Optimalisatie van een industriële case study in vlasvezelversterkte compound via numerieke simulaties.
Hernieuwbare materialen voor een duurzame toekomst
“Nieuwe toekomst voor Vlaams vlas als composietmateriaal”, zo klonk de inleiding van een boeiend nieuwsitem op het televisiejournaal van 17 september 2013. Men kan zich terecht de vraag stellen wat hiervan nu de meerwaarde is in ons leven. Het milieu en alles daarrond wordt meer en meer gelinkt aan de opwarming van de aarde. Het gevolg hiervan is een dagdagelijks gespreksonderwerp terwijl er nochtans bitter weinig concrete initiatieven worden ondernomen om hieraan iets te doen. Daarnaast is jobcreatie een andere topprioriteit. Laten we er dan toch maar eens aan beginnen...
Een grondige milieusanering doe je niet zomaar en kan alleen goed uitgevoerd worden als iedereen zijn steentje bijdraagt. Naast milieuzorg is tewerkstelling door nieuwe en betere producten brandend actueel. Welnu, deze scriptie behandelt elk van deze onderwerpen met schitterende vooruitzichten. Er wordt immers ingegaan op de mogelijkheid om vlas te gebruiken als versterking in hedendaagse toepassingen. Zo wordt het reeds gebruikt in tennisrackets waardoor het aantal mensen met een tenniselleboog sterk gereduceerd wordt. Naast de klassieke ecologische voordelen en tewerkstelling in de landbouw heeft het vlas als bijkomend voordeel dat het schokabsorberend is en dus in tal van andere toepassingen kan worden gebruikt zoals de frames van racefietsen, pallets, onderdelen in de auto-industrie, enzovoort.
In dit proefschrift worden allereerst de granulaten bestaande uit vlas en kunststof aangemaakt. Hieruit worden trekstaven, proefbakjes en vierkante plaatjes spuitgegoten met gekende parameters. Spuitgieten is een verwerkingstechniek die gebruikt wordt om kunststof op te smelten en te injecteren in een matrijs waardoor de kunststof de gevraagde vorm aanneemt. Er worden ook trekstaven, proefbakjes en vierkante plaatjes voorzien waarin er geen vlas aanwezig is, deze zullen als referentie gebruikt worden.
Vervolgens worden dan trekproeven, buigproeven en torsieproeven uitgevoerd op de niet vezelgevulde kunststoffen producten. De overeenkomende simulatieparameters worden dan als input voor de simulatie (Autodesk Simulation Moldflow Insight 2014) van de met vlasvezelversterkte proefstaven gebruikt. Op die manier kunnen de eigenschappen van het met vlasvezelversterkte materiaal via reverse engineering bepaald worden.
Eenmaal deze eigenschappen gekend zijn wordt een simulatie uitgevoerd op een nieuw
product, namelijk een pallet. Hierbij wordt een softwarematige ondersteuning en een
experimentele verificatie van de mechanische performantie van een vezelversterkte pallet voor de casestudie van Schoeller Allibert uitgevoerd. Hierbij kan een materiaalbesparing van maar liefst 20% gerealiseerd worden!
Men mag besluiten dat de gegevens in de simulatie vanaf heden kunnen gebruikt worden voor een nieuw (onbestaand) product zonder dat er dan enige fysieke proeven aan te pas komen.
De opmars van de biocomposieten is volop aan de gang en is voorbestemd om meer en meer toepassingen te vinden in de toekomst. Deze scriptie draagt hiertoe bij door ervoor te zorgen dat een materiaal uit vlasvezelversterkte kunststof werd getest en succesvol in de simulatiesoftware werd ingebracht. Dit heeft ons de mogelijkheid om eender welk product te maken uit de vlasvezelversterkte kunststof door het eerst aan een grondige analyse te onderwerpen. Een extra troef van dit materiaal is dat het recycleerbaar is wat ervoor zorgt dat de kring van de levenscyclus van producten, bestaande uit dit materiaal, gesloten wordt. Het zijn dergelijke projecten die ervoor zorgen dat wij als mens onze biologische voetafdruk merkbaar kunnen verkleinen door niet langer te raken aan de uitputbare bronnen. Enkel zo kunnen we bijdragen met kwaliteitsvolle producten, nieuwe en verhoogde tewerkstelling in de landbouw en verwerkende industrie tot een kwalitaitieve betere milieuzorg; betere levenskwaliteit en dus een betere wereld.
