__MAIN_TEXT__

Page 1

Nummer 2 2018

Exoskeleton Ceramic Tectonics Tile Grid Shel Material Xperience 2018, nabeschouwing Print your city TUM-experimenten met 3D-geprint beton Onderzoek: ‘Omarm entropie in het ontwerp van nieuwe materialen’

EEN

UITGAVE

VAN

SJP

UITGEVERS


INHOUD Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift gericht op de civieltechnische schrift over ontwikkelingen op het gebied sector en bouw. innovatieve Het bericht over ontwikvan duurzame, materialen kelingen op het gebied van duurzame, inen/of de toepassing daarvan in bijzondenovatieve materialen en/of de toepassing re constructies. daarvan in bijzondere constructies. Innovatieve Materialen werkt nauw samen met Stichting MaterialDesign Innovatieve Materialen is een uitgave van Civiele Techniek, onafhankelijk vaktijdschrift voorUitgeverij civieltechnisch ingenieurs werkzaam in de grond-, weg- en waterSJP Uitgevers bouw en verkeerstechniek. Postbus 861 De redactie staat open voor bijdragen 4200 AW Gorinchem van vakgenoten. U kunt daartoe contact tel. (0183) 08 opnemen met 66 de 08 redactie. e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

Uitgeverij Hoofdredactie: Gerard van Nifterik SJP Uitgevers

Postbus 861 Advertenties 4200 AW Gorinchem Drs. Schoonebeek tel.Petra (0183) 66 08 08 e-mail:info@innovatievematerialen.nl ps@innovatievematerialen.nl e-mail: www.innovatievematerialen.nl Een digitaal abonnement in 2018 (6 uitgaven)Redactie: kost € 39,50 (excl. BTW) KIVI-leden en studenten: Bureau Schoonebeek € 25,(excl. BTW) vof Hoofdredactie: Gerard van Nifterik Zie ook: www.innovatievematerialen.nl

Advertenties

Niets uit deze uitgave mag worden verveelvuldigd en of openbaar worden Drs. Petra Schoonebeek door middel van herdruk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, e-mail: ps@innovatievematerialen.nl zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Een digitaal abonnement in 2016 (6 uitgaven) kost € 25,00 (excl. BTW)

Innovatieve Materialen platform:

Zie ook: www.innovatievematerialen.nl Dr. ir. Fred Veer, prof. Ir. Rob Nijsse (Glass & Transparency Research Group, Niets uit deze uitgave worden TU Delft), dr. Bert vanmag Haastrecht verveelvuldigd en ofPoelman, openbaardr.worden (M2I), prof. Wim Ton door middel(MaterialDesign), van herdruk, fotokopie, miHurkmans prof.dr.ir. crofilm of op welke wijze dan ook, zonder Jos Brouwers, (Faculteit Bouwkunde, voorafgaande toestemming Leerstoel schriftelijke Bouwmaterialen, TU van de uitgever. Eindhoven), prof.dr.ir. Jilt Sietsma, (4TU.HTM/ Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen, 3mE)

BERICHTEN 1 ‘Superhout kan staal vervangen’ 8 Exoskeleton 10 Ceramic Tectonics Tile Grid Shell 12 Inflatables 14 Material Xperience 2018

Van 13 - 15 maart dit jaar vond in Ahoy Rotterdam de 13de editie van Material Xperience plaats. Met ruim 8.400 bezoekers (een groei van ruim 35procent ten opzichte van de vorige keer), 140 exposanten en 9.000 m2 oppervlakte, is het volgens organisator Materia de grootste multisectorale materialenbeurs ter wereld. Bezoekers van de Materal Xperience werden geconfronteerd met de nieuwste materiaalinnovaties. Een willekeurige greep uit het aanbod.

24 Print your city

Tijdens de Material Xperience werd de zogenaamde XXX bank tentoongesteld, gemaakt door het Print Your City! -project. Het gaat om een project van onderzoeks- en ontwerpstudio The New Raw, opgericht door Panos Sakkas en Foteini Setaki, waarmee zwerfplastic wordt ingezameld, gerecycled tot meubilair voor de openbare ruimte.

26 TUM-experimenten met 3D-geprint (hout)beton

Betoncomponenten worden traditioneel gemaakt door beton te gieten. Maar de mal of bekisting zorgt voor behoorlijke beperkingen wat betreft het ontwerp. 3D-printen biedt nieuwe vrijheid bij het vormgeven. Overal ter wereld wordt nu onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van deze relatief nieuwe betonvormtechniek. Onderzoekers aan de Technische Universiteit van München (TUM) experimenteren met verschillende processen, waaronder selectieve binding en een nieuwe extrusiemethode om een mengsel van hout en beton te printen. Dat leidde tot een nieuwe materiaal: lichtgewicht, 3D-geprint houtbeton.

30 Onderzoek: ‘Omarm entropie in het ontwerp van nieuwe materialen’

Een veelgebruikte aanpak om een complex materiaal te ontwerpen is energieminimalisatie. Net als een knikker in een put, bewegen ook moleculen op de microschaal zich het liefst naar toestanden met een lage energie. Dit idee kan gebruikt worden om bijvoorbeeld een recept te ontwerpen voor het maken van een nieuw materiaal, bestaande uit verschillende ingrediënten. In andere gevallen wordt een materiaal zo ontworpen dat het zich op moleculaire schaal aanpast als het vervormd wordt of geactiveerd wordt door bijvoorbeeld licht, warmte, elektriciteit of breuk. Mogelijke reacties op externe stimuli die we tegenwoordig bij materialen kunnen inbouwen zijn (onder andere) microscopisch zelfherstel, verharding of verzachting, vormverandering, het uitzenden van licht, verandering van transparantie en kleurverandering. Deze aanpassingen worden vaak ontworpen zodat ze plaatsvinden via een moleculaire route, die de energie minimaliseert wanneer het materiaal vervormd of gestimuleerd wordt.

Omslag: 3D-geprinte betonstructuur, TU München (pag. 28)


BERICHTEN

‘Superhout kan staal vervangen’ Ingenieurs van de A. James Clark School of Engineering, Universiteit van Maryland in College Park (USA) hebben een manier gevonden om hout meer dan tien keer sterker en harder te maken dan voorheen. Het nieuwe materiaal is sterk en duurzaam en kan volgens de onderzoekers een concurrent zijn van staal of zelfs titaniumlegeringen. Het zou vergelijkbaar zijn met koolstofvezel, maar veel minder duur. In vergelijking met natuurlijk hout kost het tien keer meer energie om het te breken. Het behandelde hout kan evenwel aan het begin van het proces worden gebogen en vervormd. De nieuwe methode begint met het verwijderen van de lignine in het hout, de component die verantwoordelijk is voor zowel de stijfheid als de bruine kleur van het hout. Vervolgens wordt het restant samengeperst bij ongeveer 65 °C. Hierdoor worden de cellulosevezels zeer dicht op elkaar gepakt. Onregelmatigheden zoals holtes of verdikkingen worden samengeperst. De wetenschappers ontdekten dat de vezels van het hout zo stevig worden samengedrukt dat

ze sterke waterstofverbindingengaan vormen. De compressie maakt het hout ook nog eens vijf keer dunner dan de oorspronkelijke omvang. Het team testte het materiaal onder meer door

er een projectiel op af te schieten. In tegenstelling tot natuurlijk hout, dat meteen recht wordt doorboord, stopte het behandelde hout het projectiel halverwege. Volgens de onderzoekers kan het materiaal een enorme potentie hebben voor een breed scala van toepassingen waar hoge sterkte en taaiheid gewenst zijn. Ze verwachten dat dit soort hout kan worden gebruikt in auto’s, vliegtuigen, gebouwen kortom in elke toepassing waarbij nu staal wordt gebruikt. Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature, 2018, Processing bulk natural wood into a high-performance structural material’, J Song, et al. DOI: 10.1038 / nature25476 Meer op de website van de University of Maryland> Volledig artikel online>

1 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

Ultradunne, supersterke vezels ultrafijne vezel van polyethyleen waarvan de eigenschappen die vergelijkbaar zijn met, of zelfs beter zijn dan die van sterkst bekende vezelmaterialen, zoals Kevlar en Dyneema. Vergeleken met koolstofvezels en keramische vezels, die op grote schaal worden gebruikt in composietmaterialen, hebben de nieuwe gel-electrogesponnen polyethyleenvezels een vergelijkbare sterkte maar zijn ze veel taaier en hebben een lagere dichtheid. Volgens de betrokken onderzoekers kunnen de resultaten van het onderzoek leiden tot de ontwikkeling van nieuwe, beschermende materialen die even sterk zijn als de bestaande maar minder volumineus zijn. MIT voorziet een enorme hoeveelheid toepassingsmogelijkheden; wellicht zelfs toepassingen waarover de wetenschappers nog helemaal niet over hebben nagedacht. MIT> Links: ltrafijne vezels gemaakt door het MIT-team, in beeld gebracht met een Scanning Electron Microscope (SEM) (Foto: MIT)

Onderzoekers van het MIT hebben een proces ontwikkeld waarmee uitzonderlijk sterke en taaie, ultradunne vezels kunnen worden gemaakt, met een diameter in de orde van enkele honderden nanometers. De vezels, die goedkoop en volgens de onderzoekers eenvoudig zijn te produceren, zouden kunnen worden gebruikt in een hele reeks aan toepassingen, zoals beschermende bepantsering en nanocomposieten. Het nieuwe proces, gel-elektrospinning, werd eerder dit jaar gepubliceerd in een paper van MIT-hoogleraar chemische technologie Gregory Rutledge en postdoc Jay Park. Het document verscheen in de februari-editie van het Journal of Materials Science. Het proces is gebaseerd op een combinatie van traditioneel gel-spinnen en elektro-spinnen. Het resultaat is een

2 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Schematische voorstelling van de opstelling die wordt gebruikt om de vezels te produceren. Links een verwarmde spuit waardoor de polymere oplossing wordt geĂŤxtrudeerd. Rechts een kamer waar de vezels worden onderworpen aan een elektrisch veld waar ze worden gesponnen tot de volgens MIT best presterende polyethyleenvezels ooit gemaakt (Afbeelding: MIT)


BERICHTEN Hét expertisecentrum voor materiaalkarakterisering. Integer, onafhankelijk, objectief onderzoek en advies. ISO 17025 geaccrediteerd. Wij helpen u graag verder met onderzoek en analyse van uw innovatieve materialen. Bel ons op 026 3845600 of mail info@tcki.nl www.tcki.nl

TCKI adv A5 [ZS-185x124] Chemische analyse 14.indd 1

09-05-17 13:19

2017 volume 3

INNOVATIVE MATERIALS

International edition Innovative Materials, the international version of the Dutch magazine Innovatieve Materialen, is now available in English. Innovative Materials is a digital, independent magazine about material innovation in the fields of engineering, construction (buildings, infrastructure and industrial) and industrial design.

