Auteur: Karl D’haveloose

Machine- en bewegingstechnologieën beleven een nieuw tijdperk van op polymeren gebaseerde engineering. Met bovenstaande AI-visual hebben we alvast uw aandacht getriggerd, maar we willen gewoon aan u kwijt dat thermoplasten in het algemeen met exponentiële snelheid hun adaptie vinden in machinebouw en mechatronica. Enkel de engineeringexpertise beperkt nog veel businesscases.

Vooruitgang in de polymeerwetenschap leidt binnen vijf jaar tot een tienvoudige toename (u leest het goed) van het gebruik van kunststoffen in bewegingscontrolecomponenten. Nieuwe thermoplastische composieten benaderen de sterkte en modulus van metaal, maar met een 40% lagere dichtheid, wat lichtere, sterkere onderdelen mogelijk maakt. Spuitgieten van complexe geometrieën in één stuk vermindert de productietijd en het energieverbruik. Bovendien vereenvoudigt het de engineeringworkflows.  

Doorbraken in de materiaalwetenschap hebben geleid tot nieuwe kunststoffen en op polymeren gebaseerde materialen met ongekende sterkte-gewichtsverhoudingen die veel minder wegen dan metaal.

Businesscases voor machinebouw

Polymeertechnologie in de machinebouw, het bestaat al jaren maar het neemt nu snel toe. Met de recente vorderingen in thermoplastische composieten en de mogelijkheid om op maat gemaakte mengsels met zeer specifieke eigenschappen te creëren, gebruiken veel ontwerpingenieurs nu kunststoffen op plaatsen die voorheen nooit eerder denkbaar waren.

Van nieuwe thermoplastische composieten tot geavanceerde lijmen, we zijn al een nieuw ‘polymeertijdperk’ ingegaan in het ontwerp van machines en bewegingssystemen. “Ik zou zeggen dat binnen vijf jaar het gebruik van polymeren in verschillende bewegingscontrolecomponenten 10 keer zo hoog zal zijn als nu”, voorspelt Dan Cedrone, directeur Technical Sales en Application Development bij Ensinger Plastics. “Polymeerwetenschap levert een enorme bijdrage aan de engineeringcommunity. Hoewel relatief nieuw in technisch ontwerp, bieden continue evoluties ontwerpvrijheden die 10 jaar geleden onmogelijk waren. Bovendien zijn er momenteel geen tekenen van vertraging.”

Polymeerfabrikanten, zoals Ensinger, Röchling, Mitsubishi Chemical, DuPont en ITW Performance Polymers, investeren daarom zwaar in nieuwe infrastructuur om die capaciteit te vergroten. In het geval van Ensinger zowel voor traditionele op olie gebaseerde polymeren als voor hun massabalans biobased kunststoffen, gemaakt van materialen zoals bijproducten van houtverwerking. Maar naast de beschikbaarheid van ‘groenere’ kunststoffen zijn er enorme algemene duurzaamheidswinsten te behalen met het gebruik van composieten, verduidelijkt Dr. Keith Hechtel, VP Business Development & Marketing bij Curbell Plastics, een Amerikaanse distributeur voor geavanceerde kunststof/kunststofcomposiet.

Efficiëntiewinsten in gewicht, slijtage en verbinden
Volgens Hechtel zijn er revolutionaire efficiëntiewinsten te behalen omdat de nieuwe kunststoffen ongekende sterkte-eigenschappen hebben en bovendien veel minder wegen dan metaal. Naast kunststoffen in componenten zijn er ook duurzaamheidsvoordelen bij het gebruik van methacrylaatlijmen om onderdelen van metaal (of vele andere industriële materialen) te verbinden in plaats van te lassen. "Deze lijmen zijn sneller dan lassen. Tevens zijn ze waterdicht en extreem sterk. Je vermindert ook de kans op roestvorming na verloop van tijd, wat vaak wordt gezien bij lassen van twee verschillende metalen. Er zijn dus efficiëntiewinsten bij de productie van het item, evenals op het vlak van onderhoud, reparatie en vervanging", aldus Hechtel.

Voorts beschikken hoogwaardige kunststoffen over uitstekende mechanische eigenschappen en chemische bestendigheid. Ze vinden toepassing in veel industrieën: we merken ze op bij medische componenten, algemene mechanische componenten, halfgeleiders en elektronica.

Waarom thermoplastische composieten de spelregels veranderen

Zoals Hechtel al aangaf, benaderen de sterkte- en moduluswaarden van de huidige thermoplastische composieten die van metalen. Maar hun dichtheid ligt 40% lager dan bij aluminium. Kunststof onderdelen wegen daardoor minder, zonder de structurele integriteit in gevaar te brengen. Polyamide kunststoffen bijvoorbeeld worden al jaren gebruikt in de schijven van bouwkranen, waardoor de kraan lichter is (en daardoor een groter draagvermogen heeft) dan een model met metalen schijven.

