IM 3 2018 by Innovatieve Materialen

Nummer 3 2018

EfficiĂŤnter grondstoffengebruik bij 3D-geprinte metalen componenten Het glazen spaceframe Doorbraak in 3D-printen van grote metalen producten TERRA-ink: 3D-printen met grond Carbon Nanotube Matrices

EEN

UITGAVE

VAN

SJP

UITGEVERS

INHOUD Innovatieve Materialen is een vaktijdschrift over ontwikkelingen op het gebied schrift gericht op de civieltechnische sector en bouw. Het bericht over ontwikvan duurzame, innovatieve 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 SJP de grond-, wegen waterUitgevers bouw en verkeerstechniek. Postbus 861 De redactie staat open voor bijdragen 4200 Gorinchem van vakgenoten.AW U kunt daartoe contact tel. (0183) 08 opnemen met 66 de 08 redactie. e-mail: info@innovatievematerialen.nl www.innovatievematerialen.nl

Hoofdredactie: Uitgeverij 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: € 25,(excl. BTW) vof Bureau Schoonebeek 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 vanprof.dr.ir. de uitgever. Eindhoven), Jilt Sietsma, (4TU.HTM/ Werktuigbouwkunde, Maritieme Techniek & Technische Materiaalwetenschappen, 3mE)

8 Efficiënter grondstoffengebruik bij 3D-geprinte metalen componenten

In het onlangs geopende 3D-Printing Lab voor metalen en constructiematerialen van het Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics, het Ernst-MachInstitut (EMI), is onderzoek gedaan naar hoe zo efficiënt mogelijk lichtgewicht aluminiumcomponenten kunnen worden vervaardigd met Additive Manufacturing: 3D-printtechnieken. De onderzoekers ontdekten dat zelfs kleine reducties in het gebruik van materialen en grondstoffen per component, een forse kostenbesparingen kan opleveren bij serieproducties.

12 Het glazen spaceframe

De ‘Glass and Transparency Research Group’ van de Technische Universiteit Delft doet onderzoek en geeft onderwijs op het gebied van constructief glas. Een van de vakken waarin de groep betrokken is, is het glasonderdeel van de minor ‘Bend and Break ‘. In 2016 hebben de studenten meegedacht en gewerkt aan het ontwikkelen en vervaardigen van glazen onderdelen voor de ‘Glass Truss Bridge’ die vervolgens is gebouwd op de campus van de TU Delft.

16 Doorbraak in 3D-printen van grote metalen producten

3D-printen van grote metalen voorwerpen staat nog in de kinderschoenen.Dat is jammer, want Additive Manufacturing van grote metalen componenten heeft voordelen, vooral in termen van ontwerp, productiesnelheid en kosten. Om grote metalen producten te kunnen 3D-printen is echter nieuwe kennis nodig en die moet veelal nog worden opgebouwd. Een Nederlands samenwerkingsverband tussen belanghebbende bedrijven, twee universiteiten en kennis-intermediair M2i hebben onlangs voor een doorbraak gezorgd met het 3D-pronten van een 400 kilo zware scheepsschroef. En volgens de betrokken partijen is dat nog maar het begin.

20 TERRA-ink: 3D-printen met 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 is van nature divers en dynamisch en moet voldoen aan specifieke sociaal-culturele en economische vereisten. Dat gebeurt vaak inefficiënt. Het project TERRA-ink richt zich op de bouw van tijdelijke onderkomens die geschikt zijn voor de overgangsperiode tussen noodopvang en permanente huisvesting, en richt zich speciaal op nieuwe bouwmethoden die tijd en kostenefficiëntie mogelijk maken, maar ook op flexibiliteit om zich aan verschillende omstandigheden aan te passen.

24 Carbon Nanotube Matrices: Materiaalplatform voor Optische, Elektrische, Thermische en Mechanische systemen

BERICHTEN

Dakpannen van afgedankte banden Onderzoekers van het Argentijnse Centro Experimental de la Vivienda Económica (CEVE-CONICET) (Experimenteel Centrum voor Economische Huisvesting) hebben een methode ontwikkeld om tegels te maken met gerecycled rubber. Het rubber komt uit bedrijfsafval en van afgedankte banden. Dankzij de samenstelling zijn de tegels van CEVE lichter en flexibeler, bestand tegen hagel en met een hogere isolatiewaarde isolatie en waterdichtheid dan conventionele tegels. Het tegelmateriaal werd door CEVE ontwikkeld in samenwerking met het Instituto CINTEMAC van de Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Córdoba, Argentinië.

bevriezing en hagel in vergelijking met traditionele tegels, zoals van keramiek of beton. Bovendien zijn ze lichter. Het project bevindt zich momenteel nog in een experimentele fase, met als

doel het verkrijgen van de bijbehorende certificering voor de daaropvolgende commercialisering. www.ceve.org.ar (Spaans)>

Die samenwerking leidde tot een productieproces waarbij gemalen rubbers uit industrieel afval en gebruikte banden met behulp van een extruder worden geperst. Volgens de ontwikkelaars van het systeem gaat het om een duurzaam product voor dakbekleding, omdat het is gemaakt van het hergebruikt afval. Bovendien zouden de rubber tegels beter bestand zijn tegen vervorming,

1 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

BERICHTEN

Prijs voor innovatieve 3D-betonprinttechniek Op donderdag 17 mei 2018 werd bekendgemaakt dat de Winsemius Award 2018 in de categorie ‘Manufacturing and Production’ is gewonnen door advies- en ingenieursbureau Witteveen+Bos, voor het innovatieve project Virtual Design & Digital Construction (VD²C). De uitreiking vond plaats tijdens een galadiner in Singapore, in aanwezigheid van Masagos Zulkifli, de Singaporese minister voor Milieu en Water, ambassadeur Margriet Vonno en ZKH prins Constantijn. Deze vierde editie van de prijs is georganiseerd door ADB DutchCham en het thema van de prijs was dit jaar ‘Technological Innovation’. De Winsemius Award is een uiting van waardering voor de prestaties van Nederlandse bedrijven en organisaties die excelleren in hun bedrijfsactiviteiten in Singapore, waarbij zij gebruikmaken van zowel Nederlandse als Singaporese medewerkers, technologie en kennis. De essentie van de Witteveen+Bos-inzending is digital construction in het algemeen en 3D-betonprinten in het bijzonder, als voorbeeld van het digitale constructie-principe dat als doel heeft de bouwproductie in Singapore te verhogen. VD²C maakt het mogelijk om de bouwproductie te versnellen met minder

2 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

fysiek belastende werkzaamheden voor de bouwers en met minder kans op constructiefouten. Daarnaast maakt deze technologie het mogelijk om te besparen op materiaal, geeft het architecten een grotere vormvrijheid en bevordert het de veiligheid op de bouwplaats. Met VD²C zegt Witteveen+Bos digitale data uit de designfase op slimme wijze toe te passen om de constructiefase vergaand te digitaliseren en automatiseren. 3D-betonprinten is een techniek die het bijvoorbeeld mogelijk maakt om een design digitaal te versturen naar een betonprinter op welke locatie ter wereld dan ook, om daar het ontwerp ter plekke te concretiseren. Voor de verschillende projecten binnen VD²C werkt Witteveen+Bos in Singapore samen met lokale universiteiten (zoals Nanyang University of Technology), overheden (HDB) en andere organisaties (zoals Robin Village Development). Daarmee wordt de inzending door de jury gezien als relevant voor de Singaporese gemeenschap en economie. http://www.witteveenbos.nl/

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 3 2018

BERICHTEN

Innovatieve Materialen en de nieuwe Privacywet In verband met de nieuwe Privacywet die sinds 25 mei van kracht is willen wij u in het kort laten weten hoe SJP Uitgevers omgaat met uw gegevens. Voor de volledige tekst zie www. sjp-uitgevers.nl

Persoonsgegevens die wij verwerken

SJP Uitgevers verwerkt uw persoonsgegevens doordat u gebruik maakt van onze diensten en/of omdat u deze zelf aan ons verstrekt. Hieronder vindt u een overzicht van de persoonsgegevens die wij verwerken: - Voor- en achternaam - Adresgegevens - Telefoonnummer - E-mailadres - IP-adres (in geval van een digitaal abonnement)

Met welk doel en op basis van welke grondslag wij persoonsgegevens verwerken

SJP Uitgevers verwerkt uw persoonsgegevens voor de volgende doelen: - Verzenden van onze vakbladen/nieuwsbrief en/of advertentie-informatie - U te kunnen bellen of e-mailen indien dit nodig is om onze dienstverlening uit te kunnen voeren - Het afhandelen van uw betaling

Hoe lang we persoonsgegevens bewaren

SJP Uitgevers bewaart uw persoonsgegevens niet langer dan strikt nodig is om de doelen te realiseren waarvoor uw gegevens worden verzameld.