3D-printing cellulose World’s first 3D-printed reinforced concrete bridge Materials 2017 Composites improve earthquake resistance in buildings

www. innovatievematerialen.nl info@innovatievematerialen.nl

Glass bridge Lina: world’s first bio-based car

I N T E R N A T I O N A L

Innovative Materials is published in a digital format, although there is a printed edition with a small circulation. Digital, because interactive information is attached in the form of articles, papers, videos and links to expand the information available.

E D I T I O N

3 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


Advertorial

BERICHTEN

Tecnargilla reinforces its promotional campaign abroad The exhibition’s organisational staff are focusing on foreign promotion thanks to collaboration with major partners in Spain, India, Turkey and China

The activity of the promotional campaign for Tecnargilla (Rimini 24–28 September 2018), the world’s most important exhibition in terms of ceramics and brick supplies, maintains its relentless pace, abroad above all, with the aim of ensuring an even more international edition with leading players in the

sector. In addition to attending the main international exhibitions with a promotional staff and stand, to direct contact with the most important ceramic industry associations, chambers of commerce and outstanding buyers, foreign promotional activity this year is also supported by a

qualified network of agents who, from their respective countries, work to boost the visibility of the exhibition. GPE Fairs in Spain, Bee2Bee in Turkey, Arta Group in Iran, Unifair Exhibition Service with its Chinese office and the Indian Rare Tech Projects Pvt are the partners Tecnargilla has chosen to extend the promotional activity abroad, where positive feedback is already being received. For this edition too, many delegations and profiled buyers are expected to enhance the ‘business meeting’ area (more than 1,000 meetings were held in 2016) particularly appreciated by the exhibiting companies for the excellent commercial opportunities. Thanks to the intense organisational activity, Tecnargilla is even now promising further growth compared to the already significant results achieved in 2016, due both to the extensive and innovative technological offering from a gathering of companies from among the most qualified on the national and international market and to the visitor forecast, expected to exceed that of the previous edition, when there were more than 16,764 foreign visitors. http://en.tecnargilla.it>

Tecnargilla Tecnargilla is the world’s most important exhibition in terms of ceramics and brick supplies. Organised by Acimac (Association of Italian Manufacturers of Machinery and Equipment for Ceramics) and IEG Italian Exhibition Group, the exhibition offers the best of innovation in aesthetics and processes for the sector every two years, playing host to all the leading companies and attracting a great number of international buyers to Rimini. Tecnargilla was the exhibition with the most visits from international operators in its 2016 edition too: 16,764 (+6.3 on 2014) foreign buyers from a total of 33,395 visitors (+4% on 2014). Tecnargilla welcomed 430 exhibitors in 2016 (40% of which from around 26 countries) covering an area of 80,000 m² (+7% on the 2014 edition) approx., divided into four exhibition sections: Tecnargilla, dedicated to technologies for ceramic tiles, sanitaryware and tableware; Kromatech, the showcase for colour and creativeness in ceramics; Claytech, the section dedicated to technologies for bricks and T-White the new exhibition area dedicated to the production of machinery and plants for the production of ceramic sanitaryware and tableware.

4 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

Carbon spons Onderzoekers van de Universiteit van Maryland, College Park (UMD) zeggen voor het eerste te hebben aangetoond dat hout direct kan worden omgezet in een soort koolstofspons die bestand is tegen herhaalde compressie en andere extreme mechanische omstandigheden. De houten koolstofspons van de UMD heeft niet de nadelen van andere lichtgewicht, samendrukbare koolstofsponsen en is volgens de onderzoekers ook eenvoudiger, goedkoper en duurzamer te produceren. Het nieuwe sponsmateriaal kan worden gebruikt in verschillende toepassingen zoals energieopslag (batterijen), behandeling van verontreinigende stoffen en in elektronische apparaten en sensoren. Een artikel over het onderzoek werd op 1 maart gepubliceerd in het tijdschrift Chem.

Behandeling

Een team onder leiding van Liangbing Hu, universitair hoofddocent materiaalwetenschappen en engineering aan de A. James Clark School of Engineering van de UMD, gebruikte een eenvoudige chemische behandeling om de stijve hemicellulose- en lignine-vezels in de celwandstructuur van balsahout kapot

te maken. Vervolgens werd het materiaal verhit tot 1000 °C om het organische materiaal in koolstof om te zetten. Het netto-effect van het proces was het inklappen van de herhaalde, regelmatige, rechthoekige holten, typisch voor de microstructuur van balsa en andere houtsoorten en die te vervangen door golvende, in elkaar grijpende, boogachtige carbonlagen.

Structuur

Volgens Hu is het proces voor het maken van de houten carbon spons vooral bijzonder omdat de structuur van het hout behouden blijft. Dat maakt de spons zeer goed samen te drukken en bestand tegen belasting. Dat betekent volgens Hu dat de prestaties van zijn houten carbon spons een van de beste is van alle lichtgewicht en samendrukbare koolstofhoudende materialen die ooit zijn beschreven.

draagbare fitness- of gezondheidsbewakingselektronica. De onderzoekers denken dat de houten koolstofspons ook kan worden toegepast in waterzuiveringsapparatuur en energieopslag- en conversietechnologieën, zoals supercondensatoren en oplaadbare batterijen. Meer bij de Universiteit van Maryland, College Park> Chem, Chen et al.: ‘Scalable and sustainable approach toward highly compressible, anisotropic, lamellar carbon sponge.’ DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.028

Druksensor

Na verdere mechanische en elektrische tests op de spons te hebben uitgevoerd, konden de onderzoekers een stukje van het materiaal aanbrengen in een prototype van een druksensor, met een kwaliteit die wenselijk is voor gebruik in

Video

5 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

KLP RapidRetain walbeschoeiing wint NRK Award Op 7 maart 2018 reikte de jury tijdens de Avond van de Maakindustrie in Media Plaza te Utrecht de drie NRK Awards Duurzame Producten 2018 uit. (NRK is de Federatie Nederlandse Rubber- en Kunststofindustrie.) De ingezonden producten werden getoetst op alle vier de fasen van de levenscyclus van een product: grondstoffen, productie, gebruik, hergebruik/recycling. Lankhorst Engineered Products won de Award in de categorie Bouw & Infrastructuur met het KLP RapidRetain walbeschoeiingssysteem. Volgens de jury sluit het innovatieve product naadloos aan bij het concept van een circulaire economie. Beschoeiingsconstructies zijn zo’n vertrouwd beeld in Nederland dat makkelijk voorbij wordt gegaan aan de ruimtebesparende functie die ze in ons dichtbevolkte land hebben. Lankhorst produceert al sinds begin jaren ’80 walbeschoeiingen uit gerecycled kunststof in de eigen fabriek in Sneek. Volgens de producent verenigt het ontwerp van de KLP RapidRetain walbeschoeiing verschillende aspecten die onafhankelijk van elkaar al in beschoeiingen te vinden

6 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

waren, maar nooit eerder in één product. Deze innovatie is in samenwerking met lokale overheden en aannemers in Noord-Nederland tot stand gekomen. Het beschoeiingssysteem bestaat uit panelen en combi-palen. Door de hoge stijfheid van de panelen kan de walbeschoeiing met behulp van een graafmachine in de grond gedrukt worden. Het innovatieve schotprofiel zorgt voor horizontale en verticale stijfheid. Het paneel heeft een optimale lengte van 2,1 m en is licht in gewicht. Hierdoor is het paneel goed te hanteren en efficiënt te plaatsen. Met name de ijzersterke koppeling van de schotten is volgens de producent uniek in het ontwerp, waardoor het niet meer nodig is om de palen exact op het verbindingspunt van de panelen te plaatsen. Aannemers kunnen de walbeschoeiing daarmee veel sneller installeren, omdat ze de palen en vervolgens de panelen nu in één gang kunnen plaatsen. Afhankelijk van de grondslag kunnen zelfs plaatsingsafstanden van één paal per meter gehaald worden. Projecten kunnen volgens Lankhorst daardoor snel en goedkoop worden opgeleverd.

De KLP Combi-paal bestaat uit een onbehandelde naaldhouten paal die met KLP kunststof is omspoten. Dit heeft volgens Lankhorst het voordeel dat er op de lucht-water lijn geen rotting plaatsvindt en dat er geen onderhoud nodig is. Het gebruikte naaldhout is PEFC-gecertificeerd en is dus afkomstig uit duurzaam beheerde bossen. KLP RapidRetain kunststof walbeschoeiing heeft volgens Lankhorst een minimale technische levensduur van 50 jaar. Het materiaal rot niet, loogt geen schadelijke stoffen uit en wordt niet aangetast door UV-licht. KLP laat zich eenvoudig en snel zagen, boren, schaven, spijkeren, nieten en schroeven. Lankhorst> Brochure (pdf download)>

Video KLP RapidRetain


BERICHTEN

Brandveiligheid van op geopolymeren gebaseerde bouwmaterialen In december 2017 heeft het bestuur van NWO (domein Toegepaste en Ingenieurswetenschappen) zes projecten toegekend binnen het High Tech Materials-programma (HTM). Eén daarvan is het project ‘Brandveiligheid van innovatieve geopolymeer gebaseerde bouwmaterialen’ (aanvragers prof. dr.ir. HJH Brouwers en dr. Yu, Technische Universiteit Eindhoven). Dit onderzoek heeft tot doel innovatieve anorganische brandwerende en thermisch isolerende, geopolymere coatings en structurele betonelementen te ontwikkelen, en zal worden uitgevoerd door een promovendus en een postdoc. De externe projectpartners zijn Brandweer Nederland, Rockwool Group, M2i, Mineralz, Nieman Groep en Kijstra Beton. Geopolymere bindmiddelen kunnen, als

alternatief voor traditioneel Portland-cement, in principe voldoen aan moderne, functionele eisen met betrekking tot duurzaamheid en intrinsieke thermische bestendigheid. Het betreffende project is gericht op de ontwikkeling van een milieuvriendelijk anorganisch, geopolymeer bindmiddel voor brandbestendig beton en coatings, en wel op basis van een alternatieve silicabron. De eerste stap van het onderzoek richt zich op de alternatieve bron ‘ecosilica’ (in dit geval een olivijn-nanosilica); de synthese, colloïdale silica-bereiding, alkalische activator-eigenschappen en reactiekinetiek. In de tweede fase richt het onderzoek zich op de karakterisering van industriële bijproducten, waaronder vliegas, papier-slurry vliegas en staalslakken.

Hun geschiktheid als startmateriaal voor geopolymere bindmiddelen zal verder worden onderzocht. Het geavanceerde 3D-cementhydratiemodel CEMHYDR3D zal worden gebruikt om de reactiekinetiek te beschrijven. De derde fase bestaat uit het bestuderen van het geopolymerisatieproces en de thermisch-fysische eigenschappen. Een vergelijkende studie zal worden uitgevoerd met bestaande isolatiematerialen. De vierde stap betreft onderzoek naar de technische toepassing van de nieuwe nano-engineered materialen, zowel in brandwerende coatings als in betonelementen. Er zal daarbij in detail worden gekeken naar het bindingsgedrag en de compatibiliteit tussen het nieuwe materiaal en substraten.

