ENLIGHTEN-initiatief Versnelt Industriële Adoptie van Thermoplastische Composieten

Hoe lichter een voertuig is, hoe minder brandstof het verbruikt en hoe minder CO₂ uitgestoten wordt. Lichte materialen die sterk genoeg zijn om passagiersveiligheid te garanderen, zijn ook populair bij fabrikanten van auto's en vliegtuigen. Thermoplastische composieten – vezel-versterkte kunststoffen die zacht worden bij verhitting – zijn licht, sterk, makkelijk te verwerken en makkelijk te recyclen. Bepaalde componenten in vliegtuigrompen en vleugels worden al van dit relatief nieuwe materiaal gemaakt. Toch zijn ze nog niet in breder gebruik.

Het doel van ENLIGHTEN – Enabling Integrated Lightweight Structures In High Volumes – is een manier te vinden om betrouwbare volledige structuren met dit materiaal te produceren op een voorspelbare, reproduceerbare en kosteneffectieve manier. Dit €6 miljoen, vijfjarig project wordt gelanceerd door de Universiteit Twente (UT, Twente, Nederland) en Dr. Remko Akkerman, wetenschapper bij UT en het ThermoPlastic composites Research Center (TPRC, Twente, Nederland) als onderdeel van het Nederlandstalige Perspective-programma, dat wetenschappers uitdaagt om innovatieve nieuwe onderzoekslijnen te vestigen die een echte economische en maatschappelijke impact kunnen hebben. Opgericht door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), en het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat, worden zes Perspective-consortia in Nederland opgestart, met 138 bedrijven en organisaties die €10 miljoen eigen financiering bijdragen om de €22 miljoen beschikbaar van de Nederlandse overheid te matchen.

Ontwikkelen van multi-schaal details

CW sprak met Akkerman om een beter begrip te krijgen van wat ENLIGHTEN echt inhoudt. „CompositesWorld lezers zijn bekend met het werk dat bij TPRC wordt gedaan, waar we ons richten op snelle thermoplastische verwerking, waaronder lassen, overmolden en ook recyclen,” zegt Akkerman. „We hebben veel resultaten gepubliceerd over materialen, proces en prestaties. Maar hoe beïnvloedt het proces de vezel-matrix distributie en porositeit in het composiet? Hoe beïnvloedt dat op zijn beurt de mechanische prestaties van het onderdeel? Hoe beïnvloeden deze processen kraakinitiatie en -groei in dienst? Deze aspecten moeten begrepen worden om thermoplastische composieten rijp te maken voor breder industrieel gebruik.”

Dit is waarom ENLIGHTEN zo'n groot programma is, met specialisten in polymeren, composiet micromechanica, en multi-schaal digitale modellering alsook digitale datawetenschap. „Ons doel is kennis te ontwikkelen die we dan kunnen gebruiken om deze thermoplastische composietprocessen te optimaliseren voor geoptimaliseerde prestaties,” zegt Akkerman. „We zullen ook procesmonitoring integreren – want de materiaalkwaliteit berust op je vermogen om het proces te controleren – en machine learning om deze optimalisatie te versnellen.”

ENLIGHTEN omvat alle drie technische universiteiten in Nederland (Universiteit Twente, TU Delft en TU Eindhoven) alsmede bedrijven door de gehele auto- en luchtvaarttoeleveringsketens, inclusief OEMs, Tier-leveranciers en MKB's. Organisaties buiten Nederland zijn ook betrokken, waaronder het WMG Centre for High Value Manufacturing van de Universiteit Warwick als onderdeel van het VK CATAPULT-programma en Jaguar Land Rover, een dochteronderneming van de wereldwijde autofabrikant Tata Motors (Mumbai, India).

Deze micrografie toont een aantal vezelmigratie boven de letselijn tussen een continue vezel-versterkte blank en de korte-vezel versterkte injectie-overmolding. Hoe dit de sterkte en prestaties van het onderdeel beïnvloedt, is één vraag onder velen die door ENLIGHTEN beantwoord worden.

