DE HANDZAME KEUKENSTOEL F. Branderhorst, L.G. van der Kamp, S.B. Koopman, M. Matthijssen & S.C. Veerman SAMENVATTING Dit artikel is de neerslag van de zoektocht naar een optimaal materiaal en vervaardiging voor een keukenstoel. Omdat het begrip keukenstoel als zodanig niet bestaat, is een omschrijving van de functie en de consequenties daarvan voor de geometrie noodzakelijk. Door de vele soorten van gebruik, dient de stoel handzaam te zijn. Het mag niet teveel obstakels hebben en men moet snel kunnen gaan zitten en opstaan. Al deze verschillende soorten van gebruik leiden tot verschillende, vaak concurrerende eisen, die allemaal een plaats in het ontwerp van een keukenstoel dienen te krijgen. Uit de vergelijking van vijf bestaande combinaties van materialen in keukenstoelen (hout/metaal, hout/kunststof, kunststof/kunststof, metaal/metaal en hout/hout) op materiaalafhankelijke eigenschappen; duurzaamheid, kostprijs, hygiëne, gewicht, comfort, recycling en milieubelasting blijkt kunststof de beste optie te zijn. Het is comfortabel, hygiënisch en kan goed tegen vocht. In tegenstelling tot metaal dat kil aanvoelt en milieubelastend is en hout wat geen vocht en bacteriën afweert. Er moet gezocht worden naar de beste balans tussen gewicht, duurzaamheid (incl. stijfheid en sterkte), hittebestendigheid, kostprijs en recyclebaarheid. Daarnaast moet de kunststof aan de volgende voorwaarden voldoen: Maximale gebruikstemperatuur hoger dan 105 graden, zodat het niet aangetast kan worden door hete vloeistoffen die in de keuken gebruikt worden. Prijs lager dan fl.4,30 per kilo, wat ervoor zorgt dat de kostprijs van de stoel onder de fl.30,- blijft. E-modulus hoger dan 1000 MPa Buigspanning hoger dan 60 MPa De opties zijn: PP, PP 30%glas, PA 6, PA 6 30%glas, POM, POM 30%glas, PBT. PP 30%glas is de beste optie door de lage prijs en de lage milieubelasting. Het is mogelijk PP te vullen met andere materialen waarmee ook de juiste eigenschappen verkregen kunnen worden. Bijvoorbeeld natuurlijke vezels of PP-vezels. Bij de ontwikkeling van deze technieken ligt de nadruk op de reductie van de milieubelasting van de composietmaterialen. Beide technieken staan nog in de kinderschoenen. De opties van de fabricage zijn rotatiegieten, multi-shot spuitgieten, gasinjectie. De beste mogelijkheid voor massafabricage van producten van gevuld PP is d.m.v. multi-shot spuitgieten. Dit spuitgietproces zorgt voor een grote sterke en stijfheid door het gebruik van het vezelversterkte PP en een mooi hygiënisch oppervlak door het laagje PP aan de buitenkant van het product. Deze combinatie van materiaal en vervaardiging levert een goedkope, handzame stoel op, die door zijn juiste eigenschappen in de keuken zeer goed op zijn plaats is. INLEIDING De keuken is een ruimte waarin veel verschillende activiteiten plaatsvinden. De keukenstoel is daarom onderhevig aan allerlei soorten gebruik. De keukenstoel wordt doorgaans gebruikt tijdens het eten. De stoel is vooral bedoeld voor actieve doeleinden. De houding tijdens het eten is actief, net als de houding bij het lezen of het spelen van een spelletje. De stoel heeft meestal geen armleuningen en kan van allerlei soorten materiaal gemaakt worden. De prijsklasse ligt ongeveer tot fl. 200 gulden. De keukenstoel wordt natuurlijk in eerste instantie gebruikt als stoel, maar onder andere ook als trapje, kapstok en bijzettafel. De keuken is daarnaast een plaats waar veel met levensmiddelen wordt gewerkt. Al deze verschillende soorten van gebruik leiden tot veel verschillende, vaak concurrerende eisen, die allemaal een plaats in het ontwerp van een keukenstoel dienen te krijgen. Daarbij wordt de mate van belangrijkheid van bepaalde eisen gekarakteriseerd door het specifieke gebruik van de keukenstoel. 1
