ENLIGHTEN-programma gelanceerd om de industrialisatie van thermoplastische composieten te versnellen

Hoe lichter een voertuig is, hoe minder brandstof het verbruikt en hoe minder CO₂ wordt uitgestoten. Lichtgewicht materialen die sterk genoeg zijn om de veiligheid van passagiers te garanderen, zijn ook populair bij fabrikanten van auto's en vliegtuigen. Thermoplastische composieten - vezelversterkte kunststoffen die zacht worden bij verhitting - zijn licht, sterk, gemakkelijk te verwerken en gemakkelijk te recyclen. Van dit relatief nieuwe materiaal worden al bepaalde onderdelen van vliegtuigrompen en -vleugels gemaakt. Ze worden echter nog niet op grotere schaal gebruikt.

Het doel van ENLIGHTEN —Geïntegreerde lichtgewicht constructies in hoge volumes mogelijk maken — is het vinden van een manier om op een voorspelbare, reproduceerbare en kosteneffectieve manier met dit materiaal betrouwbare complete constructies te maken. Dit vijfjarige project van € 6 miljoen wordt gelanceerd door de Universiteit Twente (UT, Twente, Nederland) en Dr. Remko Akkerman, wetenschapper aan de UT en het ThermoPlastic Composites Research Centre (TPRC, Twente, Nederland) als onderdeel van van het in Nederland gevestigde Perspectief programma, dat wetenschappers uitdaagt om innovatieve nieuwe onderzoekslijnen op te zetten die een echte economische en maatschappelijke impact kunnen hebben. Opgericht door de Nederlandse Onderzoeksraad (NWO) en het ministerie van Economische Zaken en Klimaat, zes Perspectief In Nederland worden consortia opgericht, waarbij 138 bedrijven en organisaties € 10 miljoen van hun eigen financiering bijdragen om de € 22 miljoen die beschikbaar is van de Nederlandse overheid te evenaren.

Ontwikkelen van details op meerdere schalen

CW sprak met Akkerman om beter te begrijpen wat ENLIGHTEN werkelijk inhoudt. "CompositesWorld lezers kennen het werk van TPRC, waar we ons richten op snelle thermoplastische verwerking, waaronder lassen, overmolding en ook recycling, zeer goed”, zegt Akkerman. “We hebben veel resultaten gepubliceerd over materialen, processen en prestaties. Maar hoe beïnvloedt het proces de vezel-matrixverdeling en porositeit in het composiet? Hoe beïnvloedt dat op zijn beurt de mechanische prestaties van het onderdeel? Hoe beïnvloeden deze processen het ontstaan ​​van scheuren en de groei in service? Deze aspecten moeten worden begrepen om thermoplastische composieten te laten rijpen voor breder industrieel gebruik.”

Dit is de reden waarom ENLIGHTEN zo'n groot programma is, waarbij specialisten in polymeren, composietmicromechanica en multischaal digitale modellering betrokken zijn, evenals digitale datawetenschap. "Ons doel is om kennis te ontwikkelen die we vervolgens kunnen gebruiken om deze thermoplastische composietprocessen te optimaliseren voor optimale prestaties", zegt Akkerman. "We zullen ook procesbewaking integreren - omdat de materiaalkwaliteit afhankelijk is van uw vermogen om het proces te beheersen - en machine learning om deze optimalisatie te versnellen."

ENLIGHTEN omvat alle drie de technische universiteiten in Nederland (Universiteit Twente, Technische Universiteit Delft en Technische Universiteit Eindhoven), evenals bedrijven in de toeleveringsketens van de automobiel- en ruimtevaartindustrie, waaronder OEM's, Tier-leveranciers en het MKB. Ook buiten Nederland zijn organisaties betrokken, waaronder het WMG Centre for High Value Manufacturing van de University of Warwick als onderdeel van het Britse CATAPULT-programma en Jaguar Land Rover, een dochteronderneming van de wereldwijde autofabrikant Tata Motors (Mumbai, India).

Deze microfoto toont enige vezelmigratie boven de laslijn tussen een continue vezelversterkte blank en de korte vezelversterkte injectie-overmolding. Hoe dit de sterkte en prestaties van het onderdeel beïnvloedt, is een van de vele vragen die ENLIGHTEN moet beantwoorden.

"De processen die we zullen onderzoeken, zijn onder meer inductie- en ultrasoon lassen en overmolding, dat ook een lasinterface heeft, die allemaal dezelfde fysieke verschijnselen met zich meebrengen, maar met verschillende snelheden", merkt Akkerman op. "Dus alle verschijnselen met betrekking tot vezelbeweging, spanning en scheurinitiatie zijn hier ook van toepassing." Maar vliegen er al meer dan 30 jaar gelaste thermoplastische composietstructuren in commerciële vliegtuigen? "Ja, maar geen van die constructies gebruikt inductie- of ultrasoon lassen met unidirectionele tapes", benadrukt hij, "wat veel moeilijker te begrijpen en te controleren is, maar ook zuiniger om te produceren als we de processen volledig kunnen voorspellen."

