheuren, motorexplosies en botsingen met vogels aluminiumconstructies zwaar beschadigen. Bij Glare echter blijven de glasvezels intact bij vermoeïng en is alleen een cosmetisch herstel nodig van het aluminium. Bij inslag van bijvoorbeeld motorfragmenten bij een motorexplosie of rommel van de startbaan, gaan echter zowel het aluminium als de vezels van Glare kapot en vermindert de sterkte van de constructie. De schade bestaat uit een gat ofwel kerf; dat heet daarom met een vakterm de kerfgevoeligheid van het materiaal. Vermoeïng treedt op als de constructie wisselend belast op trek staat, zoals bijvoorbeeld aan de onderkant van een vleugel tijdens de vlucht, omdat die door de opwaartse kracht omhoog gebogen wordt en dus uitgerekt wordt. Om dezelfde reden wordt Glare ook toegepast aan de bovenzijde van de ruim zeventig meter lange romp, omdat tijdens de vlucht de neus en de staart iets omlaagbuigen over de middenvleugel en de inwendige overdruk de romp in de omtrekrichting als een reusachtige ballon tweemaal zoveel doet uitzetten als in lengterichting. 'Ook een afgebroken start met een dergelijk groot toestel stelt zware eisen aan de constructie,' legt De Vries uit. 'Wanneer pakweg twee motoren aan één kant het niet doen, trekt het aan die zijde scheef en moet de piloot de andere motoren uitzetten èn tegelijk tegenroer geven met het kielvlak. Stijging van het gebruik van composieten bij Airbus tussen 1970 en (3 van 11) [ :35:08]

4 Door dit koppel op een hooggelegen punt aan een van de uiteinden van het toestel verdraait of «tordeert» de romp met belastingen waar we tot op heden geen rekening mee behoefden te houden. Met Glare kunnen we die krachten opvangen en de Airbus 380 lichter en veiliger construeren.' Kapot Scheuren in Glare kunnen dus optreden door vermoeïng of inslagen van buitenaf. In het eerste geval blijven de glasvezels intact; in het tweede geval gaan ze kapot. De Vries ontdekte nu, dat Glare bij vermoeïng kerfgevoeliger is dan aluminiumlegeringen, maar dat de reststerkte veel beter is. Deze hangt af van de hoeveelheid aluminium en de hoeveelheid glasvezel in het laminaat. Bij Glare treden weliswaar al na vluchten door het compenseren van de luchtdruk op zeeniveau en tien kilometer hoogte haarscheurtjes op, maar die groeien vervolgens maar langzaam en kunnen meer dan tot vluchten mee. Daardoor ligt het bezwijkmoment veel later dan bij het meer traditionele aluminium, waarbij pas na gemiddeld vluchten scheuren optreden, die de constructie echter snel daarna doen bezwijken. De glasvezel in de Glare overbrugt namelijk scheuren en voorkomt breuk in de dunne aluminium platen in het materiaal. Vermoeïngsscheuren in Glare kunnen eenvoudig hersteld worden tijdens een periodieke onderhoudsbeurt. In geval van doorboring van een huid kan men de reststerkte vergroten door het spelen met extra banden van glasvezel in het Glare-laminaat, waardoor er een extreem veilige manier van bezwijken ontstaat. De glasvezelbanden in de Glare-constructie buigen in zo'n geval de scheur af zodat de romp niet ontploft als een ballon, maar langzaam leegloopt door een soort luikje in de drukhuid van de cabine. 'De luchtpompen zijn zo gedimensioneerd, dat ze het verlies aan druk door een gat van 28 vierkante centimeter kunnen compenseren. Wanneer het gat in de romp als gevolg van scheurgroei groter wordt, zien de piloten de druk wegvallen doordat de pompen het kennelijk niet aankunnen. Door het veranderen van de richting van de scheur wordt de scheurgroei gestopt en treedt er een snelle maar veilige decompressie op zodat een landing mogelijk is.' Bijna-ramp (4 van 11) [ :35:08]