DE HUIDIGE KEUKENSTOEL Keukenstoelen komen in vele verschijningen voor, in dit onderzoek wordt onderscheid gemaakt tussen vijf verschillende soorten. Een stoel van metaal en kunststof bestaat meestal uit een frame van metalen buizen met een kunststof zitting en rugleuning. Het voordeel van de combinatie van materialen is dat een metalen frame meer sterkte en stijfheid geeft dan een kunststof frame en kunststof zitdelen beter zitten dan metalen zitdelen. Een tweede combinatie is te vinden in stoelen met doorgaans een stalen frame en een gelamineerde houten zitting en rugleuning. Laminaat leent zich niet of nauwelijks voor recycling, maar staal en aluminium wel. Vooral aluminium levert wel een zware milieubelasting tijdens productie. Een derde mogelijkheid is de wat ouderwetse keukenstoel die geheel uit hout gemaakt is. De stoelen worden aangeschaft om hun natuurlijke uitstraling en het comfortabele oppervlak. Er zijn een aantal veelgebruikte houtsoorten voor (keuken-) stoelen. Dit zijn onder andere Vuren, Grenen, Eiken, Berken, Beuken, Okoumé, Meranti, Teak en Rubberboomhout. Vervolgens zijn er de volledig metalen stoelen waar een aantal grote voordelen aan zitten. Een keukenstoel uit metaal is makkelijk te reinigen, duurzaam en esthetisch verantwoord. De metalen die gebruikt worden zijn aluminium- en staallegeringen. Kunststofstoelen zijn te onderscheiden als de vijfde groep. Ze worden buiten de toepassingen voor in de tuin, nog niet veelvuldig gebruikt in huishoudelijke omgeving. Kunststof wordt over het algemeen ervaren als een goedkoop en niet-duurzaam materiaal, hoewel het toch goede eigenschappen bezit. Het is comfortabel, hygiënisch en kan goed tegen vocht. (Ideale eigenschappen voor in de keuken.) Keukens zijn vaak niet zo groot. Daardoor worden het totale volume dat de stoel inneemt, de mate van verschuifbaarheid, maar ook de opbergbaarheid van meerdere stoelen belangrijk. De mate van comfort van de stoel zal concurrerend zijn met het ingenomen volume, maar vooral ook het gewicht speelt bij al deze aspecten een rol. Het veelvuldig gebruik van levensmiddelen leidt ertoe dat de hygiëne, zoals de weerstand tegen schoonmaakmiddelen en het gemak ervan, rond de keukenstoel veel belangrijker zijn dan het esthetische uiterlijk van de stoel. Ook sterkte, stijfheid en de mate van slijtage van een stoel zijn erg belangrijk en staan tegenover de kostprijs van de stoel. Tegenwoordig leven we in een samenleving waarin mensen elke paar jaar nieuwe producten willen. De mate van weerstand tegen slijtage van een stoel zal dan ook als minder belangrijk ervaren worden en zal er meer gelet worden op de prijs. Al deze concurrerende eisen geven de ruimte aan waarbinnen de keukenstoel ontworpen dient te worden. Vier van de beschreven aspecten uit deze ontwerpruimte zullen dienen als ankers om de verdere optimalisatie aan op te hangen. Het is interessant om op basis van deze punten de vijf soorten stoelen met elkaar te vergelijken, om vervolgens de meest kansrijke verder te optimaliseren. GEWICHT Het gewicht van een stoel is natuurlijk niet alleen afhankelijk van de dichtheid van het gebruikte materiaal, maar is ook afhankelijk van de materiaaleigenschappen. Kunststof heeft een vrij lage dichtheid, lager dan metaal en soms gelijk aan die van hout. Het gewicht van een kunststof stoel kan vrij laag gehouden door schaaldelen toe te passen met een zo klein mogelijke wanddikte. Een metalen frame is zwaarder dan een kunststof of een houten 2
frame, maar veel sterker en stijver. Hiervoor kunnen in verhouding buizen met een kleinere diameter en wanddikte gebruikt worden, waardoor het gewichtverschil kleiner wordt. Aluminium weegt ongeveer 2650 kg/m³. Het gewicht van staal is een factor 3 hoger. Aangezien het aluminium minder stijf is, is er meer materiaal nodig om een goede constructie te verwezenlijken. Als de stoel volledig van metaal is, zal het gewicht van een aluminium stoel tussen de 2 en 4 kg liggen en een stalen stoel zal ongeveer 4 tot 8 kg wegen. De combinatie van laminaat met stalen en aluminium constructies leent zich voor elegante lichte vormen. Het gewicht varieert van 2 tot 4 kilo. Het gewicht van volledig houten stoel hangt af van de constructie en het soort hout dat men gebruikt. Het soortelijk gewicht van vurenhout is bijvoorbeeld ongeveer tweederde van het gewicht van eiken. HYGIËNE Een kunststoffen of metalen stoel kan met een glad oppervlak vervaardigd worden en samen met een juist ontwerp ontstaat een stoel zonder oneffenheden die goed en makkelijk schoon te maken is. Het ontwerp is van belang omdat de vorm een vlak oppervlak en geen moeilijk bereikbare plaatsen mag hebben. Daarnaast hebben de meeste kunststoffen een geringe wateropname. Vergeleken met stoelen die volledig van kunststof of metaal gemaakt zijn, zijn