Delen van persoonsgegevens met derden

SJP Uitgevers verkoopt uw gegevens niet aan derden en verstrekt deze uitsluitend indien dit nodig is voor de uitvoering van onze overeenkomst met u of om te voldoen aan een wettelijke verplichting. Met bedrijven die uw gegevens verwerken in onze opdracht (zoals verzenders), sluiten wij een bewerkersovereenkomst om te zorgen voor eenzelfde niveau van beveiliging en vertrouwelijkheid van uw gegevens.

Cookies, of vergelijkbare technieken

SJP Uitgevers gebruikt geen cookies of vergelijkbare technieken.

Gegevens inzien, aanpassen of verwijderen

U heeft het recht om uw persoonsgegevens in te zien, te corrigeren of te verwijderen. Daarnaast heeft u het recht om uw eventuele toestemming voor de gegevensverwerking in te trekken of bezwaar te maken tegen de verwerking van uw persoonsgegevens door SJP Uitgevers en heeft u het recht op gegevensoverdraagbaarheid.

Hoe wij persoonsgegevens beveiligen

SJP Uitgevers neemt de bescherming van uw gegevens serieus en neemt passende maatregelen om misbruik, verlies, onbevoegde toegang, ongewenste openbaarmaking en ongeoorloofde wijziging tegen te gaan. Als u de indruk heeft dat uw gegevens niet goed beveiligd zijn of er aanwijzingen zijn van misbruik, neem dan contact op met onze contactpersoon: Petra Schoonebeek, ps@ innovatievematerialen.nl of via sjp@sjp-uitgevers.nl www.innovatievematerialen.nl

RBOEK -

g - KGK JAA

gan 38ste jaar

Keramisch Jaarboek 2017/2018

2017/2018

ISCH M A R E K OEK B R A A J 8 2017-201

EEN

AVE UITG

VAN

KGK

4 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Half december verscheen het Keramisch Jaarboek 2017/2018. Het jaarboek behoort bij het tijdschrift KGK (Klei Glas Keramiek) en wordt uitgegeven door SJP Uitgevers in samenwerking met Nederlandse Keramische Vereniging (NKV). Dit jaar is de opzet van het jaarboek enigszins aangepast. De inhoud is meer gericht op een bredere doelgroep dan de keramische sector alleen. Dit omdat de toegevoegde waarde van keramische producten, zowel traditioneel als technische keramiek steeds vaker buiten de sector worden herkend en gewaardeerd. Dit niet alleen vanwege de esthetische en technische toegevoegde waarde, maar ook omdat de producten een interessante bijdrage kunnen leveren in termen van duurzaamheid. Het Keramisch Jaarboek bevat algemene informatie over zowel technische als traditionele keramiek, samenvattingen opgenomen van artikelen die in het afgelopen jaar in KGK zijn verschenen adressenlijst van bedrijven, instellingen, organisaties en musea. Keramisch Jaarboek 2017/2018, 56 paginaâ&#x20AC;&#x2122;s kost â&#x201A;Ź 25,- excl. BTE, excl. verzendkosten. Het is te bestellen bij SJP Uitgevers: sjp@sjp-uitgevers.nl. Betalende abonnees van Innovatieve Materialen kunnen de digitale versie (pdf) van het jaarboek op aanvraag gratis ontvangen.

BERICHTEN

Overspanning van 3D-geprinte stalen brug is af In april is de volledige overspanning van de MX3D-brug voltooid. MX3D is een 3D-geprinte roestvrijstalen brug, bedoeld voor één van de oudste en beroemdste grachten in het centrum van Amsterdam, de Oudezijds Achterburgwal. De techniek waarmee MX3D dat doet, werkt met een zesassige industriële robot, die puntje op puntje staal last, waardoor er lange slierten ontstaan. Met behulp van software (ontwikkeld door MX3D en Autodesk) kan het bedrijf op die manier sterke, complexe structuren printen. De industriële robots werken met met speciaal gebouwde tools en ontwikkelde de software waarmee sterke, complexe

en sierlijke structuren 3D uit metaal kunnen worden geprint. Doel van het MX3D Bridge-project is volgens MX3D om de mogelijke toepassingen van de door het bedrijf ontwikkelde meerassige 3D-printtechnologie te demonstreren. The brug is ontworpen door Joris Laarman Lab, Arup; ArcelorMittal levert de metallurgische expertise, Autodesk helpt met hun kennis over digitale productietools, Heijmans fungeert als bouwexpert, Lenovo ondersteunt het project met computerhardware, ABB is de robotspecialist , Air Liquide & Oerlikon brengen expertise in over lassen, Plymovent is verantwoordelijk voor de luchtbehandeling en AMS en de

TU Delft tekenden voor het onderzoek. Gemeente Amsterdam is de eerste klant. Oktober van dit jaar zal de brug worden gepresenteerd en volgens schema in 2019 worden geplaatst. http://mx3d.com>

Video

5 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

BERICHTEN

Gegoten basalt tegels

Tijdens de Material Xperience, eerder dit jaar georganiseerd door Materia, presenteerde tegels.com verschillende producten gemaakt van gegoten basalt, geproduceerd door Eutit. Dit Tsjechische bedrijf produceert twee basismaterialen: gesmolten basalt en een materiaal met handelsnaam Eucor, eveneens op basis van basalt. Gesmolten basalt heeft een hoge slijtvastheid en uitstekende chemische bestendigheid. Eucor heeft dezelfde eigenschappen en is bovendien bestand tegen hoge temperaturen. Het wordt uitsluitend gebruikt in industriële toepassingen als slijtvaste coating in leidingen. Basalt is een natuurlijke steensoort, met een potentiële levensduur van duizenden jaren. Maar door de hardheid en moeilijke verwerkbaarheid is de toepassing in de bouwsector tot dusver beperkt. Pas in de twintigste eeuw heeft basalt een veel bredere toepassing in de industrie en civiel technische sector gekregen met door de ontwikkeling van processen voor het smelten en gieten van van niet-metaalhoudende ertsen, zoals basalt.

6 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

In het proces van Eutit wordt basalt wordt continu gesmolten in een speciale oven tot 1280 ° C. Vervolgens wordt het in metalen of zandgevormde mal gegoten. Nadat de mal is verwijderd, worden de producten 16 - 21 uur gekoeld in een koeltunneloven, waarbij het materiaal opnieuw uitkristalliseert en zijn uiteindelijke eindgebruikseigenschappen krijgt. Eutit produceert een groot aantal uiteenlopende producten van gesmolten basalt en dat aantal neemt volgens het bedrijf nog steeds toe. Belangrijke toepassingen zijn bestratingen, buizen, rioleringsgoten, buizen, stenen en meer.