7 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

Exoskeleton Eind 2017 streden 43 jonge ingenieurs voor de zogenaamde ie-net prijzen 2017, de prijs van de Belgische engineering association (ie-net) voor de beste masterscriptie in de ingenieurswetenschappen, verdeeld in de categorien bio-, civiele en technologische engineering. Daarnaast werden ook een persprijs, een publieksprijs en een prijs voor de ‘Best Young, Entrepreneurial Engineer’ uitgereikt. Vijf masterscripties van de faculteit Technische ingenieurswetenschappen en architectuur van de Universiteit van Gent vielen in de prijzen; één daarvan - Exos-

8 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

keleton - won de publieksprijs. Exoskeleton werd ontworpen en gebouwd door Silke van Geeteruyen en Thibaut Van Dousselaere. ‘Exoskeleton‘ is een paviljoen, gemaakt van multiplex panelen, tie straps en schuifverbindingen. Het productieproces laat zien hoe met beperkte middelen zowel een real-scale constructie als experimenten mogelijk zijn. Het Exoskeleton is het resultaat van een dissertatie-onderzoek naar een ‘bottom-up’ aanpak voor structureel ontwerp, en wel door middel van prototyping. Het ontwerp van een klein

paviljoen, de Exoskeleton, diende als test-case. Deze ‘bottom-up’ benadering laat toe om op een empirische wijze te werk te gaan; nieuwe ideeën worden gevalideerd door hun constructief gedrag onmiddellijk fysiek te testen. Op deze manier komt het totale ontwerp niet voort uit een overkoepelend 3D-model, dat de componenten afleidt uit de gehele vorm, maar uit een iteratief ontwerp-proces, waarbij eerst de componenten en dan pas de gehele vorm bepaald worden door prototyping.


BERICHTEN Door de bottom-up benadering hebben Van Geeteruyen en Van Dousselaere niet alleen een paviljoen gemaakt, maar vooral ook een parametrisch systeem ontwikkeld. Door dezelfde assemblagemethode toe te passen op eenzelfde module, maar met variërende afmetingen, kunnen andere vlakken gegenereerd worden. Volgens de onderzoekers biedt een bottom-up benadering uiteindelijk grote voordelen voor structureel ontwerp, waardoor het een onmisbare aanpak is voor het ontwerp en onderzoek van innovatieve structurele principes, waarvoor nog geen uitgebreide voorkennis beschikbaar is. De tekst is gebaseerd op de dissertatie ‘Exoskeleton, an empirical investigation into a bottom-up approach to structural design’. De full text versie is online te vinden>

Credits

Architecten: Thibaut Van Dousselaere & Silke Van GeeteruyenTeam: Willem Bekers, Sebastiaan Leenknegt, Ruben Verstraeten, Arthur De Roover (University of Ghent, Department of Architecture and Urban Planning ), Jan Belis (Department of Structural Engineering), Stijn De Mil (Fablab Factory) Plaats: Gent, België Jaar: 2017 Area: 20 m2 Foto’s: Jeroen Christiaen & Saskia De Mol

9 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

Aardewerk in cement Foto’s: Barclay & Crousse architecture

Het kennisnetwerk Tektoniek besteedde begin dit jaar aandacht aan de bouw en het ontwerp van het archeologisch museum Muséo Sitio de Julio C. Tello. Het staat in het Nationaal Reservaat Paracas in Peru. Het museum werd in 2007 verwoest door een aardbeving. Daarna is een nieuw bouwwerk opgetrokken, op het oude fundament. Sinds 2016 is het open voor publiek. De nieuwbouw is programmatisch te splitsen in vier delen: een 'antropologische deel', het 'archeologische deel' met tentoonstellingsruimten, een installatietechnische ruimte en een deel waar overige voorzieningen zijn ondergebracht. Het museum staat onbeschut in de hete woestijn en staat bloot aan harde wind en felle zon, factoren die van invloed zijn geweest op het ontwerp. Het grootste deel van de gevel is bedekt met pleisterwerk van portland-puzzolaancement. Het is onder andere goed bestand tegen de invloed van sulfaat uit de woestijnbodem. Het puzzolaan, gewonnen uit vulkanische rotsen, geeft het cement de rode kleur door de aanwezigheid van ijzerdeeltjes in de chemische samenstelling. Er zijn geen pigmenten toegevoegd. De gevel van het ‘antropologisch deel’ is niet bepleisterd, maar van onbehandeld beton. Het bouwdeel met de entree is daardoor extra herkenbaar. Voor het betonmengsel is hetzelfde portland-puzzolaancement gebruikt als voor het pleisterwerk. Daarom is de betonnen gevel ook rood. De textuur van de bekis-

10 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

ting is duidelijk zichtbaar in het betonoppervlak. Om een veilige draagconstructie te bouwen, in een gebied met risico op aardbevingen, is het gebouw zo symmetrisch mogelijk uitgevoerd, met overhoekse stabiliteitsvoorzieningen. Het bouwdeel met de tentoonstellingsruimte is opgebouwd uit een hybride hoofddraagconstructie. Het heeft dragende wanden van metselwerk met holle bakstenen, aangevuld met een aantal betonnen schijven, geplaatst in de lengterichting van het gebouw. Voor het dak zijn betonnen balken en platen van licht beton gebruikt. De modules

voor klimaatbeheersing zijn vervolgens opgebouwd uit een betonnen frame van balken en kolommen. De wanden van de modules zijn gevuld met metselwerk. Om een aantal grote overspanningen ter plaatse van kozijnen te overbruggen, zijn stalen kolommen geplaatst, gevuld met beton. De dragende buitenwanden zijn ongeveer 250 mm dik en zijn ongeïsoleerd vanwege de relatief constante buitentemperatuur. Op het dak is wel een laag natuurlijke isolatie aangebracht van modder en schelpen om het gebouw voldoende koel te houden. Volledige artikel is online te vinden bij www.tektoniek.nl>


BERICHTEN Materials 2018, vakbeurs & congres:

‘De rol van materialen & technieken in het succes van een product’ Op 30 en 31 mei organiseert Mikrocentrum de zesde editie van Materials, vakbeurs en congres, in Veldhoven: een inspiratie bijeenkomst over oplossingen op het vlak van corrosie, slijtage, hechtingen, lichtgewicht, vermoeiing en hergebruik. Speciale aandacht dit jaar gaat naar product design, circulaire economie en smart materials. Ook dit jaar is het Materials concept gebaseerd op vier ‘bouwstenen’: (nieuwe) Materialen, Materiaalanalyse, Verbindingstechnieken en Oppervlaktetechnieken. Op de beursvloer geven 75 exposanten acte de présance, die het brede materialengebied bestrijken.

Programma

Het congresprogramma bestaat uit meer dan 40 lezingen, verdeeld over de vier genoemde bouwstenen. Op 31 mei vindt de speciale lezingenserie ‘Smart Materials’ plaats in samenwerking met PI Benelux, ASML en TUDelft/Holst Centre. Tijdens de vier lezingen in deze serie delen de sprekers de laatste onderzoeks- en applicatietrends van slimme materialen. Er is ook een Smart Materials paviljoen waar enkele voorbeelden worden tentoongesteld. Parallel aan het lezingenprogramma gaat er speciale aandacht uit naar het thema circulaire economie. Zo verzorgt Holland Chemistry op 31 mei een gratis workshop met daarin vier plenaire sessies waarin het recyclen en hergebruiken van kunststoffen en composieten centraal staan. Deze workshop wordt mede georganiseerd door NRK en TI COAST.

Materiaaldoktoren

Materials 2018 is dé plek om direct oplossingen te vinden voor materiaaluitdagingen. Vragen kunnen worden voorgelegd aan zogenaamde Materiaaldoktoren, beide dagen te vinden op de beursvloer. Zij helpen met het stellen van de juiste diagnose en geven gratis behandeladvies.

Proef 3D-print van ‘Het paviljoen met de zeven levens’, een nieuw concept voor een toekomstbestendig ontwerp(proces), ontwikkeld door StudioSK/Movares, Bruil en Studio RAP. Het concept werd toegelicht tijdens Materials 2017 door Peter Heideman, Movares.

Materials Matchmaking 2018

Tijdens Materials 2018 organiseert Mikrocentrum in samenwerking met de Kamer van Koophandel en het Enterprise Europe Network een B2B Matchmaking. Deze Meet & Match brengt materiaalspecialisten, productontwikkelaars, product designers, engineers, onderzoekers, SMEs, OEMs, toeleveranciers en intermediairs samen en faciliteert zo laagdrempelig het leggen van nieuwe contacten. Deelnemers kiezen vooraf welke personen zij willen ontmoeten tijdens een half uur durende sessies.

Product design

De zesde editie geeft extra aandacht aan (product)design. Dit wordt onderstreept door de samenwerking met BNO (Beroepsorganisatie Nederlandse Ontwerpers). Onderwerpen die Materials extra onder de aandacht brengt zijn: design, materiaalkeuze, software, hergebruik, circulaire economie en biomimicry. www.materials.nl>

Materials 2018, vakbeurs & congres: 30 en 31 mei 2018, Veldhoven Bezoeken is gratis. Aanmelden kan via www.materials.nl.

Klik hier voor een gratis ticket! 11 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

Ceramic Tectonics Tile Grid Shell Onderzoekers en studenten in de Material Processes and Systems Group (MaP + S) van de Graduate School of Design van Harvard ontwierpen en bouwden 's werelds eerste volledig keramische rasterschaalconstructie. Ze was eerder dit jaar te zien in Valencia, Spanje, tijdens de Cevisama 2018. De zogenaamde Ceramic Tectonics Tile Grid Shell is bedoeld als onderzoeksproject naar de structurele mogelijkheden van dunne, grootformaat keramische tegels, een product dat veel wordt gebruikt als interieur oppervlakteafwerking of buitenbekleding. Het prototype is volgens de betrokken partijen 's werelds eerste volledig keramische constructie in zijn soort. Uitgangspunt van Ceramic Tectonics was de vraag of met een product dat meestal

12 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


BERICHTEN

als een tweedimensionaal oppervlak wordt ervaren, ook een driedimensionale ruimte kan worden gemaakt’ En zo ontwikkelde ze een structuur van ongewapende keramische tegels, 6 mm dik, driehoekig en functionerend als een zelfdragende roosterconstructie. Het geheel is ontworpen om interne spanningen te minimaliseren en efficiënt te overspannen tussen drie steunpunten. De 30 keramische ribben van het bouwwerk vormen een nieuw structureel patroon van driehoeken en zeshoeken en zijn volgens Harvard wereldwijd het eerste systeem van dit type dat is gemaakt van keramiek.

Verbindingen

De ingekeepte verbindingen tussen de structurele ribben openen de weg voor een nieuwe assemblagetechniek die de noodzaak voor mechanische verbindingen tussen elkaar kruisende ribben overbodig maakt. Zo wordt het mogelijk om iedere rib van bovenaf verticaal te plaatsen.