er in een houten stoel meer mogelijkheden voor vuil om zich op te hopen tussen de verschillende delen. In het hout kunnen tevens kleine krassen of beschadigingen ontstaan. Dan is er voor bacteriën en houtrot vrij spel. De onbewerkte houtsoorten zijn allen gevoelig voor vocht e.d. Alleen beukenhout mag in aanraking komen met voedsel. Dit is het enige hout dat kleur- en smaakloos is. Bij allen geldt dus dat er een nabehandeling moet plaatsvinden. DUURZAAMHEID Een stoel van een metalen frame met een zitting en rugleuning van kunststof kan met de juiste dimensies en bevestigingsmiddelen vrij lang meegaan. Staal, aluminium en bepaalde kunststoffen hebben hiervoor de juiste sterkte en stijfheids eigenschappen. Belangrijk hierbij is dat de vormgeving niet modegevoelig dient te zijn, omdat de stoel anders te snel weggegooid wordt. Daarnaast biedt het gebruik van kunststof (van oorsprong niet erg milieuvriendelijk) mogelijkheden tot toepassingen van nieuwe materialen, zoals bio-plastics en composieten met natuurlijke materialen. De kunststof is niet zo gevoelig voor beschadigingen zoals krassen. De eigenschap waar kunststof stoelen het eerste op falen is scheurvorming door vermoeiing. Dit is op te lossen door een andere kunststof te gebruiken en de vorm aan te passen. Tegenwoordig kan de duurzaamheid in sterke mate verbeterd worden. De stoelen worden na afdanking teruggenomen en na vermalen en compounderen herverwerkt met behulp van tweecomponentenspuitgieten. Het herverwerkte materiaal komt als een kern in een compacte schil van virgin materiaal. Een stoel volledig van éénzelfde metaallegering zal zeer goed recyclebaar zijn. Wanneer er voor de zitting en het frame verschillende soorten legeringen gebruikt worden en deze onlosmakelijk met elkaar verbonden zijn, zal het verwerken moeilijker zijn. Ook al is een houten keukenstoel mechanisch gezien erg duurzaam, de oppervlaktekwaliteit van het hout laat echter soms te wensen over, voornamelijk in een Door langdurig gebruik is er vaak sprake van ruw hout aan de oppervlakte. Houtrot treedt dan mogelijk op doordat plaatselijk coating ontbreekt, er ontstaat een lucht- en watertunnel. Dit is te zien in het hek hierboven, waar het oppervlak door de bevestigingsmiddelen onderbroken is. 3
KOSTPRIJS Kunstoffen- of metalen stoelen kunnen in veel verschillende prijsklassen aangeschaft worden. Eenvoudige stoelen zijn al verkrijgbaar vanaf fl.50,-. Voor prijzen hierboven geldt hoe hoger de prijs hoe hoger de kwaliteit, dit loopt op naar fl.150,- tot fl.200,-. Houten stoelen, eventueel in combinatie met metaal kunnen wel degelijk voor een lage prijs worden aangeschaft. Zo zijn er stoelen te vinden van IKEA voor fl.39,-. Andere merken, waarbij de stoel als een exclusief design wordt gepresenteerd, vragen evengoed fl.300,- tot fl.400,- voor een vergelijkbare stoel. Aluminium is weer erg prijzig, omdat het verwerken van het bauxiet veel energie kost. Als gerecycled aluminium gebruikt wordt, zal de prijs danig gaan zakken. Een stoel gemaakt van staal zal ook prijzig zijn omdat een roestvaste legering gebruikt wordt met een redelijke hoeveelheid chroom. Staal is goedkoper dan aluminium. Door de designuitstraling van metaal worden de stoelen vaak voor een hoge prijs verkocht, zo rond de fl.400,-. De kostprijs van kunststof stoelen loopt erg uiteen. Er zijn zeer goedkope stoelen (ca. Fl.50,-) verkrijgbaar, welke bij intensief gebruik niet lang meegaan. Daarnaast zijn er zeer duurzame stoelen van kunststof te koop, maar dit is in de prijsvan ca. Fl.300,- ook te merken. WAAROM KUNSTSTOF? Metaal (staal/aluminium) is eigenlijk wat betreft hygiëne het perfecte materiaal voor een keukenstoel. Het scoort echter slecht op andere punten, vooral comfort en milieubelasting, waardoor deze optie afvalt. Hout is een materiaal dat op veel punten goed scoort, maar qua hygiëne nadelen heeft. Aangezien dit juist voor in de keuken een belangrijk punt is, valt hout als materiaal af. Kunststof is een materiaal dat vrij geschikt is op alle punten, vooral als de stoel alleen uit kunststof bestaat. Dit is dus een kansrijke mogelijkheid. Samengestelde stoelen scoren gemiddeld; ze zijn natuurlijk het gemiddelde van de materialen waaruit ze zijn samengesteld. Hierbij scoort hout/metaal het minst, omdat het gebruikte