BERICHTEN Eucor is een materiaal dat wordt geproduceerd door het smelten van basalt in een elektrische vlamboogoven bij een temperatuur van meer dan 2000 Â°C, gevolgd door kristallisatie van de smelt. De smelt wordt volgens de gebruikelijke gietmethode in zandvormen gegoten. Het eindproduct is aluminium-zirkonium-silicaat, gevormd uit korund, baddeleyiet en glas. Eucor heeft interessante eigenschappen, met name als het gaat om hardheid, weerstand tegen hoge temperaturen en chemische corrosie. Vanwege de hardheid wordt het materiaal vaak toegepast onder omstandigheden waar extreme zware slijt/ schuurbelasting een rol speelt, zoals bij pneumatisch transport van zand, sinter, voornamelijk in de leidingbochten. Andere voorbeelden zijn bekledingen van afscheiders, spiraalgoten, dragline-transportbanden, betonmixers, mengers enzovoorts. De weerstand tegen hoge temperaturen maakt toepassing mogelijk voor de bekleding van glasovens boven het smeltniveau, speciale vormstukken van brandermuren en branders zelf, vormdelen van regeneratieve kamers, cokesovens enzovoorts. Een interessante mogelijkheid is volgens de producent het gebruik in vliegasscheiders met hoge ingangstemperatuur, waarbij alle eigenschappen, inclusief de chemische bestendigheid, kunnen worden ingezet. Meer over Eutit producten: www.eutit.com> Meer info: www.tegels.com>

7 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

Structureel geoptimaliseerde wieldrager voor een ultralichte auto, ontworpen voor additieve productie - gemaakt in het 3D-druklaboratorium voor metalen en constructiematerialen op Fraunhofer EMI (Foto Fraunhofer EMI)

Efficiënter grondstoffengebruik bij 3D-geprinte metalen componenten In het onlangs geopende 3D-Printing Lab voor metalen en constructiematerialen van het Fraunhofer Institute for High-Speed Dynamics, het Ernst-Mach-Institut (EMI), is onderzoek gedaan naar hoe zo efficiënt mogelijk lichtgewicht aluminiumcomponenten kunnen worden vervaardigd met Additive Manufacturing: 3D-printtechnieken. De onderzoekers ontdekten dat zelfs kleine reducties in het gebruik van materialen en grondstoffen per component, een forse kostenbesparingen kan opleveren bij serieproducties. Het 3D-druklaboratorium voor metalen en constructiematerialen op Fraunhofer EMI in Freiburg is in het bezit van een van de grootste 3D-printers voor metaal die op dit moment in de handel zijn. Met behulp van het selectief lasersmeltproces (Selective

8 | INNOVATIEVE MATERIALEN 2 2018

LaserMelting, SLM) kunnen hiermee metaalstructuren worden gemaakt met afmetingen tot 40 centimeter. 3D-printen opent volledig nieuwe wegen om metalen componenten met zeer complexe vormen te ontwerpen en hun gewicht te optimaliseren. Maar alleen

door Additive Manufacturing en een uitgekiend, lichtgewicht ontwerp te combineren, kan de materiaal-efficiëntie worden geoptimaliseerd. Fraunhoferonderzoekers in het 3D-Printing Lab hebben nu onderzocht hoe zuinig het Additive Manufacturing is in termen van

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Roosterkubus met randlengte van 40 centimeter, een van de grootste metalen constructies vervaardigd met behulp van selectieve lasersmelting (SLM) (Foto Fraunhofer EMI)

grondstoffengebruik en of de materiĂŤle en operationele kosten kunnen worden geminimaliseerd in vergelijking met conventionele industriĂŤle processen. Voor hun onderzoek kozen ze een veel gebruikt onderdeel: een wieldrager zoals zou kunnen worden gebruikt in een lichtgewicht voertuig. De focus in het onderzoek lag op energie- en materiaalverbruik, fabricagetijd en de CO2-emissies die ontstaan bij de kleinschalige productie van twaalf wieldragers.

structuren niet worden vervaardigd met conventionele methoden zoals frezen of draaien. Volgens Klaus Hoschke, wetenschapper en groepsleider bij Fraunhofer EMI, bleek men met het zo geproduceerde

lichtere model enorm te kunnen besparen op grondstoffen en werd per component veel minder materiaal gebruikt. Als dat effect wordt doorgerekend naar productie, kost het veel minder tijd, materiaal en energie.

Geometrische complexiteit

De onderzoekers gebruikten een eindige-elementenmethode voor het ontwerp en bepaalden met structurele optimalisatiemethoden de juiste geometrische vorm. Daarna construeerden ze het wieldrager volgens een geoptimaliseerd lichtgewicht ontwerp. Het resultaat was een wieldrager ontworpen voor de gedefinieerde belastingsscenario's en met maximale prestaties. Vanwege de geometrische complexiteit kunnen op deze manier geproduceerde

Verschillende structurele componenten gerangschikt op een basisplaat na een selectief lasersmeltproces (Foto: Fraunhofer EMI)

9 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Eindige-elementenanalyse van het startontwerp van een wieldragerdemo (links); numerieke ontwerpoptimalisatie van de technologiedemonstratie om de massa van de component te verlagen zonder de functionaliteit te schaden (midden); en CAD-sjabloon voor het vervaardigen van de 3D-metaalcomponent (rechts) Foto Fraunhofer EMI

Het verkleinen van het materiaalvolume door het gebruik van hoge sterkte materialen biedt volgens Hoschke hier het grootste potentieel voor energiebesparing. Voor de productie van de geoptimaliseerde versie van de wieldrager bleek met het additieve proces 15 procent minder energie nodig voor dan voor de conventionele methode. De productietijd was 14 procent lager

en de CO2-uitstoot 19 procent. De materiaalconsumptie tenslotte, kon met 28 procent worden verminderd. Voorspellingen over het effect van Additive Manufacturing van metalen op de wereldwijde productie lopen sterk uiteen. Maar volgens Hoschke is iedereen het over één ding eens: voor bepaalde industrieën - zoals lucht- en ruimtevaart, autotechniek, medische techniek en gereedschap maken, zal

het een ingrijpend effect hebben. In de toekomst willen Hoschke en zijn team onderzoeken in hoeverre andere ontwerpen, seriegroottes en andere materialen zoals titanium van invloed zijn op de efficiëntie van het productieproces. Tekst: Fraunhofer

Selective Laser Melting (SLM) Selective Laser Melting (SLM) is een additieve fabricagetechniek waarbij objecten laag per laag worden opgebouwd. Het startpunt voor de fabricage van metalen componenten via SLM is metaalpoeder. Dat wordt op het constructieplatform aangebracht en in bepaalde gebieden gesmolten met behulp van laser. Daarna stolt het metaalpoeder, waarna een nieuw laagje poeder wordt aangebracht. Op die manier wordt een homogene 3D-component met complexe geometrie opgebouwd. Het voordeel van de methode is dat structureel materiaal alleen wordt aangebracht op plaatsen waar het daadwerkelijk nodig is. Bovendien kan het niet-gesmolten metaalpoeder opnieuw worden gebruikt, wat de efficiëntie van het materiaalgebruik vergroot.

10 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

BERICHTEN

Architectonisch ontwerpen van bruggen in vezelversterkte kunststof

Randelementen van de Julianabrug in Zaanstad

De fly-over Waarderpolder in Haarlem, Royal HaskoningDHV, 2007, 2013

In navolging van de automobiel- of luchtvaartindustrie vinden vernieuwende, sterke en lichte materialen hun weg naar de bouwsector. Een veelbelovend materiaal in dit opzicht is vezelversterkt kunststof, ook wel composiet genoemd omdat het materiaal bestaat uit vezels versterkt met polymeerhars. Composiet biedt ook kansen voor de esthetische uitstraling van een brug.

vanuit de omgeving vooral manifesteren in het (zij-) aanzicht zijn de randen van een brug vaak de eerste blikvangers. De rand definieert hoe een brug opgaat in zijn omgeving. Voor ons was de Julianabrug in Zaanstad een pioniersproject waarvan de brugranden volledig werden gemaakt in composiet; strakke vormen, lichtgewicht, onderhoudsarm en oersterk. Dat composiet ook een grote draagkracht heeft bewijzen de panelen van de fly-over Waarderpolder. De panelen zijn gedimensioneerd op het gewicht van een onderhoudsman met gereedschapskisten die met enig bukken door het inwendige van de panelen kan lopen.