5 'Een van de beroemdste bijna-rampen uit de luchtvaartgeschiedenis, die van de Boeing 737 «cabriolet» van Aloha Airlines in 1988, had volgens onze simulaties met Glare waarschijnlijk helemaal niet plaatsgevonden' zegt De Vries. 'Het dak werd door materiaalmoeheid grotendeels weggeblazen maar de piloot kon het toestel tòch aan de grond zetten. Glare scheurt daarentegen zò langzaam, dat er tijdens de berekende levensduur van het toestel, 25 jaar of starts en landingen, dergelijke kritische situaties niet zullen optreden. We hebben er ook een gelijktijdige motorexplosie mee gesimuleerd, een kans van 1:1 miljard, en ook dan was er met Glare alleen een extra scheur ontstaan'. In zijn proefschrift stelt De Vries een model op, waarmee ontwerpers de overblijvende sterkte van Glare constructies kunnen berekenen. Dit model heeft hij in Dresden bij een testcentrum beproefd op een gekromde rompsectie met de afmetingen van een A 380. De verificatie werd getoetst door rasters te plakken op proefstukken met scheuren en kerven en vervolgens werd met software voor patroonherkenning het gedrag van het materiaal rond scheuren en breuken in kaart gebracht. Geheel nieuw in een Glare-constructie is het koppelen van de platen met overlappende vezellagen waardoor een soort gemetselde structuur ontstaat van 3,5 bij 14 meter, een vinding van De Vries. Dat is nodig, omdat aluminiumplaten maximaal 1,60 meter breed zijn en er anders teveel verbindingen met naar verhouding zware klinknagels komen. Aldus kan de romp van de A 380 met een omtrek van maar liefst veertig meter, met grote panelen toch goedkoop worden vervaardigd. 'Op de zwakste plaats van zo'n deling kan ik nog steeds een klinknagel inslaan zonder dat dit de constructie nadelig beïnvloedt'. 'Een koolstofvleugel-voorrand heeft het profiel van een aantrekkelijke vrouw' Productiehal Een rondwandeling door de Airbus-fabriek in Hamburg toont de omvang van het project. Momenteel wordt hier met de snelheid van een militaire operatie een productiehal gebouwd die in januari 2002 gereed moet zijn (5 van 11) [ :35:08]

6 om de in Toulouse gebouwde en per RO-RO-schip aangevoerde A 380- rompen af te bouwen. Iets verderop staat een gloednieuwe zes verdiepingen hoge hal, waar momenteel een vijftien meter lange rompsectie wordt gebouwd die tussen december 2001 en januari 2004 een statische belastingtest en vervolgens vluchtcycli ofwel tweemaal de geschatte levensduur, zal ondergaan. Hier ziet men pas goed de reusachtige doorsnede van het toestel met twee passagiersdekken plus een vrachtdek en ontspanningsruimte. Het materiaal en het project mogen nieuw zijn; ontwerpen blijft een tegen elkaar uitspelen van natuurkrachten. Het verkeersvliegtuig van de toekomst is een staartloze, vliegende vleugel Het is niet alleen Glare dat er blinkt. Het is niet alleen Glare - Engels voor 'helder oplichten' - dat er blinkt. Minstens zo belangrijk is de bijdrage van door tcac in Nijverdal vervaardigde composieten aan de A 380. Dankzij Glare èn composieten heeft dit toestel 13 procent minder brandstofverbruik dan een Boeïng ofwel 1 op 33 (6 van 11) [ :35:08]