hout in dit geval meestal laminaat is en dit qua recycling en milieubelasting minder geschikt is. Kunststof biedt als materiaal voor een keukenstoel de meest kansrijke mogelijkheden. Hierbij is het nog onduidelijk of men moet kijken naar een stoel uit één geheel of een stoel samengesteld uit onderdelen. Het is namelijk de vraag of de eerste mogelijkheid wel genoeg stijfheid heeft voor het multifunctionele karakter van de keukenstoel. Kunststof is als materiaal voor een keukenstoel ook een goede uitdaging. Vele mogelijkheden liggen nog open op dit gebied. Er kan gezocht worden naar nieuwe (samengestelde) kunststoffen of andere vulstoffen. Een interessant gebied is zoeken naar oplossingen voor betere recycling en lagere milieubelasting. EISEN AAN EEN HET NIEUWE MATERIAAL Volgens de richtlijnen uit de literatuur moet de zitting van een actieve stoel 46cm breed, 40cm diep en 43cm hoog zijn. De leuning van de stoel moet vanaf de zitting 33cm hoog zijn. De massa van de stoel moet minimaal 1kg en maximaal 3,5kg zijn. Als de stoel te licht wordt, is deze niet stabiel genoeg meer. Het product moet een neerwaartse kracht van 2000N op de zitting kunnen verdragen. Dit is gebaseerd op het gewicht van twee personen die bij elkaar op schoot zitten. Het product moet een neerwaartse kracht van 1080N op de rugleuning en een zijwaartse kracht van 550N op de rugleuning kunnen verdragen, gebaseerd op het gewicht van het bovenlichaam bij een p95 vrouw. Voor de te ontwerpen keukenstoel zijn de volgende eisen opgesteld: 4
De maximale gebruikstemperatuur is 105 C Deze temperatuur volgt direct uit het idee dat er een hete pan op de stoel geplaatst kan worden, zonder blijvende schade. De materiaalprijs moet lager zijn dan fl.4,30 per kilo Voor de keukenstoel is het uitgangspunt een verkoopprijs van maximaal fl.100,-. De fabricagekosten bedragen over het algemeen 30 tot 40 % van de kostprijs. De fabricagekostprijs is dus maximaal fl.30,-. De materiaalkosten zijn globaal 40 tot 50 % bedragen van de fabricagekostprijs en zijn dus maximaal fl.15,-. Het maximale gewicht van de stoel is 3.5 kg. Hieruit volgt dat de prijs per kilo lager moet zijn dan fl.4,30. De E-modulus moet hoger zijn dan 1000 MPa. Er is uitgegaan van een berekening aan de poten, waar een kracht op komt te staan van 2000N/4 = 500N. Voor de veiligheid is er 750N genomen. Omdat de geometrie van de stoel niet vaststaat worden er enkele schattingen gebruikt voor de maten. Hierdoor kan er een schatting gegeven worden van de E-modulus en is gebleken dat de meeste vormen en grootten van poten aan de belasting van 750 N kunnen voldoen, mits het materiaal een E-modulus heeft van 1000 MPa. Het materiaal moet minimaal een buigsterkte van 60 MPa hebben. Er is gevarieerd in hoogte van de zitting en de wanddikte. Hieruit blijkt dat er in de zitting spanningen van 30-60 MPa kunnen optreden. Er blijkt ook dat de stoel bij optimale dimensies ongeveer 2,5 kilo weegt. Deze vier zijn de belangrijkste eisen aan het materiaal. INTERESSANTE MATERIALEN Goede duurzaamheid, te verkrijgen door gebruik van vezelversterkte kunststoffen, gaat ten koste van kostprijs, gewicht en recycling. Lage kostprijs, bijvoorbeeld als men gebruik maakt van gangbare spuitgietkunststof als PP, gaat ten koste van hittebestendigheid, duurzaamheid en een goede hittebestendigheid, zoals polymeer met vulstof gaat ten koste van recycling en vaak kostprijs. De eisen hebben geresulteerd in een aantal mogelijke kunststoffen die gebruikt zouden kunnen worden voor een stoel, een overzicht is weergegeven in tabel 1. Tabel 1 Overzicht van geselecteerde kunststoffen Materiaal Prijs E-modulus Buigspaning (NLG) (MPa) (MPa) PP 1,90-2,69 1100-1550 32-50 PP 30%glas 3,70-4,26 2500-5000 75 PA 6 5,04 6,61 2300-2500 110-120 PA 6 30%glas 5,38 5,82 7500-9500 270 POM 5,38 6,50 2900-3500 50-80 POM 30%glas 5,82 6,94 5200 90-100 PBT 5,71 7,39 85-125 De materialen PA 6, POM en PBT hebben wel goede eigenschappen, maar daarvan is de prijs hoger dan fl.4,30. Het enige materiaal dat aan alle eisen voldoet is PP 30% glas. PP zelf komt er ook dicht bij in de buurt, maar heeft een te lage buigspanning en een lagere gebruikstemperatuur dan 105 C. Gekozen is voor PP 30% glas. Deze heeft bovendien ook de laagste eco-indicator, wat het milieu-technisch interessant maakt. 5