Sinds de eerste composiet voetgangersbrug in Harlingen uit 1995 toont de bruggenbouwpraktijk een groeiende belangstelling voor dit vernieuwende materiaal. In Nederland heeft deze belangstelling inmiddels geresulteerd in honderden bruggen waarin composiet is toegepast. Composiet wordt zowel toegepast voor de hoofddraagconstructie als op een meer complementaire manier, zoals voor modulaire randen brugdeksystemen. De beginjaren van composiet bruggen werden gedomineerd door eenvoudige sandwichplaten, gesloten doosconstructies die inwendig verstijfd werden met ribben. Alleen de kenner kan aan deze bruggen zien dat zij vervaardigd zijn van een nieuw materiaal, voor de argeloze voorbijganger zouden ze net zo goed van staal of beton kunnen zijn. Soms gaat men zelfs zover dat een houten leuning wordt geĂŻmiteerd in composiet; een vertrouwd gezicht voor de gebruiker maar lekker goedkoop in het onderhoud. Composiet biedt echter veel kansen voor de esthetische uitstraling van een brug. Bij Royal HaskoningDHV is in 2006 begonnen met het toepassen van composiet als een esthetische afwerking van bruggen. Omdat bruggen zich

De hoge sterkte van composiet, afhankelijk van de gebruikte vezels en de vezelrichting soms wel tien keer sterker dan staal, maakt composiet uitermate geschikt voor de hoofddraagconstructie van een brug. Recentelijk ontwierpen wij hele bruggen in composiet. Zo is de Nelson Mandelabrug in Alkmaar momenteel de grootste beweegbare verkeersbrug in composiet ter wereld. Het dek van deze tafelbrug overspant 22,5 meter en weegt de helft van een stalen equivalent. Hierdoor kon fors worden bespaard op de onderbouw en het bewegingswerk en was het mogelijk om de contragewicht compact en in de open lucht te houden. Ir. Joris Smits MSc. Royal HaskoningDHV Joris Smit gaf op 16 mei op de Infra Expo in Leuven een lezing over dit onderwerp

11 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Glazen spaceframe Afbeelding 1 - Het glazen vakwerk dat de studenten van Bend & Break van de TU Delft hebben gebouwd

De ‘Glass and Transparency Research Group’ van de Technische Universiteit Delft doet onderzoek en geeft onderwijs op het gebied van constructief glas. Een van de vakken waarin de groep betrokken is, is het glas-onderdeel van de minor ‘Bend & Break ‘. In 2016 hebben de studenten meegedacht en gewerkt aan het ontwikkelen en vervaardigen van glazen onderdelen voor de ‘Glass Truss Bridge’ die vervolgens is gebouwd op de campus van de TU Delft

Afbeelding 2 - De glazen vakwerkbrug op de campus van de TU Delft

12 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Afbeelding 3 - Assemblage van de staven en verbinding aan Mero ballen

Afbeelding 4 - Close up van de verbinding

Aanvankelijk was het ontwerp van de staven van de brug gebaseerd op het principe van de gelijmde bundel, al eerder door de groep ontwikkeld (Oikonomopoulou, van den Broek, Bristogianni, Veer, & Nijsse, 2017). Deze keer was de inzet niets minder dan een glazen ruimtelijk vakwerk, geheel zonder lijm. Door het voorspannen van de bundel en het insluiten van de glazen staven in de kopplaten is dit mogelijk (zie afbeelding 3).

De verbinding met de knoop (een standaard ruimtevakwerkknoop van Mero), heeft Kees Baardolf speciale verloopbuisjes gemaakt. Deze verloopbuisjes kunnen aan de ene kant op de voorspanstaaf worden gedraaid en zijn aan de andere kant uitgerust met het bevestigingssysteem van Mero (zie afbeelding 4). De studenten hebben in twee weken alle glazen staven op

Afbeelding 5 en 6 - Het testen van de glazen staven op druk in het Stevin-II lab

13 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Afbeelding 7 - Voorspannen van de glazen staven

lengte gezaagd en nabewerkt in het lab. Vervolgens hebben ze de staven geassembleerd en voorgespannen zodat de eerste staven getest konden worden op druk (zie afbeelding 5 en 6).

Afbeelding 8 - Close up van de knoop

De druktesten zijn belangrijk voor het bepalen van de kritische belasting zodat de studenten waarden hadden voor de berekeningen van hun eigen ontwerpen, maar ook om te zien of de kracht uit de

Afbeelding 9 en 10 - Het assembleren van het uiteindelijke vakwerk

14 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

kopplaat goed word ingeleid in het glas, via de rubberen ringetjes die daarvoor bedoeld waren. Vervolgens zijn de rest van de staven geassembleerd en voorgespannen (zie

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018 afbeelding 7). Met de voorgespannen staven hebben de studenten het ruimtevakwerk gebouwd (afbeelding 9). Dit ruimtevakwerk is bedoeld als demonstratie om een gevoel te krijgen bij dit type constructie. Ze moesten namelijk vervolgens met het principe van het glazen ruimtevakwerk een eigen project ontwerpen, detailleren en berekenen. Oikonomopoulou, F., van den Broek, E. A. M., Bristogianni, T., Veer, F. A., & Nijsse, R. (2017). Design and experimental testing of the bundled glass column. Glass Structures & Engineering, 2(2), 183-200. doi:10.1007/ s40940-017-0041-x

Afbeelding 12 - Bezoekers entrum The Green Village (studenten ontwerp)

http://hightechmaterials.4tu.nl

Select key words and find relevant materials scientists or research groups within 4TU.

High-Tech Materials form the key to innovative and sustainable technology

www.4tu.nl/htm @4TU_HTM

4TU.HTM Research Programme New Horizons in Designer Materials | Visibility and accessibility of Materials Science & Engineering | Annual symposium Dutch Materials | 4TU.Joint Materials Science Activities | web application http://hightechmaterials.4tu.nl 15 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

Doorbraak in 3D-printen van grote metalen producten Het 3D-printen van grote metalen voorwerpen staat nog in de kinderschoenen. Dat is jammer, want Additive Manufacturing van grote metalen componenten heeft voordelen, vooral in termen van ontwerp, productiesnelheid en kosten. Om grote metalen producten te kunnen 3D-printen is echter nieuwe kennis nodig en die moet veelal nog worden opgebouwd. Een Nederlands samenwerkingsverband tussen belanghebbende bedrijven, twee universiteiten en kennis-intermediair M2i hebben onlangs voor een doorbraak gezorgd met het 3D-printen van een 400 kilo zware scheepsschroef. En volgens de betrokken partijen is dat nog maar het begin.