Het projectteam heeft een computermodel ontwikkeld om de geometrie van het paviljoen te berekenen, de vorm in individuele componenten te bepalen, rekening te houden met montagetoleranties en de geometrie van iedere component vast te stellen. Dat stelde het projectteam in staat om tijdens de ontwerp- en prototypefase assembla­ getoleranties en componentafmetingen snel aan te passen. Met een maximale binnenhoogte van 2,48 m en een spanwijdte van 6 m tussen de steunen, omvat de structuur ongeveer 13,5 m² bebouwbare binnenruimte. Het bestaat uit 462 unieke elementen, variërend van 82 - 181 cm lang. De structurele diepte van elk element ligt tussen de 20 - 31 cm en wordt bepaald door de locatie binnen de structuur. De totale structuur weegt ongeveer 1.662 kg.

Project Projectdirecteur: professor Martin Bechthold Projectmanager: Zach Seibold Ontwerponderzoek: Yonghwan Kim, Olga Mesa, Milena Stavric Engineering: M. Bechthold (peer review: Windmill Structural Consultants) Opdrachtgever: Cevisama Sponsor: ASCER Tile of Spain Coördinator: ITC: Javier Mira Installatie: Grupo on Market Meer bij Harvard>

13 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

De ‘beleving van’ ... ‘Inflatables’ - opblaasbare objecten - bestaan er in oneindig veel vormen, producten en toepassingen: van voetballen, promotiemateriaal en binnenbanden tot soft robotics, architectonische structuren en hulpconstructies. In haar simpelste vorm wordt een inflatable gemaakt door twee vlakke folies aan elkaar te sealen tot een driedimensionaal product. Geavanceerde technologie is dan ook niet zozeer te vinden in de fabricage, maar vooral in de materialen en het ontwerp. Supervezels en multilayers worden bijvoorbeeld toegepast om beschadiging en drukverlies te voorkomen.

Op 27 maart 2018 organiseerde Material Design bij Publiair in Amsterdam de bijeenkomst ‘Beleving van Inflatables’. Er kwamen drie sprekers aan het woord die het onderwerp vanuit drie invalshoeken benaderden. Gastheer Wilco Ros van Publiair ging in op de communicatiemogelijkheden van opblaasbare objecten. Publiair ontwerpt en produceert al 45 jaar de meest uiteenlopende opblaasbare producten voor merken, bedrijven en organisaties. Of het nu om start-finish bogen gaat, inflatable promotie-items, opblaasbare tenten, productvergrotingen of 3D-blowups, het hoort allemaal thuis in het oeuvre van het

Opblaasbare kronen van Publiair, op het dak van de Bijenkorf in Amsterdam, tijdens de kroning van Willem Alexander (Foto: Publiair)

Inflatable donutvormige dak van het paviljoen voor de Wave expositie van BNP Paribas, ontworpen door Tentech (Foto: Tentech)

14 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018 Amsterdamse bedrijf. Publiair was onder meer verantwoordelijk voor twee twaalf meter hoge, opblaasbare kronen, die tijdens de kroning van Willem Alexander op het dak van de Bijenkorf in Amsterdam stonden. Rogier Houtman van het ingenieursbureau Tentech ging in op het dak van het paviljoen voor de Wave expositie van BNP Paribas. Tentech is een innovatief adviesbureau gespecialiseerd in lichtgewicht constructies. Tentech ontwierp voor een lichtgewicht constructie voor het donutvormige dak van het genoemde paviljoen. Daarbij is de luchtdruk in de opblaasbare donuts gebruikt voor de stabilisatie van een inwendige drukring waar het dak tussen is gespannen. Door participatie in het ontwerpproces kon de vorm al in een vroeg stadium worden geoptimaliseerd en werd daardoor productietechnisch vereenvoudigd. De inwendige en golvende drukring is gemaakt uit slechts één radius. Opspuiten van water en cellulosepulp, ijsreplica Sagrada Familia (Foto TUe, Bart van Overbeeke)

Detail van het inflatable donutvormige dak van het paviljoen van BNP Paribas, ontworpen door Tentech (Foto: Tentech)

Een derde een bijzondere toepassing die in Amsterdam aan de orde kwam, was inflatables in de rol van ‘bekisting’, toegelicht door Arno Pronk van de Technische Universiteit Eindhoven. Arno Pronk werkt zowel binnen de TUE en de KU Leuven al vele jaren als onderzoeker op het gebied van flexible mal technieken. Inflatables zijn daarbij een essentieel onderdeel. Het project waarmee hij in 2014 veel publiciteit kreeg was een ijskoepel met een overspanning van 30 meter, waarbij een inflatable als ‘mal’ diende. Als zelfstandig ontwerper realiseerde hij vele projecten en werkte samen met kunstenaars zoals Jürgen Bey, Dre Wapenaar en Michiel Kluiters. Pronk en zijn team bouwden - met ondersteuning van het bedrijf EasyCool - op basis van de inflatable maltechniek inmiddels de meest uiteenlopende ijsbouwwerken, waaronder een verwarmde iglo, een ijsreplica van de Sagrada familia (Finland 2015) en een dertig meter hoge reuzentoren in het Chinese Harbin (2017).

Het team van de TU bij de bouw van hun Sagrada Familia (Foto TUe, Bart van Overbeeke)

MaterialDesign: ‘... de beleving van’ MaterialDesign is een platform voor iedereen die betrokken is of zich voelt in de wereld van materialen, ontwerp en kunst met een achtergrond van materialen en ontwerp. Deze werelden staan vaak ver van elkaar, maar MaterialDesign wil die verbinden. Dat gebeurt onder meer door het organiseren van bijeenkomsten, symposia en door kennisoverdracht en kennisuitwisseling. De (discussie)bijeenkomsten over uiteenlopende onderwerpen die MaterialDesign organiseert hebben het thema: ‘de beleving van..’ Inmiddels zijn meer dan vijftig van zulke belevingen gehouden. Sinds 2016 werkt MaterialDesign nauw samen met Innovatieve Materialen. Meer op de website van MaterialDesign>

15 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

Material Xperience 2018

Van 13 - 15 maart dit jaar vond in Ahoy Rotterdam de 13de editie van Material Xperience plaats. Met ruim 8.400 bezoekers (een groei van ruim 35 procent ten opzichte van de vorige keer), 140 exposanten en 9.000 m2 oppervlakte, is het volgens organisator Materia de grootste multisectorale materialenbeurs ter wereld. Bezoekers van de Materal Xperiencewerden geconfronteerd met de nieuwste materiaalinnovaties. Een willekeurige greep uit het aanbod. Het Akoesta9-paneel maakt deel uit van een breed assortiment AkoestaCradles van het bedrijf Akoesta (Oostzaan, Nederland). Akoesta9-panelen zijn gemaakt van 100 procent PET, waarvan 60 procent is gerecycled. Akoesta9 is volgens de producent een betaalbaar akoestisch paneel van 9 of 12 mm dik, dat verkrijgbaar is in een groot aantal kleuren. De panelen kunnen in elke gewenste vorm worden gemaakt. Volgens de producent is het materiaal sterk en duurzaam in gebruik en kan het ook worden gebruikt als een creatieve akoestische wandbekleding, plafondbekleding of voor andere creatieve ontwerpen. Het materiaal heeft een absorptiewaarde van 0,9 As. Voordelen van AkoestaCradles zijn volgens de leverancier het akoestische effect, sterk en duurzam, eenvoudig te installeren en recyclebaar www.akoesta.com/akoestacradles/

16 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 ingrediënt TXActive wat het materiaal zelfreinigende eigenschappen geeft. In direct zonlicht ‘absorbeert’ het actieve bestanddeel in het materiaal bepaalde verontreinigende stoffen in de lucht en zet die om in inerte zouten, waardoor de atmosfeer wordt gezuiverd van smog. Daarnaast is de mortel gemaakt van 80 procent gerecyclede aggregaten, waarvan een deel bestaat uit afval dat is ontstaan bij het zagen van Carrara-marmer, waardoor het materiaal volgens ENCI bijzondere esthetische eigenschappen krijgt. https://www.enci.nl/nl/biodynamic

Foto’s: Palazzo Italia, Mario e Pietro Carrieri

BIODYNAMIC BIODYNAMIC is een vloeibare mortelspecie die wordt gebruikt voor de vervaardiging van niet-structurele, architectonische, doorgaans dunne elementen met een complexe geometrie. BIODYNAMIC werd bijvoorbeeld gebruikt voor de gevel van het Palazzo Italia, het iconische, door Nemesi & Partners ontworpen bouwwerk op EXPO 2015 in Milaan. Meer dan 750 individuele BIODYNAMIC-cementpanelen werden daar een voor een op de buitenmuur geïnstalleerd. Sommigen van hen waren voor 80 procent hol. De productnaam BIODYNAMIC is volgens producent ENCI een samentrekking van twee kenmerken van het materiaal: de ‘bio’-component is afkomstig van de fotokatalytische eigenschappen van het product, die het ontleent aan de actieve

Glazen stenen W2 passage Ook aandacht voor de bijzondere glazen stenen van de Willem II passage in Tilburg, die in 2016 werd opgeleverd. De Willem II passage verbindt als nieuwe publieke ruimte de binnenstad van Tilburg met het transformatiegebied De Spoorzone. De wanden van de passage zijn bekleed met glazen bouwstenen, waarvan de maat is afgeleid van de baksteenformaten zoals die in de omgeving zijn toegepast. Van Tetterode ontwikkelde in opdracht van de gemeente Tilburg en Civic architects speciaal een nieuwe tegel die licht diffuus doorlaat. Achter ieder glaspaneel zit LED-verlichting. De hele tunnel is interactief verlicht. De tunnel is 2 x 54 meter lang. De wanden zijn van glas (in een rvs-frame) gemaakt. Het rvs is gemaakt door Fictionfactory, verlichting werd ontwikkeld door Phillips. Achter de wanden is verlichting aangebracht die interactieve patronen kunnen vormen. De passagewand won de Dutch Design Award en was genomineerd voor de Wienerberger Brick Award 18 Categorie: Building outside the box. https://vantetterode.nl/

17 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 I-MESH I-MESH is een multi-axiaal, garen-achtig materiaal, geproduceerd door de gelijknamige producent uit het dorp Numana, ItaliĂŤ. Het materiaal is het resultaat van theoretische studie en van ervaring met composietmaterialen voornamelijk in nautische en ruimtevaarttoepassingen. Het materiaal is volgens de producent duurzaam, recyclebaar, geluidsabsorberend, isolerend, onbrandbaar en energiebesparend. De samenstelling van de I-MESH-garens kan worden aangepast in nauwe samenwerking met de klant. Het garen bestaat uit verschillende materialen, die worden gekozen op basis van de verwachte functie. De gebruikte grondstoffen hebben uitstekende vlamvertragende eigenschappen, prima mechanische en fysieke eigenschappen, uitstekende thermische isolatie en zijn chemisch resistent.I-MESH is gemaakt in de kleuren: zwart, wit, koper, goud, basalt. Het materiaal kan worden geproduceerd in panelen van kleine afmetingen of in zeer grote panelen, tot 5 x 15 meter of 5 x 12,5 meter, afhankelijk van de afwerking. De natuurlijke

garenkleuren zijn wit, zwart, grijs, goud, koper voor zowel binnen- als buitengebruik; maar de garens kunnen ook worden geverfd, waardoor er een eindeloze kleurenvarieteit beschikbaar is voor binnenshuis toepassingen. Het materiaal is volgens de producent zes tot zeven keer sterker dan metaal, heeft uitstekende brandvertragende eigenschappen en is PVC-vrij. Meer bij I-MESH>