7 reizigerskilometers. Met koolstofvezel versterkte polymeren kunnen op termijn zelfs het einde van het tegenwoordige buisvliegtuig en de komst van de vliegende vleugel in de verkeersluchtvaart betekenen. De oorsprong van deze vezels ligt wederom in Delft. Als buurman van prof. ir. L.B. Vogelesang ontwikkelde ir. Wim van Dreumel namelijk in de jaren zeventig en tachtig met koolstofvezel versterkte kunststoffen. In 1986 stichtte hij vervolgens samen met Ten Cate Advanced Composites TCAC en Fokker een School voor Thermoplasten. Sinds 1987 is hij hoofd van de afdeling onderzoek en ontwikkeling van TCAC, handelsmerk CETEX(R), in Nijverdal waarin de Twentse textiel- en de Nederlandse transporttradities samengaan. 'Nederland is een materiaalland door de Delftse faculteit Lucht- & Ruimtevaart,' meent hij. Aan de Airbus 330/340-serie 500 en 600 werkt Van Dreumel nu al mee: 'Wij hebben langlopende contracten met onze afnemers; daarom verwachten wij ook aan de A 380 te zullen leveren'. Een fabrieksbezoek leert, dat de traditie van textielweven nog levend is, want op de getouwen staan koolstofdoeken en andere industriële weefsels. 'Die worden in dure persen bij 310 C en 20 atmosfeer tot grote platen verwerkt. De vliegtuigindustrie verwerkt dit thermoplastische materiaal door het opnieuw te verhitten en er vervolgens een produkt uit te persen. Met deze methode kan een cyclus van minder dan vijf minuten bereikt worden. Fokker Special Products FSP in Hoogeveen verwerkt deze met weefsel versterkte platen in een geautomatiseerde productielijn tot ribben waarvan er in een vliegtuig tientallen zitten. In een tweede stap worden die ribben aan (7 van 11) [ :35:08]

8 thermoplastische huidvelden gelast.'daarmee verminder je de productiekosten die het gevolg zijn van klinken. Goedkoper produceren is tegenwoordig minstens zo belangrijk als gewichtsbesparing'. Vlamwerend De eerste composieten van tcac werden ondermeer toegepast in de interieurs van verkeersvliegtuigen. Deze polyetherimide[pei] heeft vlamwerende eigenschappen, is goed lasbaar en geschikt voor vormpersen maar niet bestand tegen kerosine en hydraulische vloeistoffen. Voor de viermotorige A 340 paste fsp daarom het door tcac ontwikkelde polyfenylsulfide [PPS] toe, een semi-kristallijne thermoplast met een hoge chemische bestendigheid die wordt toegepast in de door Fokker ontwikkelde J-neus voor de A 340. Het materiaal bestaat uit maximaal 32 lagen eenzijdig gelamineerd glasweefsel met een pps-folie met de merknaam Fortron. 'De gelaste composiet vervangt twee handmatig geklonken aluminiumdelen, waardoor tienduizenden klinknagels overbodig worden en de constructie twintig procent lichter wordt. Dat levert een goedkopere, sterkere, gladdere en daardoor brandstofbesparende vleugel op. Lassen is de trend, klinknagels zullen alleen nog gebruikt worden bij het samenvoegen van verschillende materialen zoals aluminium, thermoplast en Glare'. Laag gewicht Ook de ribben en profielen in het 2,5 ton wegende raamwerk tussen de vleugels voor het tweede middenste wielstel is van thermoplast, net als de rolroeren. Hiervoor wordt de PPS door TCAC gelamineerd met een weefsel van koolstofvezels om een buitengewone stijfheid te verkrijgen bij een laag gewicht. De beplating van de motorophanging, de kielbalk en de rolroeren, in totaal meer dan 250 onderdelen van de Airbus 340, worden vervaardigd bij Airbus in Toulouse. Een koolstofvoorrand van een subsone vleugel, zonder rijen pukkelige klinknagels, doet overigens denken aan het profiel van een aantrekkelijke vrouw: mooie vrouwen zijn subsoon. Corrosie Levert zo'n koolstofplaat nog galvanische corrosie op doordat hij als anode werkt? 'Dat ondervangen wij door het contact met het (8 van 11) [ :35:08]