Glasvezelgevuld PP kan makkelijk gerecycled worden, het is goedkoop, stijf en sterk. Toch zit er ook een nadeel aan. Glasvezels krimpen niet tijdens het proces en het PP wel. Daarom ontstaat er een oppervlak met een lichte structuur. Glasvezels zijn een goede optie om de eigenschappen van PP die niet voldoen te verbeteren. MOGELIJKHEDEN MET PP Het is mogelijk om de eigenschappen van polypropyleen (PP) via vulmogelijkheden te manipuleren, zodat ze aan de specifieke omstandigheden van de toepassing kunnen worden aangepast. Vaak zijn bepaalde eisen echter strijdig, soms zelfs binnen één onderdeel. Voor de poot is aan de ene kant een grote wrijving en demping gewenst, maar hij dient ook voldoende stijf te zijn. In een stoel wordt er gezocht naar een stijve en sterke constructie, maar het materiaal moet tevens temperatuurbestendig zijn en het gewicht en de kostprijs dienen ook niet vergeten te worden. Er dient een middenweg gevonden te worden, vooral als er niet gekozen wordt voor een fysieke scheiding van onderdelen. Voor de stoel is in dit geval het belangrijkst dat de buigsterkte verhoogd wordt, omdat deze onder de minimale waarde ligt. Een van de redenen dat PP gekozen is, is omdat dit gemakkelijk via vezels te realiseren is. De strijdigheid van bepaalde eisen is al eerder grotendeels opgelost door voor het materiaal PP te kiezen. Er zullen verschillende mogelijkheden van vulstoffen genoemd worden, onderverdeeld in synthetische-, natuurlijke- en PP vezels. PP MET SYNTHETISCHE VEZELS Er zijn verschillende soorten synthetische vezelmaterialen in omloop. Voorbeelden zijn Mica, Carbon en glasvezels. Tabel 2 Eigenschappen van mineraal gevuld PP Eigenschap PP 40% Mica 40% Calcium-carb. 30% Glas Treksterkte (MPa) 32 43 19 43 Buigsterkte (MPa) 31 65 32 70 Heat deflection (C ) 56 108 84 125 CALCIUMCARBONAAT-VEZELS Calciumcarbonaat-vezels zijn minerale vezels die veel worden toegepast, maar die door hun lagere trek- en buigsterkte duidelijk minder geschikt zijn in toepassingen die hoge eisen stellen aan de mechanische eigenschappen. Mica is een verzamelnaam voor vezelmaterialen gebaseerd op aluminiumsilicaten, die het materiaal een voornamelijk zwarte kleur geven. Glasvezel is de synthetische vulling die voor constructieve doeleinden het meest wordt toegepast. Als deze vezels vergeleken worden (zie tabel 3) hebben glasvezels en Mica de beste mechanische eigenschappen. Het nadeel van Mica is echter de zwarte kleur. Glasvezels blijven de beste oplossing om PP te versterken. Een belangrijk aspect tijdens de productie is de fijnheid waarmee de vezels vermalen worden voor gebruik. Dit beïnvloed de lengte van de vezels en zo de mechanische eigenschappen van het materiaal. PP MET NATUURLIJKE VEZELS Een andere, vrij nieuwe mogelijkheid om PP te vullen is met natuurlijke vezels, zoals vlas, hennep en jute. Deze natuurlijke vezels zijn momenteel als milieuvriendelijk beoordeeld en gelden als goedkoper alternatief voor glasvezels. De vezels hebben mechanische eigenschappen vergelijkbaar met de synthetische. De reden dat de natuurlijke vezels vaak worden vergeleken met de synthetische, is omdat ze deze laatste uiteindelijk zullen moeten vervangen. In de tabel staan gegevens van PP met enkele natuurlijke vezels en synthetische vezels vermeld om een indicatie te geven van de verschillen en overeenkomsten. 6
Tabel 3 Gegevens over PP met natuurlijke vezels Materiaal Dichtheid Treksterkte (kg/m3) (MPa) PP 905-945 36,3-250 PP/ 30%glas 1170 70,8 PP/ 30%vlas 1050 52 PP/ 40%kenaf 1150 55,8 PP/ 30%jute 1050 49 De natuurlijke vezels bevatten interessante voordelen ten opzichte van de synthetische vezels: Natuurlijke vezels zijn lichter, goedkoper, biodegradeerbaar, en geven minder problemen in verband met gezondheid, zoals huidirritaties. Sommige natuurlijke vezels hebben dezelfde eigenschappen als glas. Er kan tevens een meerwaarde meegegeven worden door de inzet van natuurlijke grondstoffen. Er zijn echter ook een paar belangrijke nadelen. De natuurlijke vezels zijn erg temperatuurgevoelig, hebben de neiging om te degraderen rond de verwerkingstemperatuur van de meeste thermoplasten, zijn gevoelig voor vochtopname en de treksterkte, buigsterkte en slagsterkte zijn relatief laag in vergelijking tot glasvezels. Er