Equitone linea Equitone Linea is een 3D-vormig, gekleurd gevelmateriaal, geproduceerd door Etenit NV (Kapelle-op-den-Bos, BelgiĂŤ). Het materiaal vertoont een lineaire textuur die volgens de producent de ruwe binnenste structuur van het kernvezelcementmateriaal benadrukt. Elk moment van de dag geeft de veranderende hoek van het daglicht het gevelmateriaal een ander aspect. Het materiaal is sinds 2018 ook verkrijgbaar in wit. Meer bij Eternit>

18 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 Muren van vlas Vlas is een van de oudste bekende textielplanten ter wereld. Het wordt voornamelijk geteeld voor de productie van linnen en garens (lange vezels), die op hun beurt weer worden toegepast in kleding, en tafel- en bedlinnen. Dit productie- en verwerkingsproces produceert ook verschillende bijproducten: zoals de middellange en korte vezels en houtachtige deeltjes. Tot halverwege de jaren vijftig werden deze houtachtige deeltjes meestal vernietigd, maar sindsdien worden er ook vaak panelen van geperst, die in de bouw worden gebruikt voor het interieur van gebouwen, bijvoorbeeld in deuren, keukenwerkbladen en scheidingswanden. Faay gebruikt deze 'vlasstro' panelen als basis voor wanden.

Foto’s: Materia/Faay

Vlas is licht en brandvertragend. Het heeft een sterke structuur en brandt niet, maar smeult in plaats daarvan. Vlas heeft bovendien hoge isolatie- en dB-waarden. De vlasspaanplaten zijn 100 procent biologisch afbreekbaar en 100 procent recyclebaar. De vlasmuren van Faay zijn leverbaar in verschillende hoogten en diktes. Als het gaat om duurzaam bouwen, zijn met name bouwmaterialen gemaakt van hernieuwbare grondstoffen - zoals vlas - een interessante optie. Bovendien is de milieu-impact van de productie van vlas klein. Dat komt omdat vlas tijdens de groei CO2 absorbeert en omzet in zuurstof. Verder heeft het verwerkingsproces een lage energie-impact, wat betekent dat het milieu-effect laag is. Bovendien wordt vlas lokaal geteeld en verwerkt, waardoor vervuilend transport tot een minimum kan worden beperkt. Meer bij Faay>

True Scale True Scale van Formica Group decors, is ontwikkeld voor grootschalige toepassingen zoals wanden in winkels of horeca. Tegen die achtergrond introduceert Formica Group acht True Scale-marmerdecors die de karakteristieken van natuursteen nabootsen. Zoals Calacatta Marble, volgens de producent met de fijne doorschijnendheid van de steen, van warm grijs en zachte taupe aders tegen helder wit. Breccia Paradiso is dan weer rijk gekleurd, terwijl Slate Sequoia een donker, warmgekleurd marmer imiteert met karakteristieke dooradering. Verder bevat het palet ‘Dolce Vita’ met de uitstraling van exotische steen en met fijne witte kristallijne kwartsstructuren. Andere True Scale-toevoegingen zijn: Travertine Silver, Antique Mascarello, Blue Storm en Jet Sequoia. Toepassingen voor gebruik zijn onder meer binnenmuurbekleding, kleedkamers, lambrisering, kasten, laden, slaapkamermeubilair, bars en toonbanken, kantoor- en/of ontvangstbalies, binnendeuren en werkbladen. Meer bij Formica>

19 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

Alusion: aluminiumschuim met epoxyhars Alusion - een product van Genesis PD, Krommenie - is een vorm van gestabiliseerde aluminiumschuim. Het gepatenteerde productieproces van Alusion begint met het maken van een metaalcomposietmatrix - een aluminiumlegering waaraan keramische deeltjes zijn toegevoegd. Dat wordt gesmolten waarna de aluminiumlegering in een

schuimvat wordt gebracht. Daar worden gasbellen geïnjecteerd die met behulp van een soort roerwerk uiteindelijk een schuim vormen. Het schuim verzamelt zich op het oppervlak van het gesmolten materiaal, waar het continu kan worden afgevoerd als plaatmateriaal. De schuimstructuur bevat overwegend gesloten cellen. De celgrootte wordt bepaald door de gasstroomsnelheid, het roerwerk en de rotatiesnelheid van de rotor. De injectiesnelheid van het gas en de omstandigheden waarmee het gas wordt

toegevoerd kunnen worden gevarieerd, waardoor schuimen met verschillende dichtheden kunnen worden geproduceerd. Het aluminium-schuim wordt vervolgens ingegoten met Liquid Gloss, waardoor er kunststof ‘bellen’ ontstaan. Door hieraan LED-verlichting toe te voegen, kunnen bijzondere kleur- en lichteffecten worden bereikt. Liquid Gloss is een transparante, stroperige twee-componenten epoxyhars die Genesis PB sinds 1997 gebruikt als coating in de kunst, architectuur en horeca. Vanwege de samenstelling en het handmatige gieten productieproces, kan Liquid Gloss worden toegepast in een breed scala aan objecten. Het Alusion-aluminiumschuim wordt geproduceerd in een continu gegoten plaat met een breedte van 1,22 m, die wordt gesneden tot 2,44 m lengte. Tekst/foto’s: Genesis PD Meer bij Genesis PD>

20 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 Constructief Fineer Constructief fineer bestaat uit dunne platen houtfineer die verbonden zijn met ‘Grip Metal’, een soort metalen klittenband. Constructief fineer is voortgekomen uit de samenwerking van twee bedrijven: Corruven en Grip Metal. De laatste brengt een gepatenteerd systeem op de markt, ontworpen om plaatwerk te vormen. Dat gebeurt met een soort metalen klittenband waarop microhaakjes aan zijn gebracht. Daaraan kunnen andere materialen zich fysiek hechten zonder gebruik te maken van traditionele kleefstoffen. Diverse materialen zoals rubbers, kunststoffen, hout en houtcomposieten, beton, koolstofatomen, glasvezels, papier, composietmaterialen kunnen met Grip Metal worden gehecht. Corruven is in 2008 opgericht door bosbouwkundig ingenieur Alain Bélanger. Het bedrijf maakt lichtgewicht golfplaten voor architectonisch gebruik. Er zijn twee productlijnen: ‘design materials’ en ‘protective packaging’. De combinatie van het Corruven fineer en de verbindingstechniek van levert een dun en sterk materiaal op, met een houtachtig uiterlijk en geschikt voor constructieve toepassingen. Meer bij corruven>

Boven: Stoel van constructief fineer (Corruven en Grip Metal) op de Material Xperience 2018 Onder: Grip Metal, detail

Grip Metal, video

21 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 textiel dat Sympany inzamelt en dat niet meer draagbaar is of herbruikbaar voor het spinnen van nieuwe garens. Nu worden deze textielresten vaak verbrand of tot vul- of isolatiemateriaal verwerkt. De Hogeschool van Amsterdam (HvA) heeft in de afgelopen twee jaar binnen het RAAK-MKB project RECURF onderzocht hoe dit oude textiel weer een nieuw, hoogwaardig leven kan krijgen. Door de textielresten te combineren met biobased plastics ontstaan nieuwe materialen met unieke technische, functionele en esthetische eigenschappen en toepassingsmogelijkheden. In vergelijking met alleen biobased plastics zijn deze nieuwe biocomposieten sterker, dempen ze geluid beter en hebben ze een hogere en unieke belevingswaarde. In het project zijn hiermee producten ontwikkeld voor de bedrijven die de textielresten ter beschikking hebben gesteld. Zo kunnen bijvoorbeeld een design stoel, een ipadsleeve, een brillenkoker of een wandpaneel door deze bedrijven zelf gebruikt of verkocht worden. Dit leidt tot een interessant circulair businessmodel met zowel een economische als een ecologische waarde. Meer bij de HVA>

RECURF-UP De hoeveelheid ingezameld textiel groeit, vooral door de aandacht voor circulaire economie en de inzamelingsdoelstellingen van lokale en regionale overheden. Meer dan 35 procent van deze textiele reststromen zijn niet geschikt voor hergebruik of recycling tot vezel en/of nieuw textiel. Het RECURF-project van de Hogeschool van Amsterdam heeft tot doel textielresten, in combinatie met biobased kunststoffen te hergebruiken in nieuwe producten. RECURF-UP is een acronym voor Re-use Circular Urban Fibres and Biobased Plastics in Urban Products. Verschillende bedrijven in de metropoolregio Amsterdam hebben textielresten die zij niet op een goede manier kunnen hergebruiken. Denk aan de jutenzakken waarin de koffie van Starbucks wordt vervoerd. Het snijafval van Ahrend of het

22 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

DUKTA DUKTA is een soort incisieproces dat hout of houtproducten flexibel maakt. Het wordt geproduceerd door Gommans in Venlo, Nederland. Door de incisies die worden gefreesd - krijgt het materiaal textielachtige eigenschappen en een aanzienlijk breder scala aan toepassingen. De internationaal gepatenteerde methode werkt met commercieel vervaardigd hout, zoals multiplex, MDF en drie-laagige platen. DUKTA-platen zijn buigbaar, hebben een bijzondere esthetische uitstraling en geluidabsorberende eigenschappen. Akoestische wanden en plafonds van het materiaal

hebben volgens de producent een hoge geluidsabsorptie voor alle frequenties, die alleen door andere absorptieproducten in specifieke frequentiebereiken worden bereikt. DUKTA-houtpanelen zijn geschikt voor zowel wand- als plafondtoepassingen, evenals vrijstaande scheidingswanden, verlichting en meubels. De incisies veranderen de statische structuur van de panelen op een ingrijpende manier. Ze maken het hout in de dwarsrichting van de inkepingen flexibel maar het materiaal behoudt zijn statische stabiliteit in de richting van de sneden. Vrijwel alle commerciĂŤle platen op houtbasis kunnen flexibel worden gemaakt

met behulp van het DUKTA-proces. De verschillende incisie types: SONAR, LINAR, FOLI en JANUS, verschillen in termen van het uiterlijk van de snede, het aandeel open oppervlakken en flexibiliteit. Typische toepassingen zijn akoestische systemen, scheidingswanden, meubels en verlichting. Gommans is een licentiehouder van DUKTA en produceert de DUKTA-panelen in haar productiefaciliteit in Venlo, Nederland. www.motionbygommans.com> ducta.com>