Bibliografie
[1]
G. Bekaert, Composieten, Oostende: KHBO.
[2]
Flanders Plastic Vision, „Europees CORNET-Project: FlaxHemPlast,” 2012. [Online]. Available: http://www.plasticvision.be/fpv-nl/projecten/projecten-1/recente-goedke…. [Geopend 21 September 2013].
[3]
A. Nijhof, Vezelversterkte kunststoffen: mechanica en ontwerp, Delft : VSSD , 2004.
[4]
F. Desplentere, Injection molding for Natural fibre reinforced materials: Numerical simulations, Kulab , 2013.
[5]
KHBO, „Over KHBO,” [Online]. Available: http://www.khbo.be/over/voorstelling. [Geopend 2013 September 15].
[6]
M. Depaepe, „KU Leuven @ Kulab,” KU Leuven , 7 Februari 2014. [Online]. Available: http://www.kuleuven.be/campus/atkulab/. [Geopend 16 Maart 2014].
[7]
School of materials science and engineering, „Fibre Reinforced Composites,” [Online]. Available: http://www.hsctut.materials.unsw.edu.au/Composites/composites3b.htm. [Geopend 21 September 2013].
[8]
Z. El Hachemi, „Digimat: Optimal solution for the modeling of materials and composite structures,” in Mechanical behaviour of fibre reinforced palstics (numerical simulations), Oostende, 2013.
[9]
F. Wallenberger en N. Weston, Natural Fibers, Plastics and Composites, USA: Kluwer Academic Publishers, 2004.
[10]
A. Arbelaiz, B. Fernandez, J. Ramos, A. Retegi, R. Llano-Ponte en I. Mondragon, Mechanical properties of short flax fibre bundle/polypropylene composites: Influence of matrix/fibre modification, fibre content, water uptake and recycling, Spanje: Elsevier, 2005.
[11]
A. Arbelaiz, B. Fernandez, G. Cantero, R. Llano-Ponte, A. Valea en I. Mondragon, „Mechanical properties of flax fibre/polypropylene composites. Influence of fibre/matrix modification and glass fibre hybridization,” Elsevier, 2005, pp. 1637-1644.
[12]
Wageningen UR , „Producing Natural Fibre Composites,” 7 Juli 2006. [Online]. Available: http://www.agrofibrecomposites.com/process.htm. [Geopend 21 September 2013].
[13]
Wikipedia, „Natural Fibre,” 14 Augustus 2013. [Online]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Natural_fiber. [Geopend 21 September 2013].
[14]
N. Le Moigne, M. Van den Oever en T. Budtova, A statistical analysis of fibre size and shape distribution after compounding in composites reinforced by natural fibres, Nederland : elsevier , 2011.
[15]
D. K. T. Nwabunma, Polyolefin Composites, Verenigde Staten : Wiley , 2008.
[16]
H. L. Bos, J. Müssig en M. J. van den Oever, Mechanical properties of short-flax-fibre reinforced compounds.
[17]
Wikipedia, „Flax,” 2 September 2013. [Online]. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Flax. [Geopend 18 September 2013].
[18]
VRT, „Nieuwe toekomst voor vlas als composietmateriaal,” 17 September 2013. [Online]. Available: http://www.deredactie.be/cm/vrtnieuws /videozone/programmas /journaal/EP_130917_JO1?video=1.1731645. [Geopend 17 September 2013].