is op dit moment nog geen kennis over natuurlijke vezels in massafabricage. Er zijn tevens nog te weinig materiaalgegevens bekend en is er een gebrek aan productvoorbeelden om de natuurlijke composieten grootschalig toe te passen. Er wordt nog veel onderzoek gedaan naar de toepassingen van natuurvezels. Een van de gebieden waar verbeteringen gezocht worden is de weerstand tegen vocht. Een gevonden oplossing voor dit probleem is om de vezels met stoom te behandelen. Tijdens dit proces komt er een olieachtige coating om de vezels heen, waardoor de eindproducten goed tegen vocht kunnen. Ook voor andere problemen dienen oplossingen gezocht te worden om de natuurlijke composieten een grootschalige toekomst te bezorgen. De vraag rijst ook hoe milieuvriendelijk het gebruik van natuurlijke vezels eigenlijk is. Door de problemen met de recycling en herverwerking door de thermische degradatie stijgt de ecoindicator. Vooral bij een goed recyclebaar polymeer zoals PP kan het gebruik van natuurlijke vezels de recyclebaarheid negatief beïnvloeden. PP met vezels van PP Door de problemen die ontstaan bij het gebruiken van vulmiddelen in PP, is er een soort all-pp composiet ontwikkelt. Bij deze techniek worden vezels van PP of PE gemaakt door ze op te rollen. Deze vezels worden vervolgens vermengd met PP, waardoor er een met PP vezels versterkt PP ontstaat. Deze composiet kan binnen een klein temperatuurbereik gespuitgiet worden, omdat de PP vezels een smeltpunt hebben dat iets boven het smeltpunt van PP ligt. Als de composiet verwarmd wordt tot boven het smeltpunt van de PP vezels, ontstaat er weer schoon PP. Het materiaal is dus ecologisch en economisch interessant. Doordat het oorspronkelijke materiaal weer verkregen wordt, is het goed recyclebaar en is het voor een bedrijf opnieuw te gebruiken. De eigenschappen van de composiet zijn veelbelovend. De composiet kan op basis van gewicht glasvezelversterkt PP voorbij streven. Daarnaast heeft het goede eigenschappen met betrekking tot sterkte en slagsterkte door de geleidbaarheid van de PP vezels. Essentieel voor deze composiet is dat de PP vezel en de matrix geoptimaliseerd worden met betrekking tot de structuur, verwerking en gedrag. Het materiaal is nog in opkomst. Er wordt veel onderzoek in gedaan. Er zijn op dit moment weinig materiaalgegevens bekend en de techniek is nog niet verder gebruikt dan voor onderzoeksdoeleinden. 7
MATERIAALKEUZE De materialen die beschouwd zijn om de stoel van te fabriceren, voldoen allemaal niet geheel aan de eisen zoals deze gesteld zijn in het programma van eisen. Als vezel zullen synthetische glasvezels worden gebruikt, omdat deze met betrekking tot andere mogelijke vezels de beste eigenschappen in combinatie met PP hebben. Ze verhogen precies die eigenschappen, waarbij dat noodzakelijk is. De glasvezels brengen de buigsterkte op een goed niveau en verhogen ook enigszins de gebruikstemperatuur. Vezelversterkt PP voldoet aan alle eisen, maar heeft een niet al te glad oppervlak, doordat PP wel krimpt en de vezels niet. Om toch aan deze eis te kunnen voldoen en ten volste van de goede eigenschappen van materialen gebruik te kunnen maken moet er op zoek gegaan worden naar een fabricagetechniek die dit teweeg kan brengen. MOGELIJKE FABRICAGETECHNIEKEN Er wordt gekeken naar de fabricage-mogelijkheden zoals deze in eerste instantie het meest geschikt lijken bij het materiaal vezelgevuld PP en het product keukenstoel, vooral op het gebied van massafabricage. Er zijn wel andere technieken te noemen speciaal voor vezelgevulde kunststoffen, maar deze zijn vooral gebaseerd op enkel- of serie fabricage. Rotatiegieten, spuitgieten en vacuümvormen zijn mogelijk relevante technieken. Rotatiegieten geeft de mogelijkheid meerdere lagen toe te passen. Het is een methode waarbij een stoel vervaardigd kan worden zonder ribben, waardoor een volledig vlak oppervlak ontstaat. Daarnaast kunnen er voorzieningen in de matrijs aangebracht worden, waardoor de stoel stapelbaar wordt. Nadelen zijn echter dat de stoel een wanddikte van minimaal 5 mm heeft om de juiste stijfheid te verkrijgen, dit is ten nadele van het gewicht van de stoel. Ook is deze methode eigenlijk niet geschikt voor massafabricage. Bij het spuitgieten zijn er vele verschillende technieken mogelijk, zoals