23 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

WYND Studio WYND uit Rotterdam is een interdisciplinair initiatief voor het ontwerp en engineering van esthetisch hoogwaardige meubels, of beter nog: meubelsystemen, gemaakt van vezelcomposieten. De interieurontwerpen worden met behulp van een computeranalyse geoptimaliseerd om de sterkte en de lage dichtheid optimaal te benutten. Een van hun ontwerpen, een tafel gemaakt van koolstofvezel, was te zien tijdens de Material Xperience. Met een hoge treksterkte en een laag gewicht zijn koolstofvezels populair voor toepassing in de lucht- en ruimtevaart, sport en het leger. Koolstofvezels hebben verschillende voordelen, waaronder hoge stijfheid, hoge treksterkte, laag gewicht, hoge chemische weerstand, hoge temperatuurtolerantie en lage thermische uitzetting. De ontwerpen van Studio WYND, bestaand onder meer uit een tafel, een salontafel, een bank en een stoel. Daarin worden ‘tegenstrijdige’ eigenschappen van koolstofvezel, zoals maximale sterkte versus minimaal eigen gewicht, optimaal benut. Het bedrijf ontwikkelde verschillende series, zoals de Pure Noire-serie. Meer op http://www.WYND.nl/

24 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

TERRA-ink: onderkomens van 3D-geprinte grond Door natuurrampen en militaire conflicten zijn in de afgelopen jaren een groot aantal mensen hun land te ontvlucht, wat heeft geleid tot de hedendaagse migratiecrisis. Huisvesting na een ramp gebeurt vaak inefficiënt. Het project TERRA-ink, een onderzoeksprogramma van de TU Eindhoven en TU Delft, richt zich op de bouw van tijdelijke onderkomens die geschikt zijn voor de overgangsperiode tussen noodopvang en permanente huisvesting. Het idee is een systeem te ontwikkelen voor het in lagen aanbrengen van lokale grond met een 3D-printtechniek.

voor grootschalige 3D-printing met elk type bodem. TERRA-ink is een 4TU.Bouw-project. (4TU.Bouw is een coalitie van de vier Nederlandse Technische Universiteiten). De betrokken onderzoekers: Tommaso Venturi, dr. Michela Turrin MSc Arch, Foteini Setaki Msc Arc, dr.ir. Fred Veer

(TU Delft); ir. Arno Pronk, Prof.Dr.-Ing Patrick Teuffel, Yaron Moonen, Stefan Slangen, Rens Vorstermans (Technische Universiteit Eindhoven). Meer bij 4TU.Bouw>

Het concept werd onder meer gepresenteerd op Gevel 2018 (januari) en Material Experience 2018 (maart). Binnen het kader van het TERRA-ink-project is onderzocht of het gebruik van ter plekke geproduceerde materialen in combinatie met additieve technieken besparingen zouden kunnen opleveren in termen van investeringen, grondstoffen, menselijke arbeid, logistiek en milieu-impact. Zo’n bouwsysteem moet een lowen hightech-technologieën combineren, om uiteindelijk een volledig open en universele oplossing mogelijk te maken

25 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018

Print your city Tijdens de Material Xperience werd de zogenaamde XXX bank tentoongesteld, gemaakt door het Print Your City! -project. Het gaat om een project van onderzoeks- en ontwerpstudio The New Raw, opgericht door Panos Sakkas en Foteini Setaki, waarmee zwerfplastic wordt ingezameld, gerecycled tot meubilair voor de openbare ruimte. Het project werd in 2016 gestart in samenwerking met Aectual als 3D Printing in de Circular City (Stimulus project van Circular City Program van AMS Institute) en ondersteund door de Technische Universiteit van Delft en AEB Amsterdam. Het idee achter het project was om afvalplastic te herverwerken en er uiteindelijk straatmeubilair en aanverwante producten mee te 3D-printen. Het eerste meubel dat de studio maakte, is de XXX bank, volledig gemaakt van gerecycled plastic en voor 100 procent recyclebaar. De bank biedt plaats aan twee tot vier personen en heeft de vorm van een dubbelzijdige schommelstoel. De XXX bank werd geproduceerd in samenwerking met Aectual, met een grote pellet extrusie 3D-printer. Het betreffende project - ‘3D Printing in the Circular City’ - verkent volgens de betrokken partijen de circulaire mogelijkheden om de toepassingen van

26 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


MATERIAL XPERIENCE 2018 gerecycled plastic te vergroten. Onderzoek naar de conversie van plastic afval naar een sterk printmateriaal was dan ook een belangrijk onderdeel van het project. In dat verband zijn lokale plastic afvalstromen onderzocht en beoordeeld om gebruikspatronen en het recyclingpotentieel te bepalen. De onderzoekers testten een selectie van materialen in de laboratoria van de TU Delft om hun mechanische eigenschappen te bepalen. De kunststoffen met de juiste mechanische eigenschappen werden vervolgens gerecycled tot een materiaal dat speciaal is ontworpen voor 3D-printen. De 3D-geprinte bank weegt ongeveer 50 kilo, bijna gelijk aan anderhalf keer het plastic afval van een Amsterdammer in één jaar tijd. Op basis van deze aantallen zouden jaarlijks 650.000 banken in Amsterdam kunnen worden geproduceerd. Volgens de website van het AMS Institute zijn de mogelijkheden voor applicaties en ontwerpen met printen van gerecyclede kunststoffen zo goed als eindeloos. 3D Printing in the Circular City biedt volgens AMS de stad Amsterdam de mogelijkheid om in samenwerking met haar eigen bewoners lokaal een ‘unieke openbare ruimte’ te bouwen, gemaakt van haar eigen plastic afval. Volgens de betrokken partijen kan de XXX-bank eenvoudig worden aangepast wat betreft vorm of functie en eventueel worden voorzien van persoonlijke berichten of logo's, zoals het logo van de stad Amsterdam. In het verlengde van de XXX-bank richt het 3D Printing in the Circular City-project zich nu op de ontwikkeling van een breder scala aan stadsmeubilair en openbare ruimtetoepassingen zoals bushaltes, recyclingbakken, speeltuinen en alles wat nuttig zou kunnen zijn voor de stadsbewoners. www.printyourcity.nl> www.ams-institute.org> www.thenewraw.org>

27 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


TUM-experimenten met 3D-geprint (hout)beton

Cellulair structuurelement gemaakt van lichtgewicht beton, geproduceerd door selectieve binding (Cement Activation) (foto: K. Henke, TUM)

INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Betoncomponenten worden traditioneel gemaakt door beton te gieten. Maar de mal of bekisting zorgt voor behoorlijke beperkingen wat betreft het ontwerp. 3D-printen biedt nieuwe vrijheid bij het vormgeven. Overal ter wereld wordt nu onderzoek gedaan naar de mogelijkheden van deze relatief nieuwe betonvormtechniek. Onderzoekers aan de Technische Universiteit van MĂźnchen (TUM) experimenteren met verschillende processen, waaronder selectieve binding en een nieuwe extrusiemethode om een mengsel van hout en beton te printen. Dat leidde tot een nieuwe materiaal: lichtgewicht, 3D-geprint houtbeton. Volgens Dr. Klaudius Henke van de TUMChair of Timber Structures and Building Construction, is additive manufacturing 3D-printen - uitermate aantrekkelijk voor architectuur en constructie. Het biedt een breed scala aan vormmogelijkheden met hoge efficiĂŤntie, zelfs voor kleine series. Een team onder leiding van Dr. Henke heeft met behulp van 3D-geprint beton extreem lichte en dunne maar sterke buizen gemaakt. De binnenkant van

28 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

die buizen bestaat uit een ingewikkelde versterkende structuur die de buis uiterst sterk maakt. Materiaalonderzoek heeft aangetoond dat de buizen bestand zijn tegen krachten tot 50 Newton per vierkante millimeter, waardoor ze net zo stabiel zijn als conventioneel gegoten beton. De inwendige verstevigingsstructuur zou met conventionele technieken onmogelijk te maken zijn geweest. Om

de buizen te produceren, gebruikten de TUM-onderzoekers een 3D-printtechniek die selective binding wordt genoemd. Dunne lagen zand worden begoten met een mengsel van cement en water op precies die punten waarop de vaste structuur moet worden gemaakt. Zodra alle lagen zijn uitgehard, kan het overtollige zand eenvoudigweg worden verwijderd, waardoor alleen de gewenste betonstructuur overblijft.


INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018 vervolgens voor dat vloeistof op exact de gewenste punten kan worden toegediend. Kritisch zijn daarbij onder meer de dikte van de lagen, de korrelgrootte van het zand, de snelheid waarmee de printkop beweegt en de keuze voor de juiste nozzle. De onderzoekers hebben de verschillende parameters geoptimaliseerd in samenwerking met het TUM Center for Building Materials. Samen met partners uit de industrie ontwikkelt het team momenteel een 3D-printer waarvan de printkop zal worden uitgerust met enkele duizenden nozzles. Dat apparaat maakt het voor de eerste keer mogelijk componenten met volumes van ongeveer tien kubieke meter te produceren. De eerste tests zijn voor dit voorjaar gepland. Extrusiekop (foto: TUM)

Details

Volgens TUM zit de truc in de details. Eerst moesten de TUM-onderzoekers een selective binding 3D-printer bouwen. De overgedimensioneerde printer is groot: ze beslaat een volledige laboratoriumruimte in de kelder

op het terrein van de faculteit. Het benodigde zand wordt gedistribueerd met behulp van een automatisch verstrooiingssysteem. Een 3D-robot zorgt ervoor dat de printkop elk gewenst punt in de werkruimte kan bereiken. Een spuitmondop de robot zorgt er

Houtbeton

Een ander alternatief 3D-printproces is een extrusiemethode, waarbij voorgemengd beton kan worden gebruikt. De TUM-onderzoekers hebben ook deze 3D-techniek onderzocht en geoptimaliseerd. Volgens Henke zit

Een van de grootste testobjecten, die werd gemaakt als onderdeel van het onderzoeksproject, is een wandelement met afmetingen van 150 cm x 50 cm x 93 cm (l x b x h). (foto: K. Henke, TUM)

29 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018 Maatwerk

Extrusiekop (foto: TUM)

Met behulp van de extrusiemethode zegt het TUM-team er inmiddels in te zijn geslaagd om 1,5 meter brede en 1 meter hoge prototypes te bouwen van licht houtbeton. Lichtgewicht houtbeton is net zo veerkrachtig en isolerend als conventioneel belucht beton. Het enige nadeel is volgens TUM de ruwe oppervlaktestructuur: de strengen die de muur vormen zijn erg zichtbaar. Maar volgens Henke kan dat ook worden gezien als ontwerpstructuur of worden weggewerkt. Het lichtgewicht houtbeton is ook eenvoudig te zagen, frezen en boren. Henke is ervan overtuigd dat 3D-printen de architectuur zal veranderen. De technologie maakt volgens hem niet alleen meer veelzijdige vormgeving mogelijk, maar ook meer variatie, omdat elk onderdeel afzonderlijk kan worden ontworpen zonder extra kosten.