Additive Manufacturing (AM) van grote metaalcomponenten valt of staat bij de voorspelbaarheid en de beheersing van de belangrijkste materiaaleigenschappen. Dat vereist de ontwikkeling van nieuwe, krachtige modellen en de opbouw van nieuwe kennis. Er bestaan verschillende processen om 3D-metaalcomponenten te fabriceren en de keuze beĂŻnvloedt de opbouwsnelheid (geme-

16 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

ten in massa per tijdseenheid), evenals de functie, grootte en de kwaliteit van het eindproduct. Tot nu toe zijn de technologische ontwikkelingen voornamelijk gericht op processen gericht op nauwkeurige, kleine constructies, gefabriceerd met behulp van metaaldepositietechnieken en met een grootte in centimeters. Grootschalige AM-processen hebben geen fabricagebeperkingen die gewoon-

lijk wel spelen bij kleine producten, zoals de noodzaak van hulpstructuren of beperking van een enkel (horizontaal) werkvlak. Ze geven echter vaak aanleiding tot een aanzienlijke mate van microstructurele anisotropie1, wat op zijn beurt leidt tot oriĂŤntatie-afhankelijkheid van de mechanische eigenschappen. Bovendien kunnen restspanningen die zich binnen een component ontwikkelen

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

als gevolg van processtandigheden, leiden tot onaanvaardbare deelvervorming of zelfs catastrofale fouten als gevolg van scheuren. Dat risico wordt verergerd door de anisotrope eigenschappen van de microstructuur. Ondanks de potentiële technische toepassingsmogelijkheden heeft de ontwikkeling van een directe metaaldepositietechniek voor grote werkstukken

tot dusver relatief weinig aandacht gekregen. Voordelen zijn er echter te over. Onderdelen kunnen bijvoorbeeld exact worden gemaakt waar en wanneer nodig. Bovendien wordt het mogelijk om binnen één compacte monolithische component deelcomponenten te ontwerpen met totaal verschillende eigenschappen (bijvoorbeeld sterkte, slijtage of corrosieweerstand, massa,

Video: the making of

17 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

verschillende elektrische eigenschappen, enzovoorts). Verder zijn er snelle productie van kleine series en de mogelijkheid om (metallurgisch) incompatibele materialen samen te voegen door het aanbrengen van gelaagde tussenlagen.

Potentie

De verwachting is dat 3D-printen van metalen componenten de maakindustrie de komende jaren revolutionair zal veranderen. Daarom moedigt de EU op internationaal niveau, net als verschillende landen op nationaal niveau, waaronder Nederland, specifieke financieringsprogramma’s aan om het onderzoek op dit gebied te versterken en samenwerking tussen onderzoeksinstellingen en bedrijven op dit vlak te stimuleren. Het gaat dan vooral om samenwerkingsverbanden tussen academische en onderzoeks organisaties die op dit gebied werkzaam zijn en sectoren die geïnteresseerd zijn in de exploitatie van de resultaten. Volgens de Nederlandse Nationale Wetenschapsagenda is 3D-printen een grensverleggende technologie die een enorme potentiële impact heeft op de ontwerpmogelijkheden voor componenten, waardoor nieuwe eigenschappen binnen bereik komen die met geen enkele andere technologie kunnen worden

18 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

gerealiseerd. ‘Onsite/remote’ fabricage wordt makkelijker en doorlooptijden worden verkort. Opslag- en transportkosten kunnen daarmee dalen. De constructie van grootschalige (circa 1 tot> 10 m) 3D-geprinte, metalen componenten voor (veiligheidskritieke) toepassingen vereist echter een grondige kennis van metallurgische structuren, restspanningen en bijbehorende mechanische eigenschappen. Deze worden op hun beurt weer in belangrijke mate beïnvloed door factoren die de samenstelling en thermisch-mechanische geschiedenis van elk 3D-volume-element binnen een component bepalen, zoals warmteinput, koelsnelheid, spanningsontwikkeling, opbouworiëntatie, componentontwerp en warmtebehandelingen.

De eerste doorbraak

Het ‘Rotterdam Additive Manufacturing LAB’ (RAMLAB) is het eerste veldlaboratorium voor 3D-printing dat zich richt op de maritieme industrie. Met een 3D-metaal printer kunnen scheepscomponenten binnen een paar dagen worden vervaardigd, in plaats van in enkele maanden, zoals nu het geval is. RAMLAB is een initiatief van Havenbedrijf Rotterdam, InnovationQuarter en RDM Makerspace. Een jaar geleden hebben ze een

nauwe samenwerking tot stand gebracht met het Materials Innovation Institute (M2i), een organisatie die opereert als een verbindende schakel tussen industrie en kennisinstellingen. Als netwerkorganisatie voert M2i materiaalonderzoek uit samen met ongeveer honderd industriële en academische partners. De eerste 3D-geprinte scheepspropeller, de zogenaamde WAAMpeller, is een product dat het RAMLAB ontwikkelde in samenwerking met enerzijds haar partners en anderzijds de technische universiteiten Delft en Twente. Het is een van de voorbeelden waarin M2i een leidende rol heeft gespeeld in het koppelen van de juiste kennisdragers aan specifieke industriële behoeften. WAAMpeller is gemaakt met Wire Arc Additive Manufacturing, een 3D-printproces dat gebruik maakt van een lasdraad. Met een gewicht van 400 kilo is daarmee een doorbraak bereikt in 3D-printen van grootschalige metalen producten. Het behaalde resultaat vormt de basis om in de toekomst nog grotere en meer complexe productontwerpen te produceren. Bij het project waren twee M2i-onderzoekers betrokken: Wei Ya (UT) en Constantinos Goulas (TU Delft).

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018 Van product naar eigenschappen

‘We zijn erg trots op de eerste stappen die nu zijn gezet in het 3D-printen van grootschalige metaalproducten, maar we zijn er nog niet’, zegt Bert van Haastrecht, Director Programs van M2i. ‘Er moet nog veel meer kennis worden ontwikkeld voordat de technologie geschikt is voor grootschalige industriële toepassing. Dan gaat het om het optimaliseren van materiaaleigenschappen en het automatiseren van het printproces tot big data-analyses voor machine learning en product-topologie-optimalisatie. De volgende stappen zullen worden gezet in het kader van het onlangs goedgekeurde NWO-TTW Perspective-programma AiM2XL. Binnen dit programma, onder leiding van prof. Dr. Ian Richardson van de TU Delft, zullen we samen met een consortium van 24 partners de eigenschappen van het geprinte materiaal op het microniveau bestuderen. Verder zullen modellen worden ontwikkeld waarmee het gedrag van het product als geheel kan worden voorspeld en beheerst. Bovendien willen we een aantal nadelen dan wel beperkingen van de methode (meerdere thermische cycli, interne spanningen, enzovoorts) omzetten in bruikbare vrijheidsgraden met het doel gelaagde materialen te kunnen maken met de juiste microstructuur en met materiaalspanningen exact op de juiste plaats.’ ‘Het programma maakt de weg vrij voor een nieuwe, materiaalgerichte benadering. Daarin worden modelcombinaties gebruikt om on-demand materiaaleigenschappen op specifieke locaties binnen een structuur te ontwerpen en te fabriceren. Succesvolle implementatie van het programma zal Nederland een leidende positie geven in de productie van grote metalen componenten.’

De betrokken M2i onderzoekers Wei Ya (UT, links) en Constantinos Goulas (TU Delft).

Viktoria Savran Program Manager M2i 1 Een materiaal wordt anisotroop genoemd wanneer zijn eigenschappen niet in iedere richting dezelfde zijn.

M2i Materials innovation institute (M2i) ondersteunt bedrijven met materiaalonderzoek en advies om productontwikkeling mogelijk te maken; door middel van materiaalinnovatie en vernieuwde processen. Als onafhankelijke netwerkorganisatie voert M2i samen met circa honderd industriële en academische partners materiaalonderzoek uit. Het gaat om projecten in Nederland en in bredere Europese context. Daarin speelt M2i een intermediaire rol, van het identificeren van onderzoeksthema’s, het definiëren van integrale programma’s tot en met coördineren van de projecten. Momenteel lopen ruim honderd onderzoeken op verschillende universiteiten, zoals materiaalmodellering om gedrag bij bepaalde omstandigheden te analyseren, of experimenteel onderzoek in nieuwe materiaalsamenstellingen. www.m2i.nl

3D-geprint schroefblad, ongepolijst, 3D-geprint schroefoppervlak, tentoongesteld tijdens de Material Xperience, maart 2018

19 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

3D-printen met grond

TERRA-ink

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. Volgens de UNHCR bereikte het aantal gedwongen ontheemden wereldwijd het hoogste niveau sinds de Tweede Wereldoorlog; een ontwikkeling die noodhuisvesting uiterst belangrijk maakt. Echter, huisvesting na een ramp is van nature divers en dynamisch en moet voldoen aan specifieke sociaal-culturele en economische vereisten. Dat gebeurt vaak inefficiënt. Het project TERRA-ink richt zich op de bouw van tijdelijke onderkomens die geschikt zijn voor de overgangsperiode tussen noodopvang en permanente huisvesting, en richt zich speciaal op nieuwe bouwmethoden die tijd en kostenefficiëntie mogelijk maken, maar ook op flexibiliteit om zich aan verschillende omstandigheden aan te passen. Het concept werd onder meer gepresenteerd op Gevel 2018 (januari) en Material Experience 2018 (maart).