Een bijkomend voordeel van thermoplastische composieten is dat ze snel kunnen worden gevormd op verwarmde ‘match dies’ (passende matrijzen). “Dit stelt fabrikanten in staat om veel sneller sterke, dunwandige onderdelen te creëren. Bovendien is de koolstofvoetafdruk kleiner dan bij de manuele processen, die worden gebruikt bij traditionele glasvezelmaterialen”, stelt Hechtel.  

Een andere polymeercategorie met een ongekende sterkte en dito draagvermogen is koolstofvezelgevulde thermoplasten. Hiermee kan een onderdeel met een complexe geometrie in één stuk worden gemaakt. “Voorheen moest je twee of meer onderdelen produceren en ze verbinden met lassen of met klinknagels om het voltooide onderdeel met de complexe vorm af te werken. Met de nieuwe thermoplasten kun je die complexe geometrie in één onderdeel spuitgieten. Dit bespaart productietijd & energieverbruik en vereenvoudigt ook de engineeringworkflow aanzienlijk”, benadrukt Hechtel.

Cedrone legt verder uit dat de hoeveelheid en het type vulstoffen (koolstofvezel, nanobuis, Kevlar, glas, PTFE en dergelijke) kunststofbedrijven de mogelijkheid bieden om de druksterkte, treksterkte, elektrische eigenschappen en andere kenmerken aan te passen.

In principe kan koolstofvezelgeweven stof gecombineerd worden met harsen, zoals polycarbonaat, nylon of ultem om tegemoet te komen aan de eigenschappen die nodig zijn voor een specifieke toepassing. Die kan bijvoorbeeld een materiaal vereisen met meer sterkte of het vermogen om statische elektriciteit af te voeren of geleidbaarheid wel mogelijk te maken. Het klinkt als sciencefiction, maar in het geval van Ensinger concretiseert zich dat in een ‘grafitisch bipolair plaatmateriaal’ dat meer geleidend is dan staal.

Minder wrijving, meer energiebesparing

Transportbanden op basis van kunststoffen zorgen ook voor enorme efficiëntiewinsten. Bij de typische stalen sleepketting die over een stalen of betonnen baan op de fabrieksvloer loopt, is veel vermogen nodig om de kettingwrijving te overwinnen en de transportbandsnelheid constant te houden. De wrijving draagt ook bij aan hoge slijtagesnelheden. Elke keer dat een component in een systeem moet worden vervangen, neemt trouwens de totale koolstofvoetafdruk van het systeem toe.

Dit verandert allemaal met het gebruik van nieuwe onderkettingslijtstrips, gemaakt van Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMW-PE). Hechtel legt uit dat de toevoeging van deze strips de wrijving en het stroomverbruik drastisch vermindert, waardoor zelfs het gebruik van een kleinere motor mogelijk wordt. Dergelijke strips worden gemonteerd in kleinere transportbanden tot zeer grote transportsystemen in automotive.

Afdichtingen, gemaakt uit wrijvingsarme kunststofmaterialen met matige moduluswaarden, verminderen ook het aandrijvingskoppel en verkleinen de vereiste elektrische, pneumatische of hydraulische aandrijfmotor.  Cedrone voegt eraan toe dat er nu al extreem hoogwaardige, zelfsmerende glijlagers beschikbaar zijn met een druksterkte van meer dan 40.000 psi. Deze kunnen onder water of in agressieve omgevingen tot 350° Celsius werken.

Groeiend gebruik: van lagers tot humanoids

Het gebruik van kunststoffen in draai- en rotatielagers is al sterk aanwezig in robotica, voedseltransport en medische hulpmiddelensectoren. Composiet lagermaterialen treffen we steeds frequenter aan in toepassingen, zoals spoorwegremsystemen, draailagers in bakken van zwaar materieel en brugvoeglagers. Zelfsmerende kunststof lagers blinken uit in toepassingen waar zowel hoge belasting als trillingen aanwezig zijn, vanwege hun vermogen om agressieve trillingen en blootstelling aan chemicaliën en UV beter op te vangen dan hun metalen tegenhangers.

In andere toepassingen waar trillingen een factor zijn, bijvoorbeeld in zwaar materieel, zoals slijpmachines, grindbrekers, graafmachines en bestratingsapparatuur, is er ook groei in de acceptatie van kunststof tandwielen en rondsels. Kunststof stuwringen met een hoge belasting worden ook gebruikt in de transmissies van zwaar materieel en auto's.

De businesscases zijn oneindig, echter waar het schoentje vooral wringt – toch tijdelijk – is de opleiding in zowel technische scholen als bij ingenieurs en ontwerpers. Naarmate de praktische usecases stijgen, zal hopelijk ook de opleiding en ontwerpexpertise toenemen.