[19]
P. Srikanth, Handbook of Bioplastics and Biocomposites Engineering Applications, University of Wisconsin-Madison, USA: Wiley, 2011.
[20]
A. Bismarck, I. Aranberri-askargorta, J. Springer, T. Lampke, B. Wielage, A. Stamboulis, I. Shenderovich en H. Limbach, „Surface Characterization of Flax, Hemp and Cellulose Fibers,” 2002, pp. 872-837.
[21]
K. Bruggemans en Y. Herzog, Organische Chemie, Antwerpen: De Boeck nv, 2006.
[22]
M. Kabir, H. Wang, K. Lau en F. Cardona, Chemical treatments on plant-based natural fibre reinforced polymer composites: An overview, Australië: Elsevier , 2012.
[23]
J. Engbersen en A. De Groot, Bio-organische chemie voor levenswetenschappen, Nederland : Wageningen Academic Publishers, 2005.
[24]
A. Bledzki en J. Gassan, Composites reinforced with cellulose based fibres, Duitsland : Elsevier , 1998.
[25]
The Macrogalleria , „Polypropylene,” 2005. [Online]. Available: http://www.pslc.ws/mactest/level2.htm. [Geopend 20 September 2013].
[26]
A. Van der Vegt en L. Govaert, Polymeren van keten tot kunststof, Delft : VSSD , 2009.
[27]
D. Gunst, Organische Chemie – Inleiding in de polymeerchemie, Oostende: KHBO.
[28]
Sigma-Aldrich, „Polypropylene-graft-maleic anhydride,” Sigma-Aldrich , 2014. [Online]. Available: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/427845?lang=en®i…. [Geopend 16 Maart 2014].
[29]
M. Bhowmick, S. Mukhopadhyay en R. Alagirusamy, Mechanical properties of natural fibre-reinforced composites, London: Taylor & Francis, 2012.
[30]
F. Desplentere, Machines en processing: extrusie, Oostende: KHBO.
[31]
Leistritz, „ZSE 18 MAXX 36 D,” Nürnberg.
[32]
L. Eeckman, „Development of a method to characterize scrw elements for a twin screw extruder,” Gent University, Gent, 2012.
[33]
F. Desplentere, Machines en processing: spuitgieten, Oostende: KHBO.
[34]
D. Gunst, Kunststofverwerkingstechnologie 1A en 1B, Oostende: KHBO.
[35]
H. Zweifel, Plastics Additives Handbook, Munich : Hanser Publishers, 2001.
[36]
Wikipedia, „Desiccator,” Wikipedia , 18 Maart 2013. [Online]. Available: http://nl.wikipedia.org/wiki/Desiccator. [Geopend 27 Oktober 2013].
[37]
KHBO, Handleiding warmeluchtdroger Arburg Thermolift 100-2, Oostende .
[38]
M. Wylleman, Technologie van spuitgietmatrijzen, Oostende: KHBO .
[39]
F. Desplentere, „Moldflow: Designing with long short fibres: influence of orientation and fibre breakage,” in Mechanical behaviour of fibre reinforced plastics (numerical simulations), Oostende , 2013.
[40]
Tosec, „Spanning rek diagram,” Tosec, [Online]. Available: http://www.tosec.nl/wiki/spanning-rekdiagram/. [Geopend 25 Januari 2014].
[41]
A. Blaga, „ARCHIVED - CBD-157. Properties and Behaviour of Plastics,” National Research Council Canada, 1973. [Online]. Available: http://archive.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/irc/cbd/building-digest-157.html. [Geopend 25 Januari 2014].
[42]
A. Bourmauda, G. Ausiasa, G. Lebruna, M. Tachonb en C. Baleya, Observation of the structure of a composite polypropylene/flax and damage mechanisms under stress, Frankrijk : Elsevier , 2012.