Doel van het TERRA-inkt project is de ontwikkeling van een systeem voor het voor het in lagen aanbrengen van lokale grond met een 3D-printtechniek. Er is onderzocht of het gebruik van ter plekke geproduceerde materialen in combinatie met additieve technieken besparingen zouden kunnen opleveren in termen van investeringen, grondstoffen, menselij-

20 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

ke arbeid, logistiek en milieu-impact. Zo’n bouwsysteem moet een low- en hightech-technologieën combineren, om uiteindelijk een volledig open en universele oplossing mogelijk te maken voor grootschalige 3D-printing met elk type bodem.

Mengsel

Tijdens het project werd het gebruik van zowel lokale materialen als machines onderzocht. Zo werd er gekeken naar grondmateriaal en speciaal naar de materiaaleigenschappen van verschillende mengsels onder droge en natte omstandigheden. Er zijn verschillende

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

mengsels (klei + aggregaten) onderzocht om te kunnen bepalen hoe verschillende kleisoorten en korrelgrootte de fysieke en mechanische eigenschappen van het materiaal beïnvloeden. Vervolgens werden compressietests uitgevoerd op gedroogde bodemmonsters. De resultaten zijn vervolgens gebruikt om de druksterkte en andere parameters voor de structurele analyse te bepalen. Daaruit bleek dat additieven en verschillende soorten natuurlijke vezels (stro, jute en hooi) belangrijke invloed hebben op het ontwerp van het mengsel. Dit omdat de vezels in de mix de spanningsweerstand van de grond verhogen en de krimp verminderen.

van invloed is op het extrusieproces. In het project zijn algemeen beschikbare machines gebruikt, om een alternatieve open-source methode te ontwikkelen voor grootschalige 3D-printing die kan worden toegepast in elke noodsituatie. Doel: een vereenvoudigde logistiek en

lagere kosten, vooral in vergelijking met bestaande technologieën zoals robots of grote commerciële printers. Er zijn tests uitgevoerd met een industriële kleimolen en een betonmixer om de parameters te bepalen voor een optimale extrusie. Door de interactie van de

Extrusie

Naast het bestuderen van de mechanische prestaties van gedroogde grond, werd door de onderzoekers ook gekeken naar de eigenschappen van het mengsel in vloeibare staat. Het gedrag van het mengsel werd geanalyseerd tijdens het extrusieproces waarmee het materiaal in laagjes werd aangebracht (ge-3D-print). Parallel aan de materiaalstudies, is onderzoek gedaan naar de hardware. Dit uiteraard omdat dat ook

21 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

machines met het vloeibare grondmengsel en de depositie ervan te bestuderen, was het mogelijk de belangrijkste parameters die van invloed zijn op het juiste ontwerp van een grondmengsel te definiëren. Daarnaast is onderzoek gedaan naar de ontwerp met betrekking tot de geometrie en het structurele gedrag van de shelters. Als testcase werd een eenvoudig shelterontwerp geanalyseerd met het doel met zo min mogelijk materiaal te gebruiken, de printtijd te verminderen) en tegelijk een goede structurele stabiliteit te bereiken.

Vorm en geometrie

Omdat gebogen vormen over het algemeen sneller kunnen worden geproduceerd door middel van 3D-printen, werd eerst een eenvoudige, ronde vorm onderzocht. Ronde bouwwerken zijn in vergelijking met veel andere vormen meer aardbevingsbestendig omdat ze symmetrisch zijn in alle richtingen. Na het definiëren van de randvoorwaarden (zoals maximale afmetingen van het printoppervlak en gewenste structurele eigenschappen op basis van laboratoriumtests en literatuur) werd structurele optimalisatie gebruikt om de optimale geometrie vast te stellen. Daar kwam uit dat koepels en kegels als de meest efficiënte vormen moeten worden gezien. Verder zijn onregelmatigheden in de

22 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

wandoppervlakken (zoals openingen) onderzocht om de beperkingen in afmetingen en de beste geometrie voor deuren en ramen vast te stellen. Met behulp van 1:1 schaalmodellen is onderzocht welke geometrische vormen daadwerkelijk kunnen worden gemaakt. In wezen zijn de vorm en geometrie van de shelter ook een gevolg van het drukproces.

Tijdens de afzetting heeft het vloeibare materiaal de neiging om te vervormen en uiteindelijk te vervormen onder zijn eigen gewicht. Als dat gebeurt in ongecontroleerde omstandigheden kunnen de gevolgen van dit proces groot zijn. Het gebrek aan stijfheid en stabiliteit van de geprinte laag kan worden gecompenseerd door de geometrie ervan. Een

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018 bloemvormige laag kan de stabiliteit van de totale structuur drastisch verbeteren, totdat het mengsel droog genoeg is om zijn eigen gewicht te weerstaan. Om die reden wordt een tweede laag geprint om extra ondersteuning te bieden tijdens het extrusieproces en te zorgen voor een herverdeling van de spanningen in het materiaal als de muur droog is. Deze externe laag is ook een nuttige bescherming tegen weersomstandigheden. De zo ontstane tussenruimte kan bovendien voordelen bieden in termen van ventilatie of kan worden opgevuld met isolatiemateriaal, afhankelijk van het plaatselijke klimaat. Tijdens het proces werden verschillende kleinschalige tests uitgevoerd. Er is een 1:1 prototype van een wanddeel gemaakt als een proof of concept. Het prototype zal ook worden gebruikt om de geometrieĂŤn en de structurele prestaties verder te testen. Hoewel meer onderzoek nodig is om het constructiesysteem te ontwikkelen, tonen de huidige resultaten volgens de onderzoekers aan dat het systeem potentie heeft om daadwerkelijk te worden toegepast. Dat zou dan weer kunnen

leiden tot een aanzienlijke verbetering op het gebied van noodhulp. Daarnaast worden de verdere voordelen van grond als bouwmateriaal onderstreept. In de afgelopen eeuwen werd altijd grond gebruikt; maar tegenwoordig wordt het vaak als bouwmateriaal onderschat of geassocieerd met simpele constructies. Maar op basis van dit onderzoek kan het, zeker in combinatie met innovatieve technologieĂŤn, worden heroverwogen als relevantie optie.