normaal spuitgieten of 2- componenten spuitgieten, waarbij in een matrijsholte simultaan meerdere kunststoffen gespoten worden. Met multi-shot spuitgieten kan men gebruik maken van meerdere materialen en hun eigenschappen. Er kan een materiaal aan de buitenkant geplaatst worden en een ander aan de binnenkant gespoten worden. Multi-shot spuitgieten is een vrij nieuwe methode die een toevoeging heeft op het gewone spuitgietproces, waardoor er een oplossing gevonden is voor het wat oneffen karakter van vezelgevuld PP. Door als buitenste laag PP te gebruiken om een glad oppervlak te creëren en als binnenlaag vezelversterkt PP te gebruiken voor de benodigde stijfheid en sterkte, kunnen de goede eigenschappen van beide materialen gebruikt worden. Via deze methode kan de stoel ook uit een stuk vervaardigd worden. Een nadeel is dat er waarschijnlijk buitenliggende ribben zijn waar een oplossing voor gevonden moet worden. Het vacuümvormen wordt vooral toegepast bij producten die een open onderkant hebben. Met vacuümvormen is het mogelijk zeer dunwandig te construeren. Een laatste methode is gasinjectie, dit kan vooral gebruikt worden als de stoel toch uit meerder onderdelen wordt opgebouwd. Deze methode is uitstekend geschikt om holle onderdelen te maken, waardoor bepaalde onderdelen rib-vrij gemaakt kunnen worden. Een nadeel van de stoel opbouwen uit verschillende onderdelen is natuurlijk dat er randen ontstaan waar de onderdelen worden samengevoegd, hier kunnen extra vuilophopingen ontstaan. Op dit moment lijkt multi-shot spuitgieten de beste oplossing als vervaardigingstechniek brengen. Men kan hier twee materiaalsoorten naast elkaar gebruiken. Er kan gebruik gemaakt worden van de gladde eigenschappen van PP voor de oppervlakte van een stoel en voor de binnenkant kan een vezelversterkt PP gebruikt worden om toch de benodigde sterkte en stijfheid te behalen. Het multi-shot spuitgieten wordt nog niet zo lang toegepast en kan vernieuwend werken voor het uiteindelijke ontwerp. Rotatiegieten valt als eerste af, omdat het te duur is voor massafabricage. Voor gasinjectie geldt dat het meer een extra methode naast multi-shot spuitgieten is als de stoel uit verschillende onderdelen wordt opgebouwd. Aan de hand van deze methode(s) dient de geometrie van de stoel geoptimaliseerd te worden en volledig aangepast aan de fabricagemethode(s). Dit is een ontwikkelingsproces op zich en hier dient verder onderzoek naar gedaan te worden. GEOMETRIE Uit de functie van de keukenstoel komen eisen voort met betrekking tot de vorm en afmetingen van de stoel. Zo zal de stoel zoveel mogelijk uit een stuk vervaardigd moeten worden, om de kosten zo laag mogelijk te houden. De stoel dient stevig genoeg te zijn, waardoor er waarschijnlijk enige ribben en opstaande randen gebruikt zullen worden. Daarnaast is het 8
belangrijkst dat de oppervlakte van de stoel glad is en er zo weinig mogelijk richels en opstaande randen zijn, omdat daar vuilophoping mogelijk is. Om de keuken ruim te houden moet de stoel een zo klein mogelijk oppervlak innemen en stapelbaar zijn. Bovendien dient er rekening gehouden te worden met de ergonomische maten. Hierbij is het van belang dat de stoel niet te laag of te hoog is en dat de rug goed ondersteund wordt. NABIJE TOEKOMST Een andere oplossing om vezelgevuld PP milieuvriendelijker te maken is om natuurlijke in plaats van synthetische vezels te gebruiken. De voordelen hiervan zijn vooral dat natuurlijke vezels hernieuwbaar en overal beschikbaar zijn, waardoor de productie van de vezels minder milieubelastend is. Daarnaast zijn de specifieke voordelen met betrekking tot een stoel het lagere gewicht en kostprijs. Hiermee kunnen met de juiste hoeveelheid natuurlijke vezels dezelfde mechanische eigenschappen als glasvezels gehaald worden. De nadelen voorkomen op dit moment grootscheepse toepassingen. Behalve de temperatuuren vochtgevoeligheid, zijn er weinig gegevens bekend met betrekking tot massafabricage. Ontwikkelingen op dit gebied dienen ook gevolgd te worden en toepassingen zijn waarschijnlijk in korte termijn mogelijk. Tegenwoordig neemt het besef in de richting van milieuvriendelijkheid en recyclebaarheid toe. Wetgeving en de vraag van consumenten zullen producenten dwingen om het milieuaspect in alle