9 laagwaardiger aluminium te isoleren door middel van een laagje glasvezel versterkte epoxy', antwoordt Van Dreumel. Een andere deskundige is minder optimistisch: 'Dat probleem hebben we nog niet goed onder controle'. Wat vindt Adriaan Beukers, hoogleraar composiete materialen en constructies aan de TU Delft, daarvan? 'Het ligt niet aan het composiet, maar aan de constructeurs, die nog in metaal denken en geen gebruik maken van de integratiemogelijkheden van thermoplasten. Door bijvoorbeeld een deur in een persmal uit één stuk te vervaardigen, kan men 10 procent van het gewicht besparen en 50 procent van de kosten'. Daarvoor komen vooral de bewegende delen zoals kleppen, roeren, de gehele staartsectie en het drukschot daarvóór, in aanmerking omdat die vèr van het zwaartepunt afliggen. 'Hier zijn metaalconstructies allang passé'. De uiterste consequentie daarvan is volgens hem, dat de Airbus 380 wel eens de grootste èn laatste van zijn soort zou kunnen zijn. 'Het verkeersvliegtuig van de toekomst is geen door dunne slanke vleugels gedragen buis maar een staartloze vliegende vleugel zoals de Amerikaanse Northrop B2- ('Stealth')bommenwerper'. De voordelen van thermoplasten zijn een verbetering van tientallen procenten van de aerodynamische en constructieve efficientie dank zij een hogere stijfheid, sterkte en weerstand tegen vermoeïng door de veel lagere spanningen in met name de vleugel met zijn grotere bouwhoogte, die naadloos overgaat in de romp. In deze vleugel kunnen de motoren worden gebouwd in plaats van eraan gehangen, zodat het toestel minder geluid maakt. Met nieuwe composieten en vormgeving vermindert de geïnduceerde weerstand die het gevolg is van de door de vleugel opgewekte draagkracht en die zich uit in grote (tip) wervels achter het toestel. Dat bepaalt de afstand tussen startende en landende vliegtuigen. Deze geïnduceerde weerstand is nog veel belangrijker dan de wrijvingsweerstand. Wanneer een passagierscabine in een vliegende vleugel nu óók draagkracht genereert, dalen de geïnduceerde weerstand en de energie-intensiteit van de wervelstraat. 'Voorwaarde is, dat de problemen van de stabiliteit -met computergestuurde kleppen - en de evacuatie van inzittenden - die immers niet meer allemaal naast een raam kunnen zitten - zijn opgelost. Een andere vraag is het ontwerp van de drukcabine, die niet langer (9 van 11) [ :35:08]

10 buisvormig kan zijn. Moderne kunststoffen LPG-tanks wijzen de richting van de oplossing. Een dergelijke dragende romp kan met thermoplast relatief eenvoudig en goedkoop vervaardigd worden in mallen die men voorziet van een textiele structuur en daarna onder vacuum volspuit met kunsthars zoals nu al gebeurt met grote jachten. In plaats van een dure autoclaaf kan men een simpele oven gebruiken.' Honderden nieuwe banen De opdracht van Airbus Industries aan Stork-Fokker om voor K 30 miljoen per jaar Glare-rompdelen te leveren voor de A 380, schept alleen al in de fabriek te Papendrecht honderden nieuwe arbeidsplaatsen. Research en 'vermarkting' van het nieuwe vliegtuigbouw-laminaat zal geschieden via het Fibre Metal Laminates Center of Competence [FMLC], waarin NLR, TU Delft en Fokker deelnemen. Met directeur ir. Jan-Willem Gunnink en 15 medewerkers moet het fmlc via de derde geldstroom - het bedrijfsleven - er nieuwe toepassingen voor vinden. 'Door de voorbehandeling van het aluminium en de autoclaaf te vervangen door een geautomatiseerd proces, kunnen de kosten met een kwart omlaag en kan het ook worden toegepast in bijvoorbeeld automobielen,' aldus de nieuwe hoogleraar dr.ir. Ad Vlot die prof. Boud Vogelesang opvolgt. 'Het FMLC wordt een interface tussen universiteit en bedrijfsleven. De eerste tijd zal het vooral gevestigde belangen moeten doorbreken, net zoals dat in de luchtvaart moest. Dat neemt ons een hoop zorgen uit handen. De staf moet zich kunnen richten op wetenschap, onderwijs en langetermijn ontwikkelingen. Luchten Ruimtevaart blijft daarnaast fundamenteel onderzoek doen waarvoor het bedrijfsleven geen adem genoeg heeft. Wij blijven een onderwijsinstelling en produceren ingenieurs en promovendi. Wij stellen niet alleen belang in Glare maar ook in andere nieuwe ontwikkelingen'. (10 van 11) [ :35:08]

11 (11 van 11) [ :35:08]