Realistische numerieke modellering van het gedrag van garens in de productie van gestikte sandwichpanelen
Sandwichpanelen, of hoe een innovatief materiaal vliegtuigen tot 50 % minder kan laten wegen
Lode Daelemans
Alsmaar vaker zullen de metalen onderdelen van voertuigen worden vervangen door lichtere materialen zoals sandwichpanelen. Hierdoor worden voertuigen lichter, waardoor ze minder brandstof nodig hebben. Bijgevolg worden ook minder broeikasgassen uitgestoten. Hoewel sandwichpanelen erg licht zijn, zijn ze zeer sterk dankzij hun specifieke opbouw. Net zoals een echte sandwich, bestaat een sandwichpaneel uit een buitenkant (het broodje), en een kern (het broodbeleg). Wanneer sandwichpanelen ook nog gestikt worden (d.i. verstevigd met naald en draad), vormen ze een ideaal alternatief voor de zware materialen die nu worden gebruikt in vliegtuigen, vrachtwagens en auto’s. Vooraleer het zover is, is verder onderzoek echter onontbeerlijk.
Een belangrijke stap in dit onderzoek is de ontwikkeling van speciale computermodellen. Die computermodellen moeten het mogelijk maken om het mechanische stikproces van sandwichpanelen (waarbij een industriële naaimachine de sandwichpanelen verstevigt met behulp van naald en draad) na te bootsen of te simuleren. Dit is een goedkoper en efficiënter alternatief voor de dure en arbeidsintensieve experimenten in ‘real life’. Mijn thesis behandelt de simulatie van het stikproces van sandwichpanelen.
Vliegtuigen verbruiken veel brandstof en produceren daardoor veel broeikasgassen. Hierdoor zijn ze medeverantwoordelijk voor het slinken van de olievoorraden en zijn ze erg schadelijk voor het milieu. Een mogelijke oplossing voor het hoge brandstofverbruik en de milieuvervuilende effecten ligt in de vermindering van het gewicht van vliegtuigen. Wanneer vliegtuigen minder wegen, hebben ze namelijk veel minder brandstof nodig om te vliegen, waardoor ze vanzelf minder milieuvervuilende stoffen uitstoten. Ook is het financieel interessant om minder brandstof per vliegtuig te moeten aankopen.
De luchtvaartindustrie is daarom naarstig op zoek naar nieuwe materialen die hun vliegtuigen minder doen wegen. Vandaag wordt zelfs het gewicht van het zweet dat passagiers achterlaten in hun vliegtuigstoeltjes berekend om ervoor te zorgen dat er zo weinig mogelijk extra gewicht meevliegt! De vermindering van het ‘vliegtuiggewicht’ met enkele tonnen is dan ook de droom van iedere luchtvaartmaatschappij.
Sandwichpanelen bieden misschien wel de gedroomde oplossing. In andere sectoren werden ze al vaker gebruikt als lichte vervangers voor bijvoorbeeld metalen onderdelen. Sandwichpanelen, die doorgaans in plaatvorm worden gemaakt, bestaan uit een dikke, maar heel lichte schuimkern. Aan beide kanten van deze schuimkern worden dunne, maar heel sterke “huiden” vastgelijmd. Deze huiden zijn gemaakt van composieten (zie Figuur 1). Composieten zijn sterke kunststoffen die bijvoorbeeld worden gebruikt in kano’s, tennisrackets en racefietsen.
De combinatie van de dikke lichte kern met de sterke dunne huiden aan de buitenkant, maakt dat sandwichpanelen heel erg sterk zijn, waardoor ze kunnen worden gebruikt in auto’s, vrachtwagens en zelfs in vliegtuigen. Acrosoma, een Belgisch bedrijf uit Lokeren, heeft de metalen oplegger van een truck vervangen door de door hen geproduceerde sandwichpanelen (zie Figuur 1). Zo zijn ze erin geslaagd om het gewicht van de oorspronkelijke oplegger te halveren!
Het gebruik van sandwichpanelen in de luchtvaartindustrie moet echter nog verder worden onderzocht, vooral omdat moet worden voldaan aan zeer strikte veiligheidsvoorschriften. Wanneer er een impact op sandwichpanelen plaatsvindt (denk bijvoorbeeld aan een vogel die tegen een vliegtuig vliegt), kunnen de huiden loskomen van de kern, waardoor het sandwichpaneel al zijn sterke eigenschappen verliest.
Recent is echter ontdekt dat een eenvoudige textieltechniek, namelijk het stikken, dit probleem kan voorkomen. Hierdoor zou het mogelijk zijn om sandwichpanelen te gebruiken in vliegtuigen, en op termijn misschien ook, net als bij de truck van Acrosoma, het gewicht van een vliegtuig te halveren (zie Figuur 2).
Maar wat wordt dan bedoeld met ‘het stikken’ van een sandwichpaneel? Tijdens het stikken van een sandwichpaneel worden alle lagen van het sandwichpaneel (de kern en de buitenkanten) met een zeer sterke draad aan elkaar genaaid door een machine. De sterke draad is vaak gemaakt van Kevlar, hetzelfde materiaal dat je terugvindt in kogelvrije vesten.
Vandaag is het echter nog erg moeilijk om perfect gestikte sandwichpanelen te maken. Acrosoma heeft wel al een eigen machine ontwikkeld waarmee sandwichpanelen op een relatief snelle, goedkope en consistente manier kunnen worden geproduceerd. Echter, tijdens het stikken van sandwichpanelen loopt er nog al eens iets mis: soms komt een draad weer los, of komt de naald verkeerd terecht in het schuim. Zulke fouten in het stikproces leiden tot slechtere sandwichpanelen.
Om het stikproces correct te kunnen afstellen en om fouten te kunnen opsporen, wordt gewerkt met computersimulaties. Dit houdt in dat, met behulp van een speciaal computerprogramma, het hele stikproces kan worden nagebootst op een computer, zodat dure en arbeidsintensieve experimenten in ‘real life’ kunnen worden uitgesteld. In het computerprogramma kan bijvoorbeeld heel makkelijk de vorm van de naald worden aangepast. Telkens nieuwe naalden aankopen met een andere vorm zou onbetaalbaar zijn (een nieuwe set naalden voor de machine kost al gauw duizenden euro’s).
De simulatie van de draad die wordt gebruikt tijdens het stikproces is dan weer moeilijker. Zo heeft deze draad zeer specifieke eigenschappen die moeilijk na te bootsen zijn op een computer. Dit heeft alles te maken met de manier waarop de draad – op microscopisch niveau – is opgebouwd. Het is niet eenvoudig om het exacte gedrag van de draad te simuleren, en pas sinds enkele jaren zijn computers krachtig genoeg om dit gedrag heel precies te kunnen nabootsen. Daarom was – en is – verder onderzoek nodig.
Het eindresultaat van mijn thesis is een nieuw computermodel dat het mogelijk maakt om vezelachtige structuren – zoals draden – te simuleren. Dit model kan in de toekomst worden gebruikt om het stikproces van sandwichpanelen zeer precies te simuleren, waardoor het proces, maar ook de sandwichpanelen zelf, verder kunnen worden geoptimaliseerd. Hierdoor zijn de vliegtuigen binnen 20 jaar hopelijk veel lichter, en daardoor ook energiezuiniger en milieuvriendelijker.