Samenwerking

De onderzoeksactiviteiten worden uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen de leerstoel houtconstructies en bouwconstructies en het centrum voor bouwmaterialen. De Duitse onderzoeksstichting (Deutsche Selective binding (foto TUM)

het voordeel van dit proces vooral in de hoge bouwsnelheid. De keuze van materiaalcomponenten en het maken van inwendige holtestructuren maken het bovendien mogelijk om multifunctionele componenten te produceren. Het toevoegen van houtsnippers bijvoorbeeld, die lucht bevatten, leidt tot geïntegreerde thermische isolatie, die gebouwen in de winter beschermt ‘s winters tegen onderkoeling en tegen oververhitting in de zomer. De onderzoekers van TUM hebben nu een extrusiesysteem bedacht en geïmplementeerd voor de verwerking van dit nieuwe lichtgewicht houtbeton, zogenaamd Holzleichtbeton. Het mengsel van cement, hout en water wordt door een mondstuk gepompt, waardoor betonstrengen ontstaan met een dikte tot ongeveer twee centimeter. Het mondstuk is gemonteerd op een computergestuurde robotarm die de strengen precies op elkaar plaatst om de gewenste structuur te vormen.

30 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Buis met dubbele schoren, gemaakt door selective binding. (Foto: K. Henke TUM


INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Bij de proeffabriek voor additive manufacturing wordt een multifunctioneel wandelement geprint. Bachelorstudent Bettina Saile vult de testextruder met vers beton (foto: K. Henke, Technische Universiteit van München)

Forschungsgemeinschaft/DFG) en het Duitse onderzoeksinstituut 'Zukunft Bau', het Duitse federale ministerie voor milieu, natuurbehoud, bouw en nucleaire veiligheid (BMUB), zijn verantwoordelijk voor de financiering van zowel de lopende als recent gestarte onderzoeksprojecten. www.tum.de Publicatie ‘Additive Fertigung frei geformter Bauelemente durch numerisch gesteuerte Extrusion von Holzleichtbeton’ online>

Video

31 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


ONDERZOEK

‘Omarm entropie in het ontwerpen van nieuwe materialen’ Een veelgebruikte aanpak om een complex materiaal te ontwerpen is energieminimalisatie. Net als een knikker in een put, bewegen ook moleculen op de microschaal zich het liefst naar toestanden met een lage energie. Dit idee kan gebruikt worden om bijvoorbeeld een recept te ontwerpen voor het maken van een nieuw materiaal, bestaande uit verschillende ingrediënten. In andere gevallen wordt een materiaal zo ontworpen dat het zich op moleculaire schaal aanpast als het vervormd wordt of geactiveerd wordt door bijvoorbeeld licht, warmte, elektriciteit of breuk. Mogelijke reacties op externe stimuli die we tegenwoordig bij materialen kunnen inbouwen zijn (onder andere) microscopisch zelfherstel, verharding of verzachting, vormverandering, het uitzenden van licht, verandering van transparantie en kleurverandering. Deze aanpassingen worden vaak ontworpen zodat ze plaatsvinden via een moleculaire route, die de energie minimaliseert wanneer het materiaal vervormd of gestimuleerd wordt (figuur 1). Complexe materialen kunnen in principe op deze manier worden ontwikkeld, maar in de praktijk (in experimenten) is deze aanpak niet altijd succesvol. Hoe complexer de beoogde structuur, des te moeilijker het vaak voor de ingrediënten wordt om de juiste route ernaartoe te vinden. Dit komt doordat deze route concurreert met ‘dwaalsporen’: alternatieve wegen die naar gedeeltelijke of foute structuren leiden. Deze dwaalsporen kunnen energetisch zowel

32 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

bergopwaarts als bergafwaarts voeren, en leiden vaak tot structuren die lastig ongedaan te maken zijn. Hoewel elke individueel dwaalspoor dan misschien zelden voorkomt, kan de enorme hoeveelheid mogelijke dwaalsporen die wegleiden van het juiste pad gemakkelijk de kans van slagen op het bereiken van de juiste structuur of reactie verkleinen. Dit is in het bijzonder het geval voor ingewikkelde routes die verschillende tussenstappen nodig hebben om het

eindstation te bereiken. Stel je een toerist voor die probeert zijn bestemming te bereiken zonder kaart. De kans dat hij een verkeerde afslag neemt is groter als er meer afslagen op de route liggen, simpelweg omdat er meer plaatsen zijn waar hij de mist in kan gaan.

Entropie

De veelheid aan mogelijkheden die de moleculen ervaren wordt wetenschappelijk aangeduid met de term entropie.


ONDERZOEK Moleculaire routes voor assemblage van materialen moeten vechten tegen entropie. Entropie duwt het systeem deze dwaalsporen op, en weg van alle energie-minimaliserende routes die we ontworpen hebben. Het doel van dit artikel is te laten zien dat entropie ook een positieve bijdrage aan succesvolle assemblage kan geven. Met strategieën die erop gebaseerd zijn om zo veel mogelijk routes te hebben die naar een succesvol eindstation leiden, in plaats van slechts één ‘ontworpen route’, wordt entropie omarmd in plaats van bevochten. Zo ontwikkelen we manieren om entropie in te zetten om complexe materialen met bijzondere functies te maken. Materialen zijn altijd in beweging op de moleculaire schaal, door thermische beweging. Dit zorgt ervoor dat microscopische objecten verschillende configuraties, conformaties, permutaties of oriëntaties kunnen bezoeken, die geen deel uitmaken van de energetisch voordelige grondtoestand. Entropie is een maat voor deze moleculaire mogelijkheden en het drijft de ingrediënten richting structuren die meer mogelijkheden bevatten.

Polymeren met persoonlijkheid

Tot op heden zijn er verschillende polymeren ontworpen die actief gebruik maken van moleculaire beweging om functies te kunnen uitvoeren. Recente voorbeelden zijn materialen die zichzelf herstellen als ze beschadigen, zich dynamisch aanpassen aan vervorming door gebruik te maken van reversibele connecties, of vervormen in reactie op licht of hun chemische omgeving. Je zou ze ‘polymeren met persoonlijkheid’ kunnen noemen: materialen die zich op de microscopische schaal aanpassen, volgens hun externe omgeving of een stimulus. Het moleculaire ontwerp bevat de persoonlijkheid van het materiaal dat we op de macroschaal zien. Deze materialen zijn inspirerend, door hun creatieve gebruik van entropie. Maar we kunnen nog een stap verder gaan. De ontwerper van nieuwe moleculen - theoretisch of experimenteel - moet de relatie tussen samenstelling en entropie van een materiaal vaststellen, en idealiter ook begrijpen hoe deze relatie verandert als het materiaal wordt gemodificeerd.

Figuur 2: Meerwaardig nanodeeltje (groen) en polymeer (rood) die wisselwerken met een oppervlak dat bedekt is met receptoren (blauw). In beide gevallen wisselwerken de objecten met de receptoren door middel van discrete bindingsgroepen (bijvoorbeeld ligand of functionele groep). De entropie van meerwaardige bindingen heeft het meeste effect wanneer de bindingen tussen ligand en receptor zwak zijn en wanneer zij onafhankelijk van elkaar kunnen maken en breken

Figuur 1 (boven): Oorspronkelijke ingrediënten ontwikkelen zich spontaan, of na stimulatie, tot producten via een route (groen) die hier schematisch weergegeven is. Deze route concurreert met vele dwaalsporen (rood) die leiden tot misvormde structuren en kinetisch doodlopende wegen. (Onder): In een robuuster moleculair bouwproces zijn er meerdere routes naar de doelstructuur. Het inbouwen van entropie in het ontwerp helpt bij het creëren van meerdere mogelijke routes, door gebruik te maken van moleculaire fluctuaties rond de energetisch meest gewilde toestanden

Inspiratie uit de natuur

De natuur heeft materialen en systemen in overvloed waar entropie wordt ingezet voor robuuste functionaliteit. Een praktisch voorbeeld hiervan is de manier waarop interacties plaatsvinden op celoppervlakken. Bijvoorbeeld: T-cellen in het menselijk immuunsysteem vinden en vangen hun doelwit door middel van vele zwakke bindingen tussen liganden en receptoren. Deze ‘multivalente’ (meervoudige) manier van binden zorgt ervoor dat de adhesie tussen de cellen extreem selectief is voor het aantal liganden en receptoren op de T-cel en het doelwit. De binding tussen de cellen is sterk wanneer de ligand/receptordichtheid boven een bepaalde drempelwaarde ligt, maar extreem zwak als dit niet zo is (figuur 2). Selectiviteit komt voort uit het aantal mogelijke onafhankelijke bindingen als twee cellen in contact komen. De relatief zwakke binding tussen een ligand en een receptor stelt het systeem in staat de permutaties van deze mogelijke bindingen af te gaan op korte tijdschalen. Dit representeert een entropie die bijdraagt aan de sterkte van de adhesie tussen de twee cellen. De entropiebijdrage varieert (en kan dus worden ingesteld) met het aantal liganden en receptoren. Deze controle is niet aanwezig in vormen van binding die berusten op een enkel paar bindende moleculen, waar de bindingsenergie veel belangrij-

33 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


ONDERZOEK

Figuur 3: Moleculaire dynamicasimulaties zijn belangrijk om microscopisch inzicht te krijgen in een materiaal in evenwicht en wanneer het vervormd wordt. Dit zijn simulaties van een polymeernetwerk (blauw) met bindingsgroepen (geel) op elk monomeer. Speciale moleculen (rood) kunnen een of twee reversibele verbindingen met de polymeren vormen, met hun eigen bindingsgroepen (groen)

ker is. Meerwaardigheid is een krachtig maar algemeen microscopisch principe, dat al verschillende toepassingen in synthetische moleculaire ontwerpen kent, maar er zijn nog veel mogelijke toepassingen die kunnen worden onderzocht. In het algemeen geven zwakke moleculaire interacties de mogelijkheid tot entropisch ontwerpen. Zwakke bindingen hebben het grote voordeel dat ze reversibel zijn op korte tijdschalen, zodat ‘fouten’ in de bouw- of reactieroute snel ongedaan gemaakt kunnen worden. Het evidente nadeel van zwakke bindingen, dat bindingen te gemakkelijk zouden kunnen verbreken, wordt verholpen door meerdere bindingen toe te staan. Deze kunnen ontworpen worden zodat ze alleen specifieke interacties hebben met een deel van de moleculaire eenheden in het systeem.