[43]
„Improvement of the interphase strength and the moisture sensitivity of flax fibre biocomposites.,” KU Leuven, [Online]. Available: https://www.mtm.kuleuven.be/Onderzoek/Composites/Research/Bio-Composite…. [Geopend 16 Februari 2014].
[44]
„Flax,” [Online]. Available: http://www.matbase.com/material-categories/natural-and-synthetic-polyme…. [Geopend 16 Februari 2014].
[45]
„ASTM E1269 - 11: Standard Test Method for Determining Specific Heat Capacity by Differential Scanning Calorimetry,” [Online]. Available: http://www.astm.org/Standards/E1269.htm. [Geopend 16 Februari 2014].
[46]
A. S. Virk, Numerical models for natural fibre composites with stochastic properties, Plymouth, 2010.
[47]
R. S. o. Chemistry, „Classic Kit: Soxhlet extractor,” September 2007. [Online]. Available: http://www.rsc.org/chemistryworld/Issues/2007/September/ClassicKitSoxhl…. [Geopend 22 April 2014].
[48]
R. Vanmaercke, Sterkeleer, KHBO, 2012.
[49]
K. Brackx, Interpretatie en verbetering van de Mesh Statistics, Oostende: Kulab , 2013.
[50]
I. I. i. P. P. &. P. Boxes, „Export Pallets,” IPS: Innovative in Plastic Pallets & Pallet Boxes , 2014. [Online]. Available: http://www.ips-belgium.com/nl/pallets-palletboxen/export_pallets. [Geopend 27 April 2014].
[51]
G. Seal, „how green seal develops standards,” Green Seal , 2013. [Online]. Available: http://www.greenseal.org/GreenBusiness/Standards/HowGreenSealDevelopsSt…. [Geopend 10 April 2014].
[52]
vreg, „vreg,” [Online]. Available: http://www.vreg.be/hoeveel-kost-1-kwh-elektriciteit-en-aardgas. [Geopend 6 December 2013].
[53]
„SABIC_PHC27,” [Online]. Available: http://www.b2bpolymers.com/TDS/SABIC_PHC27.pdf. [Geopend 16 Februari 2014].
[54]
K. Soete, Cornet-project FlaxHemPlast, Kulab, 2013.
[55]
Arburg, Thermolift: Combined drying and conveying of plastic granulate, Duitsland , 2013.
[56]
A. De Jong, „Zo zit een vliegtuig in elkaar,” 1994. [Online]. Available: http://wielr.home.xs4all.nl/Instructie/Vliegtuigconstructie/Vliegtuigco…. [Geopend 25 01 2014].
[57]
Tosec, „Spanning rek diagram,” Tosec , [Online]. Available: http://www.tosec.nl/wiki/spanning-rekdiagram/. [Geopend 25 01 2014].
[58]
A. Blaga, „ARCHIVED - CBD-157. Properties and Behaviour of Plastics,” National Research Council Canada, 1973. [Online]. Available: http://archive.nrc-cnrc.gc.ca/eng/ibp/irc/cbd/building-digest-157.html. [Geopend 25 01 2014].
[59]
C. Baley, Analysis of the flax fibres tensile behaviour and analysis of the tensile stiffness increase, Lorient Cedex: Elsevier, 2002.
[60]
V. S. &. Weaving, „Super Fine Water Retted Flax Top,” 2014. [Online]. Available: http://www.villagespinweave.com/IBS/SimpleCat/Product/asp/hierarchy/030…. [Geopend 16 Maart 2014].
[61]
A. De Jong, „Zo zit een vliegtuig in elkaar,” 1994. [Online]. Available: http://wielr.home.xs4all.nl/Instructie/Vliegtuigconstructie/Vliegtuigco…. [Geopend 25 Januari 2014].
[62]
N. Le Moigne, M. Van den Oever en T. Budtova, A statistical analysis of fibre size and shape distribution after compounding in composites reinforced by natural fibres, Nederland: Elsevier, 2011.
[63]
S. Allibert, „Test Report,” Nederland , 2013.