Multischaalmodellering en fysieke testen zullen een sleutelrol spelen in het ENLIGHTEN-project. "Het is onmogelijk om een ​​composiet te begrijpen zonder te kijken naar het fabricageproces dat is gebruikt om het te maken", zegt Akkerman. “Door middel van digitale modellering kunnen we hypothesen formuleren en vervolgens naast elkaar experimenten uitvoeren om onze resultaten te valideren en ons begrip te verfijnen. Hierbij wordt bijvoorbeeld gekeken naar de vorming van kristallijne structuren op microniveau, hoe vezels bewegen tijdens het lasproces op mesoniveau en hoe deze verschijnselen op elkaar inwerken om de ontwikkeling van spanning, microscheurtjes en de uiteindelijke belastingen van de structuur op macroniveau te beïnvloeden. peil. Dit zeer diepgaande maar gecombineerde niveau van onderzoek heb ik nog niet gezien in onze branche.”

Maar waar komt machine learning om de hoek kijken? “Elk van de analyse-elementen in werkpakketten 1 en 2 kost uren om te draaien”, zegt Akkerman, “en moet worden herhaald voor elk specifiek materiaal, onderdeel en proces. Als u optimalisatie wilt bereiken voor al deze schalen en modellen, kost dit duizenden uren. Terwijl we dit doen, zullen we echter gegevens verzamelen over hoe al deze verschijnselen zich tot elkaar verhouden. Vervolgens kunnen we neurale netwerken trainen om verbanden in deze data te herkennen, geheel in lijn met de onderliggende fysica.”

Kijkend naar de omvang van het werk dat hieronder wordt getoond, legt hij uit:"Er zullen verbindingen zijn van links naar rechts en van boven naar beneden. Op basis van al deze analyses is ons doel om algoritmen te ontwikkelen die op een meer algemene, flexibele manier kunnen worden gebruikt zonder telkens opnieuw te hoeven beginnen. Met andere woorden, deze algoritmen kunnen worden toegepast op uw gegeven onderdeel, waardoor u uw procesparameters en materiaalkeuzes kunt optimaliseren. Zie machine learning als een soort curve die past bij vele, vele variabelen.” Hij geeft toe dat dit geen perfecte analogie is, maar de uitkomst is in feite vergelijkbaar, in die zin dat de curve - die in dit geval meer een multidimensionaal hyperoppervlak is - de correlaties en causaliteiten zal tonen die de weg vooruit wijzen.

Materialen, verspreiding en uiteindelijk doel

Het afronden van te bestuderen materialen is een van de eerste taken van het ENLIGHTEN-project. "Hoogstwaarschijnlijk zal polyamide 6 (PA6, nylon) worden bestudeerd voor auto's en polyaryletherketon met een laag smeltpunt (LM PAEK) voor de ruimtevaart", zegt Akkerman. "We zullen andere materialen evalueren en alle beschikbare gegevens bekijken." Dit kan bijvoorbeeld omvatten wat is gegenereerd door andere programma's, zoals MECATESTERS in Clean Sky 2, dat een aanzienlijke hoeveelheid tests heeft uitgevoerd met koolstofvezelversterkte LM PAEK UD-tape. Ondertussen zal het Clean Sky 2 STUNNING-programma een grote hoeveelheid gegevens genereren met betrekking tot ultrasoon lassen terwijl het de onderste helft van de Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD) assembleert. Akkerman wijst op de COMPeTE-projecten die bij TPRC zijn uitgevoerd, waarbij overmolding voor veel verschillende materiaalcombinaties is onderzocht.

Wat betreft de verspreiding van de projectresultaten, zal het ENLIGHTEN-consortium jaarlijks algemene vergaderingen houden en zullen de subgroepen in elk werkpakket elkaar ontmoeten als dat nodig is om hun vastgestelde mijlpalen te bereiken. In de loop van het project zullen individuele presentaties worden gegeven op nationale en internationale conferenties en in het laatste jaar van het project zal een speciale sessie of een volledige internationale conferentie worden georganiseerd om de algemene resultaten te delen.

Het uiteindelijke doel, zegt Akkerman, is om voor thermoplastische composieten te bereiken wat de metaalindustrie heeft met haar material design-aanpak voor monokristallijne metalen in bijvoorbeeld vliegtuigmotoren. “Hun doel was om een ​​prestatie te bereiken die nodig is voor de toekomst van vliegtuigen. We zien hetzelfde mandaat voor een grotere mobiliteit. We proberen las- en overgietprocessen te ontwerpen om de prestaties van lichtgewicht thermoplastische composieten voor lucht- en ruimtevaart- en automobielconstructies te optimaliseren, maar we hebben nog steeds zoveel variabiliteit. Het resultaat is buitensporige veiligheidsfactoren en minder efficiëntie dan de technologieën daadwerkelijk bieden. Ja, we hebben thermoplastische composietonderdelen die vliegen, maar het heeft 30 jaar geduurd om zo ver te komen. Europa heeft zich ten doel gesteld om tegen 2050 CO2-neutraal te zijn - dat is minder dan 30 jaar. Als we doorgaan op dezelfde weg, waar nog veel vallen en opstaan ​​bij komt kijken, halen we niet de doelen die nodig zijn om klimaatverandering tegen te gaan. We zien een ander, efficiënter pad via ENLIGHTEN en nu is het tijd om te handelen.”