34 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Adaptieve gel

Polymeren zijn veelbelovend voor meerwaardig ontwerpen, maar polymeren hebben een niet-triviale entropie. Polymeren die opgesloten zitten, of uitgerekt zijn, hebben van zichzelf al een lagere entropie dan een vrij polymeer. Het manipuleren van de entropie van polymeren is dus een andere route naar moleculair ontwerpen. In het huidige onderzoek met Wouter Ellenbroek en Kees Storm op de Technische Universiteit Eindhoven, bestuderen we een nieuw materiaal dat dit ontwerp laat zien. Het materiaal, een gel, bestaat uit een permanent verbonden polymeernetwerk, samen met monomeren die reversibele verbindingen kunnen maken en kunnen rondbewegen binnen de gel. De reversibele verbindingen stellen het materiaal in staat veel verder te vervormen dan het materiaal zonder de rever-

sibele verbindingen. Ze maken de gel hierdoor taaier, maar opvallend genoeg blijft de stijfheid die je bij kleine vervormingen meet, onveranderd (figuur 3). Met microscopische theorieĂŤn en modellen vinden we dat relatief zwak bindende reversibele bindingen zich het liefst verzamelen in de buurt van de permanente verbindingen. Dit is een verschijnsel dat wordt gedreven door entropie (figuur 4). Het vormen van een reversibele verbinding ver weg van een permanente verbinding leidt tot een grotere beperking van de beweging van de twee polymeerketens die betrokken zijn bij de binding. Het beperken van de moleculaire mogelijkheden betekent een lagere entropie. Aan de andere kant is het entropieverlies kleiner als de reversibele verbinding zich dichter bij de permanen-


ONDERZOEK het aantal kruisverbindingen constant blijft. In plaats daarvan is entropie de drijvende kracht voor het gedrag van het materiaal. Bij het afkoelen van het netwerk wordt de topologie onveranderlijk (afkoelen brengt het materiaal in een lokaal energieminimum), terwijl opwarming zorgt dat het uitwisselingsmechanisme wordt geactiveerd zodat de entropie van het netwerk weer in actie kan komen.

Figur 4: Polymeren (blauw) gebonden aan een permanente verbinding (wit) in een polymeernetwerk, en een nabij molecuul (rood) dat een reversibele binding kan maken. Het verlies in entropie is lager wanneer de reversibele bindingen dicht bij de permanente bindingen zitten (rechtsboven), omdat de twee polymeerketens dan minder bewegingsvrijheid kwijtraken dan wanneer de reversibele bindingen verder weg zitten (rechtsonder). De sterkte van de reversibele bindingen is in beide gevallen gelijk. De reversibele bindingen worden dus door entropie gedreven zodat ze zich dicht bij de permanente verbindingen in het netwerk verzamelen. (N.B.: De vier polymeerketens strekken zich uit tot buiten de figuur, en zijn uiteindelijk aan het andere uiteinde permanent verbonden met andere ketens in het systeem.)

Het gebruiken van entropie in de ontwikkeling van materialen vereist microscopisch inzicht, waarvoor moleculaire theorieën en simulaties waardevolle middelen zijn. Actief onderzoek in dit gebied probeert duidelijke verbanden tussen microscopische ontwerpen en de unieke - vaak onverwachte - gedragingen van materialen die daaruit voortkomen te definiëren. Dit onderzoek spreekt zowel de industrie als de academische wereld aan, door de diversiteit aan mogelijke microscopische ontwerpen die ingezet kunnen worden voor nieuwe toepassingen of fundamenteel fysisch inzicht. Nicholas B. Tito

te bevindt, aangezien de polymeren daar toch al redelijk bij elkaar in de buurt zijn en er dus relatief minder bewegingsvrijheid verloren gaat. Doordat ze zich dicht bij de permanente verbindingen verzamelen, bieden de reversibele verbindingen extra stevigheid aan het materiaal, zonder dat ze de topologie (structuur) van het netwerk veranderen. Dit is een mogelijke verklaring voor de unieke eigenschap van deze gels: de extra verbindingen maken het sterker en taaier, maar het heeft dezelfde stijfheid bij kleine vervorming als de gel zonder reversibele verbindingen.

Vitrimeren

Materialen kunnen ook ontworpen worden zodat ze de moleculaire entropie van de polymeren zelf inzetten. Een uniek type materiaal genaamd ‘vitrimeren’ is daar een voorbeeld van. Vitrimeren zijn materialen die zich bij lage temperatuur gedragen als thermoharders, maar een activeerbaar mechanisme bevatten dat hun netwerk veranderlijk maakt, voor bijvoorbeeld zelfherstel of recycling.

Dit mechanisme is gebaseerd op een uitwisselingsprincipe, dat de kruisverbindingen in het netwerk de mogelijkheid geeft om te verwisselen, maar niet om te breken. Het totale aantal kruisverbindingen blijft hierdoor constant, maar de verwisselingen geven het materiaal een vervormbaarheid die vergelijkbaar is met die van gesmolten glas: goed bewerkbaar, vervormbaar en recyclebaar. Er zijn in de afgelopen jaren verschillende chemische realisaties van dit principe ontwikkeld, bijvoorbeeld het gebruik van transesterificatiereacties om ester-kruisverbindingen in netwerken dynamisch te maken. Activering van het uitwisselingsmechanisme gebeurt dan door het verhogen van de temperatuur, wat de analogie met gesmolten glas nog een beetje sterker maakt. In deze vloeibare toestand kunnen de polymeerketens voortdurend van bindingspartners wisselen.

Drijvende kracht

In vitrimeren wordt de entropie van de polymeren gebruikt (bij hoge temperatuur) zodat het materiaal vervormd kan worden. De energie van het systeem blijft hierbij ruwweg behouden, omdat

In samenwerking met Wouter G. Ellenbroek en Thijs van der Heijden, Mathijs Vermeulen en Anwesha Bose. Theory of Polymers & Soft Matter, Department of Applied Physics Eindhoven University of Technology Eindhoven, The Netherlands Email: nicholas.b.tito@gmail.com ‘Self-Consistent Field Lattice Model for Polymer Networks’ door dr. Nicholas B. Tito, dr. W. Ellenbroek en prof.dr. Kees Storm (TU/e). [Macromolecules, 2017, 50 (24), pp 9788–9795] Een deel van dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van het 4TU.High-Tech Materials onderzoeksprogramma ‘New Horizons in designer materials’ (www.4tu. nl/htm). Een aparte pagina op deze site is gewijd aan dit project van Nicholas B. Tito, Wouter Ellenbroek en Kees Storm: ‘Reversible Crosslinking’. https://www.4tu.nl/htm/en/new-horizons/reversible-crosslinking/

35 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018


AGENDA Plastics Recycling Show 24 - 25 april 2018, Amsterdam www.prseventeurope.com/

Biopolymer 19 - 20 juni, Halle, Duitsland https://polykum.de/en/biopolymer-2018/

Hannover Messe 23 - 27 april 2018, Hannover http://www.hannovermesse. de/home

15th International Conference on Inorganic Membranes 18 - 22 juni 2018, Dresden https://www.icim2018.com/

Intermat 2018 23 - 28 april 2018, Parijs https://paris.intermatconstruction.com/

Holz messe 29 aug - 1 sept 2018, Klagenfurt www.kaerntnermessen.at

Ceramics Expo 2018 1 - 3 mei 2018, Cleveland www.ceramicsexpousa.com

Architects@work 12 - 13 september 2018, Rotterdam www.architectatwork.nl

Bio-based Materials 15 - 16 mei 2018, Keulen bio-based-conference.com

Aluminium Next 20 september 2018, Veldhoven mikrocentrum.nl

Challenging Glass 17 - 18 mei 2018, Delft www.challengingglass.com

Tecnargilla 2018 24 – 28 september 2018, Rimini, Italië http://en.tecnargilla.it//

Biocolours 28 - 29 mei 2018, Breda bio-oloursconference.com

Kunststoffen 2018 27 - 28 september 2018, Veldhoven https://kunststoffenbeurs.nl/

LIMA, Leichtbaumesse 29 - 30 mei 2018, Chemnitz, www.lima-chemnitz.de/

Aluminium 2018 9 - 11 oktober 2018, Düsseldorf www.aluminium-messe.com

Utech Europe 29 - 31 mei 2018, Maastricht http://www.utecheurope.eu

Nationale Staalbouwdag 2018 10 oktober 2018, Amsterdam nationalestaalbouwdag.nl/

Materials 2018 30 - 31 mei 2018, Veldhoven www.materials.nl

Industrietag Siliciumnitrid 23 - 24 oktober 2018, Dresden www.ikts.fraunhofer.de

Materials Science and Engineering 11 - 13 juni, 2018 Barcelona

Metavak 2018 30 oktober - 1 november 2018, Gorinchem

Cements 2018 11 - 12 juni 2018, USA ceramics.org/cements2018

Composites Europe 6 - 8 november 2018, Stuttgart www.composites-europe.com

Biobased Performance Materials (BPM) 14 juni 2018, Wageningen

XVI ECerS Conference 16 - 20 juni 2019, Turijn http://ecers.org/


Voeg informatie toe aan de Kennisbank Biobased Bouwen De Biobased Economy speelt een belangrijke rol in de duurzame ontwikkeling van Nederland en biedt nieuwe kansen voor het bedrijfsleven. Via de kennisbank kunt u kennis vergaren en delen over de beschikbaarheid en toepassingsmogelijkheden van biobased materialen, producten en bouwconcepten. Samen versterken we zo de biobased economie. Ruim dertig partijen in de bouwsector ondertekenden de green deal biobased bouwen. Deze producenten, architecten, adviseurs en kennisinstellingen delen hun kennis rond kansrijke mogelijkheden van biobased bouwen. Ook de ministeries van Binnenlandse Zaken (Wonen en Rijksdienst), Economische Zaken, en Infrastructuur en Milieu ondersteunen de green deal. Bouw ook mee aan de biobased economie en voeg uw project- of productbeschrijvingen toe aan deze kennisbank. Kijk op www.biobasedbouwen.nl voor meer informatie>


INNOVATIEVE MATERIALEN Innovatieve Materialen Innovatieve Materialen is een interactief, digitaal vakblad over nieuwe en/of innovatief toegepaste materialen in de civieltechnische sector, bouw, architectuur en design. Kerngedachte achter het blad is dat de materialensector tot dusver was ‘verzuild’ op basis van materiaalsoorten, waardoor veel kennis en kansen niet worden benut. Daar wil Innovatieve Materialen iets aan doen. Innovatieve Materialen verschijnt in digitale vorm zes keer per jaar. Abonnees ontvangen een bladerbare versie plus een downloadable pdf-editie. Beide versies zijn interactief, en bevatten hyperlinks en video’s. Uitgever: SJP Uitgevers: Postbus 861, 4200 AW Gorinchem. Tel. 0183 66 08 08 Vraag een gratis digitaal proefnummer aan: info@innovatievematerialen.nl

SJP Uitgevers Postbus 861 4200 AW Gorinchem tel. (0183) 66 08 08 e-mail: info@innovatievematerialen.nl

Digitaal

Innovatieve Materialen is een digitaal vakblad, wat logischerwijs de mogelijkheid geeft om meer informatie toe te voegen dan in een conventio­ neel papieren vakblad gebruikelijk is. Vaak wordt er bij de artikelen een koppeling gemaakt met een relevante website, achterliggende informatie, rapporten, videomateriaal en/of eerder verschenen artikelen.

Een digitaal abonnement in 2017 (6 uitgaven) kost € 39,50 (excl. BTW) www.innovatievematerialen.nl

Profile for Innovatieve Materialen

Im22018  

Im22018