levensstadia van een product te integreren. Bij de ontwikkeling van vezels ziet men dus ook dat de aandacht ligt bij het reduceren van de milieu-impact van de composiet. Op dit moment zijn er weinig mogelijkheden om deze filosofie optimaal toe te passen. PP is al een zeer goed recyclebaar materiaal, alleen geven de vulmiddelen die de specifieke eigenschappen verzorgen problemen. De ontwikkeling van PP-vezels is hierbij veelbelovend. Deze methode maakt gebruik van de goede eigenschappen van PP, zoals kostprijs, gewicht en een goede recyclebaarheid om de nadelen met betrekking tot stijfheid en sterkte op te lossen. Na verhitting boven het smeltpunt van de vezels blijft homogeen PP over. Dit biedt grote voordelen met betrekking tot hergebruik en het gebruik van PP-vezels is (voorlopig) de enige mogelijkheid om dit te bewerkstelligen. Andere vulmiddelen, zelfs natuurlijke, vervuilen het PP, waardoor de toepassingsmogelijkheden na recyclen afnemen. De PP-PP techniek staat echter in de kinderschoenen, maar is op lange termijn zeker interessant en dient van nabij gevolgd te worden. Tot die tijd zal een andere, liefst milieuvriendelijke oplossing gebruikt moeten worden. 9
UTH UTH Artikel IDE442 MATERIALISEREN 2001 LITERATUURLIJST Boeken American Society of civil engineers (1996). Mechanical Connections in Wood Structures. New York: ASCE Centrum hout (1991). Ontwerpen met gelamineerd hout. Bussum: Centrum Hout, 1990. Dirken, H.(1997). Productergonomie Ontwerpen voor gebruikers. Delft: Delft University Press. Dalen, M.W. van (1982). Kunststoffen - serie io bijzondere onderwerpen deel 5. Faculteit van het Industrieel Ontwerpen. Gere, J.M.; Timoshenko, S.P. (1991). Mechanics of Materials. London: Chapman and Hall. Gupta, V.B.; Kothari, V.K. (1997). Manufactured fibre technology. London: Chapman & Hall. Haak, prof. A.J.H.; Leever- van de Burgh, ir.d. (1994). De menselijke maat. Delft: Delftse Universitaire Pers. Kandachar, dr. P.V (november 2000). IDE 442 dictaat Materialiseren Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie, Subfaculteit Industrieel Ontwerpen. Moore Jr, E.P. (1996). Polypropylene handbook. Munich: Hanser.Mourik, dr.ir. van; Dam, dr.ir. van (1996). Materiaalkunde voor Ontwerpers. Delft: Delftse Universitaire Pers. Spoormaker, J.L., (maart 1999) IDE440 dictaat, deel B, Konstructieleer 4, Faculteit Ontwerp, Constructie en Productie, Subfaculteit Industrieel Ontwerpen. Tan, S.(1988). Verwerkingstechnieken voor kunststoffen - serie io bijzondere onderwerpen deel 17. Faculteit van het Industrieel Ontwerpen. NEN-bundel 1: NPR 3637 en NPR 3638 Artikelen Federatie NRK, Vereniging FME-CWM (2000). Breed informatie-aanbod in Vezelversterkte kunststoffen in constructieve toepassingen : Kunststof magazine, vol.12, nr. 1, februari 2000. Kandachar, dr. P.V. (2000). Designing with natural fibre composites: International workshop on Development of natural polymers and composites in East Africa, Arusha, Tanzania, 25-29 sept 2000. Tomberg, R. (1992). Nieuwste stoel van Mondial bestaat voor 100% uit kunststof: Kunststof magazine, vol.4, nr. 11, november 1992, p. 36-37. Weterings, R. (2001). Rotatiegieten alhoewel vaak onbekend blijft groeien: Kunststof en Rubber, nr. 1, januari 2001, p. 32-33 Folders IKEA folders Kembo folder Iris, Postbus 276, 3900 AG, Veenendaal, Nederland, tel:0318-544444. Kembo folder TG2, Postbus 276, 3900 AG, Veenendaal, Nederland, tel:0318-544444. Internetpagina s HTUhttp://www.alpi-nederland.nl HTUhttp://www.af.nlUTH HTUhttp://www.britesite.com/werk/folder2.pdfUTH HTUhttp://www.chem.tue.nl/skt/info/people/posters/polymeric.htmUTH HTUhttp://emmei.it/eng/index.htmlUTH HTUhttp://www.eng.nus.edu.sg/mpe/Polymer/kazuprofile/polymercomposites/polymercomposites.htmlUTH HTUhttp://www.geplastics.com HTUhttp://www.ikea.nlUTH HTUhttp://www.io.tudelft.nl/research/dfs/idemat/index.htmUTH HTUhttp://www.kunststofnet.nlUTH HTUhttp://www.kunststofonline.nlUTH HTUhttp://mgstech.com/multishot_molding/engineering_study/index.htmUTH 10
UTH Artikel IDE442 MATERIALISEREN 2001 HTUhttp://www.nkmfgtech.com/multishot.htmUTH HTUhttp://www.nrk.nlUTH HTUhttp://www.pvt.nlUTH HTUhttp://www.sicomp.se/Conference/SICOMPConference2000/Abstracts/Pejs.htmlUTH HTUhttp://www.vraagenaanbod.nl HTUhttp://www.weidmann-plastics.comUTH 11