Technische Universiteit Delft: Tommaso Venturi, dr. Michela Turrin MSc Arch, Foteini Setaki Msc Arc, dr.ir. Fred Veer Technische Universiteit Eindhoven: ir. Arno Pronk, Prof.Dr.-Ing Patrick Teuffel, Yaron Moonen, Stefan Slangen, Rens Vorstermans https://www.4tu.nl/bouw/en/lighthouse2017/TERRA-ink/

23 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

ONDERZOEK

Carbon Nanotube Array:

Materiaalplatform voor Optische, Elektrische, Thermische en Mechanische systemen Carbon nanotube array, muur en bos (Foto: KEYENCE)

Nanomaterialen, in tegenstelling tot bulkmaterialen, kunnen op een gecontroleerde manier bottom-up worden vervaardigd. De mogelijkheid om hun gedrag en hun eigenschappen nauwkeurig te beheersen, vormt een groot voordeel voor toepassingen waarvoor ontwerpen op betrouwbaarheid vereist is. Carbon Nanotubes (CNT’s) zijn materialen met een reeks bijzondere optische, elektrische, thermische en mechanische eigenschappen, die aantrekkelijke en veelbelovende mogelijkheden bieden voor allerlei toepassingen. Vanuit academisch perspectief worden CNT’s aangeprezen als een wetenschappelijke ontdekking die een revolutie teweeg zou kunnen brengen op diverse industriële gebieden, met name in die sectoren waarin materiaalsterkte een belangrijke eigenschap is. Vanuit commercieel oogpunt is de huidige stand van zaken technisch gezien echter niet voldoende voor praktische toepassingen en daarom is er meer onderzoek nodig. In deze publicatie geven we een bondig overzicht van onze onderzoeksactiviteiten met betrekking tot de toekomstige toepassing van CNT’s in optische, elektrische, thermische en mechanische microsystemen. Carbon Nanotubes (CNT’s) hebben sinds hun ontdekking in 1991 grote belangstelling gehad; zowel vanuit fundamenteel oogpunt als met het oog op toekomstige praktische toepassingen. Wetenschappers hebben buitengewone eigenschappen van CNT’s aangetoond, zoals een hogere warmtegeleiding dan diamant, een grotere mechanische sterkte dan staal, een betere elektrische geleiding dan koper en de mogelijkheid meer licht te absorberen dan superzwarte verf. Vanwege deze buitengewone eigenschappen onderzoeken wetenschappers van de groep ‘Electronic Components, Technology and Materials

24 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

(ECTM)’ van de Technische Universiteit Delft (TU Delft) het gebruik van CNT’s als een bouwsteen en een materiaalplatform voor de realisatie van unieke micro/nanostructuren voor optische, elektrische, thermische en mechanische toepassingen. In dit artikel worden verschillende voorbeelden van belangrijke resultaten die voortvloeien uit dit onderzoek naar CNT’s gepresenteerd.

Synthese bij lage temperatuur Katalysator-nanodeeltjes vereisen doorgaans een hoge temperatuur om de katalytische reactie te starten voor het laten groeien van CNT’s met hoge

dichtheid. Dit is onwenselijk wanneer de CNT’s moeten worden geïntegreerd op elektronica of met polymeren, omdat een hoge groeitemperatuur de onderliggende structuren kan beschadigen. Door de laag van katalysatordragers te optimaliseren, waarmee de activerings energie voor CNT-groei wordt verminderd, hebben we een wafer-scale-depositieproces van CNT’s op een relatief lage temperatuur (350 °C) ontwikkeld, waardoor CNT’s compatibel zijn met standaard back-end-of-line-halfgeleiderfabricage, en geïntegreerd kunnen worden met moderne diëlektrica en sommige soorten flexibele substraten.

ONDERZOEK thermische tussenlaag toe te passen. Dit is aangetoond door de integratie van gecoate CNT’s met hoge lengte-diameterverhouding in een gietproces voor kunststoffen. Naast de vereiste warmtegeleiding is ook de mechanische compatibiliteit voor thermische interfaces gerealiseerd [5].

Toepassing in optische systemen

Figuur 1. Gaten gevuld met CNT’s gegroeid bij verschillende katalysatoren en temperaturen: (a) Co, 350 °C; (b) Co, 400 °C; (c) Fe, 500 ° C; en (d) Fe, 550 °C [1]

CNT’s behoren tot de zwartste materialen die bekend zijn en kunnen straling absorberen over een breed golflengtegebied. In een combinatie met optisch transparant siliconenrubber kunnen we Fresnel-lenzen creëren waarvan het brandpunt kan worden veranderd door oprekking [6]. De lage kosten en schaalbare produceerbaarheid van deze componenten biedt oplossingen voor wegwerpmicroscopen, die bijvoorbeeld waardevol kunnen zijn voor gezondheidsdiagnostiek. Figuur 4 toont de vervaardigde component. Dergelijke platte opticacomponenten vinden hun weg naar geminiaturiseerde

Figuur 1 toont SEM-afbeeldingen van CNT’s gegroeid in gaten met de gewoonlijk gebruikte kobalt- en ijzerkatalysatoren bij verschillende temperaturen [1]. De gemiddelde diameter van een enkele CNT is ongeveer 10 nm met een dichtheid in de orde van grootte van 5.1010 tubes/cm2.

Instelbare mechanische eigenschappen

De porositeit van CNT-matrices biedt de unieke mogelijkheid om hun mechanische respons en functionaliteit aan te passen door de infiltratie en depositie van conforme coatings op nanoschaal. CNT-matrices met SiC-coatings van verschillende diktes maken het instellen van diverse mechanische eigenschappen van CNT-bundels mogelijk: van schuimachtig gedrag tot materialen zo hard als keramiek [2]. Simulatie en experimenten zoals aangegeven in figuur 2 hebben aangetoond dat een SiC-coating de faalmodus gecontroleerd kan veranderen van collectieve knik naar breuk [3].

Onderzoek naar het thermische gedrag

De werking van moderne apparaten met een hoge dichtheid en een hoge functionaliteit wordt vaak ernstig beperkt door oververhitting. Daarom is warmtebeheer misschien wel het grootste knelpunt van de volgende elektronicarevolutie. Koolstofallotropen en hun derivaten vertonen superieure thermische eigenschappen. Daarnaast zijn ze inert en hebben ze een lage dichtheid. Daarom zijn op koolstof gebaseerde nano-gestructureerde materialen de meest veelbelovende kandidaten voor het realiseren van lokale warmteafvoer in combinatie met een lage dichtheid. Voor verdere implementatie van CNT’s met een hoge lengte-diameterverhouding als effectieve oplossing voor warmtebeheer, is het noodzakelijk om de thermische eigenschappen van CNT’s te kwantificeren. Hiervoor is een niet-destructieve, in situ karakteriseringmethode voor hiërarchisch gestructureerde poreuze materialen ontwikkeld, waarbij MEMS-technologie, elektrische karakterisering en thermografische analyse met hoge resolutie worden gecombineerd [4]. Bovendien maakt de schuimachtige morfologie van CNT’s de infiltratie van conforme coatings binnen de matrix mogelijk, waarbij een hybride composiet wordt verkregen met verbeterde thermische eigenschappen [5]. Daarnaast biedt het concept van een CNT-materiaalplatform de mogelijkheid om verticale CNT’s als

Figuur 2. Mechanische compressie van CNT’s (a) Vlakke-punch nano-indentatie op een verticaal uitgelijnde CNT-pijler, (b) Gladde gelokaliseerde micro-knik op een CNT-pijler, (c) Breukvervorming op een CNT-pijler met 10,5 nm a-SiC-coating; Afbeelding uit [3]

25 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

ONDERZOEK fotonische chips, geïntegreerde optica, optische verbindingen, straal-focusserende of maskerloze lithografiesystemen, maar kunnen ook gebruikt worden voor afbuigende en collimerende functies in optische sensorsystemen of voor optische gegevensoverdracht.

Elektrische verbinding

CNT’s hebben potentieel veel toepassingen in geïntegreerde schakelingen (IC, van het Engelse Integrated Circuit), variërend van transistoren en verbindingen tot sensoren en actuatoren. Voor deze toepassingen is het cruciaal om de CNT’s direct naast of op elektronica te integreren. In vergelijking met een conventionele verticale elektrische verbinding (via) door silicium of polymeren kan het gebruik van CNT’s een verbinding met een hogere lengte-diamaterverhouding

en met een verhoogde dichtheid opleveren. Dit is relevant voor 3D-integratie van micro-elektronica [7]. De ontwikkeling van nieuw, op CNT-gebaseerd materiaal is van groot belang voor verdere toepassingen. Om het potentieel van de integratie van CNT’s als elektrische verbinding in geïntegreerde schakelingen te demonstreren, combineerden we ons CNT-proces met een 3D-monolithisch geïntegreerd CMOS-proces om de eerste 3D-IC’s met CNT’s als via’s succesvol te realiseren.

Supergeleidend interconnect

In het onderzoeksproject ‘Super Conducting Nanotubes’, uitgevoerd in het kader van het 4TU.High-Tech Materials-onderzoeksprogramma ‘New Horizons in designer materials’, worden verticale CNT’s met een supergeleidende coating

Figuur 3. CNT-matrix gesynthetiseerd op de top van een MEMS-structuur. (a) MEMS-structuur die kan worden opgewarmd door Joule-verwarming. (b) tip van een CNT met een hoge lengte-diameterverhouding; (c) CNT-structuur, genaamd single-micropin; (d) configuratie met meerdere pinnen. (e) infrarood thermische scan van de micropinconfiguratie. (f) thermische tussenlaag gemaakt van gecoate CNT’s geïntegreerd in een epoxy; Afbeelding uit [3] en [4]

26 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

als een verticale supergeleidende verbinding onderzocht. Onder een bepaalde kritische temperatuur hebben supergeleidende materialen feitelijk geen elektrische weerstand. Dit kan worden toegepast om de werking van geïntegreerde schakelingen verder te verbeteren. Immers, de trend en vraag naar hogere integratiedichtheden stuurt ook de noodzaak voor supergeleidende verbindingsstructuren die een laag verlies en de assemblage van supergeleidende geïntegreerde schakelingen mogelijk maken. Zoals ook bekend is, zijn supergeleidende quantumcircuits een mogelijke technologie voor quantumcomputing op grote schaal. Schaalbare integratie van quantumbits (qubits) stuit op aanzienlijke technische uitdagingen voor nieuwe materialen, fabricageprocessen en connectiviteit tussen de qubits. Supergeleidende verticale verbindingen voor integratie met 3D-qubits is een belangrijke component voor toekomstige quantumcomputers die veel qubits zullen hebben. Omdat CNT’s een zeer lage uitzettingscoëfficiënt en een hoge lengte-diameterverhouding hebben en minder gevoelig zijn voor elektro-migratie, worden ze gebruikt als verticale doorverbinding bij micro-elektronische integratie op kamertemperatuur. Deze benadering kan ook worden toegepast voor het vervaardigen van een supergeleidende verbinding met een hoge lengte-diameterverhouding voor cryogene temperatuur, bijvoorbeeld door middel van een conforme coating van supergeleidend materiaal op verticale CNT-matrices. In dat geval kunnen de uitzonderlijke eigenschappen van afzonderlijke CNT’s zorgen voor voldoende taaiheid en een matrix met hoge lengte-diameterverhouding, terwijl supergeleidende coatings niet alleen de supergeleiding bieden, maar ook de morfologie en dichtheid van de CNT-matrix en uiteindelijk de mechanische eigenschappen aanzienlijk kunnen verbeteren. Figuur 6 toont een foto-lithografisch gedefinieerde CNT-pilaar, samengesteld uit nominaal verticale, verweven, meerwandige CNT’s, die conform zijn gecoat met supergeleidermateriaal van NbTiN. De getoonde structuur biedt betrouwbare supergeleidende verbindingen die geschikt zijn voor gebruik in toekomstige quantumcomputers en supergeleidertoepassingen.

ONDERZOEK Referenties: [1] S Vollebregt, et al., ‘Carbon nanotube vertical interconnects fabricated at temperatures as low as 350 °C’, Carbon, Vol. 71, 249-256, 2014. 10.1016/j.carbon.2014.01.035 [2] RH Poelma, et al., ‘Tailoring the Mechanical Properties of High‐Aspect‐Ratio Carbon Nanotube Arrays using Amorphous Silicon Carbide Coatings’, Advanced Functional Materials 24 (36), 5737– 5744, 2014. 10.1002/adfm.201400693 [3] RH Poelma, et al., ‘Effects of nanostructure and coating on the mechanics of carbon nanotube arrays’, Advanced Functional Materials 26 (8), 1233-1242, 2016. 10.1002/adfm.201503673 [4] C Silvestri, et al., ‘Thermal characterization of carbon nanotube foam using MEMS microhotplates and thermographic analysis’, Nanoscale 8 (15), 8266-8275, 2016. 10.1039/C6NR00745G [5] C Silvestri, et al., ‘Effects of Conformal Nanoscale Coatings on Thermal Performance of Vertically Aligned Carbon Nanotubes’, Small 14 (20), 1800614, 2018. 10.1002/smll.201800614 Figuur 4. (a) Vervaardigde uitrekbare Fresnel-lens met 2 x 2 lenseenheden, (b) Optische microscoopafbeelding van één lens, (c) Gekanteld SEM-beeld van het diffractiepatroon van de CNT, de inzet toont een close-up van de verticaal uitgelijnde CNT, (d) SEM-afbeelding van de CNT met de PDMS-polymeer gepercoleerd in de CNT-bundels; Afbeelding uit [6]

[6] X Li, et al., ‘Stretchable binary Fresnel lens for focus tuning’, Scientific reports 6, 25348, 2016. 10.1038/srep25348 [7] S Vollebregt, R Ishihara, ‘The direct growth of carbon nanotubes as vertical interconnects in 3D integrated circuits’, Carbon, Vol. 96, Pages 332338, 2016. 10.1016/j.carbon.2015.09.071

Parts of this research have been performed within the framework of the 4TU. High-Tech Materials research program ‘New Horizons in designer materials’ (www.4tu.nl/htm)> Amir Mirza Gheytaghi Email: A.Mirzagheytaghi@tudelft.nl In samenwerking met H. van Zeijl, S. Vollebregt, R. Poelma, C. Silvestri, R. Ishihara, G. Q. Zhang, P. M. Sarro, Electronic Components, Technology and Materials (ECTM) - Department of Microelectronics, Delft University of Technology, the Netherlands. Figuur 5. Wafer die de 3D-apparaten bevat: doorsnede van twee lagen met de actieve gebieden (aangegeven door rode vierkanten) en de CNT-via [7]

Een deel van dit onderzoek is uitgevoerd in het kader van het 4TU.HighTech Materials- onderzoeksprogramma ‘New Horizons in designer materials’ (www.4tu.nl/htm). De projectpagina is hier te vinden: https://www.4tu.nl/htm/en/new-horizons/super-conducting-nanotubes/

Figuur 6. Een gecoate CNT-pilaar als supergeleidende verbinding

27 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

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

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

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

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

Materials Science and Engineering 11 - 13 juni, 2018 Barcelona

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

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

Metavak 2018 30 oktober - 1 november 2018, Gorinchem

Biobased Performance Materials (BPM) 14 juni 2018, Wageningen

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

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

Precisiebeurs 2018 14 - 15 november 2018, Veldhoven https://precisiebeurs.nl/

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

De Betondag 2018 15 november 2018, Doelen Rotterdam www.betondag.nl

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

Annual European Bioplastics Conference 2018 4 - 5 december 2018, Keulen Website>

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

Ulmer Betontage 19 - 21 februari 2019, Ulm, Duitsland https://www.betontage.de/

Aluminium Next 20 september 2018, Veldhoven mikrocentrum.nl

MaterialDistict 12 - 14 maart 2019, Rotterdam http://materialxperience.nl/

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

JEC World 2019 12 - 14 maart 2019, Parijs http://www.jeccomposites. com/events/jec-world-2019

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

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

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

K 2019 16 - 23 oktober 2019, Düsseldorf www.k-online.de/

28 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018

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>

29 | INNOVATIEVE MATERIALEN 3 2018 advertentie.indd 1

1-2-2016 15:58:48

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 2018 (6 uitgaven) kost € 39,50 (excl. BTW) www.innovatievematerialen.nl