„De processen die we zullen onderzoeken omvatten inductie- en ultrasonische letseling alsook overmolding, wat ook een letselinterface heeft, elk betreffende dezelfde fysische verschijnselen maar op verschillende snelheden,” merkt Akkerman op. „Dus al dezelfde verschijnselen met betrekking tot vezelbeweging, spanning en kraakinitiatie gelden hier ook.” Maar zijn gelaste thermoplastische composietstructuren niet al meer dan 30 jaar op commerciële vliegtuigen gevlogen? „Ja, maar geen van die structuren gebruikt inductie- of ultrasonische letseling met unidirectionele banden,” wijst hij erop, „wat veel moeilijker te begrijpen en te controleren is, maar ook economischer te produceren als we de processen volledig kunnen voorspellen.”

Multi-schaal modellering en fysieke testen zullen een sleutelrol spelen in het ENLIGHTEN-project. „Het is onmogelijk om een composiet te begrijpen zonder te kijken naar het productieproces dat ervoor gebruikt is,” zegt Akkerman. „Door digitale modellering kunnen we hypothesen formuleren en dan experimenten side-by-side uitvoeren om onze resultaten te valideren en ons begrip te verfijnen. Bijvoorbeeld, dit omvat het kijken naar de vorming van kristallijne structuren op micro-niveau, hoe vezels bewegen tijdens het letselproces op meso-niveau en hoe deze verschijnselen interactie aangaan om de ontwikkeling van spanning, microkraken en de uiteindelijke belasting van de structuur op macro-niveau te beïnvloeden. Deze zeer diepgaande gecombineerde onderzoeksniveau heb ik nog niet in onze industrie gezien.”

Maar waar speelt machine learning een rol? „Elk van de analyse-elementen in werkpakketten 1 en 2 duurt uren om te draaien,” zegt Akkerman, „en moet herhaald worden voor elk specifiek materiaal, onderdeel en proces. Als je optimalisatie over al deze schalen en modellen wilt bereiken, duurt het duizenden uren. Terwijl we dit doen, zullen we echter data accumuleren over hoe al deze verschijnselen met elkaar relativeren. We kunnen dan neurale netwerken trainen om connecties in deze data te herkennen, volledig in lijn met de onderliggende fysica.”

Kijkend naar de werkterrein die hieronder getoond wordt, legt hij uit, „er zullen connecties zijn van links naar rechts en van boven naar beneden. Op basis van al deze analyses is ons doel om algoritmen te ontwikkelen die in een meer algemene, flexibele manier gebruikt kunnen worden zonder elke keer vanaf nul te beginnen. Met andere woorden, deze algoritmen kunnen op jouw gegeven onderdeel toegepast worden, je helpend om je procesparameters en materiaalkeuzes te optimaliseren. Denk aan machine learning als een soort curve fitting met heel veel variabelen.” Hij geeft toe dat dit geen perfecte analogie is, maar het resultaat is effectief vergelijkbaar, in die de curve – die in dit geval meer een multidimensionale hypervlakte is – de correlaties en causaliteiten zal tonen die de weg wijzen.

Materialen, disseminatie en uiteindelijke doel

Het finaliseren van de te bestuderen materialen is een van de eerste taken van het ENLIGHTEN-project. „Waarschijnlijk zal polyamide 6 (PA6, nylon) bestudeerd worden voor auto en laag-smelt polyaryletherketon (LM PAEK) voor luchtvaart,” zegt Akkerman. „We zullen andere materialen evalueren en kijken naar alle beschikbare data.” Dit kan bijvoorbeeld omvatten wat gegenereerd is door andere programma's, zoals MECATESTERS in Clean Sky 2, die een significante hoeveelheid testen heeft gedaan met koolstofvezel-versterkte LM PAEK UD-tape. Tegenwoordig zal het Clean Sky 2 STUNNING-programma een grote hoeveelheid data genereren met betrekking tot ultrasonische letseling tijdens het monteren van de onderhelft van de Multifunctional Fuselage Demonstrator (MFFD). Akkerman wijst op de COMPeTE-projecten die bij TPRC uitgevoerd zijn, die overmolding voor veel verschillende materiaalcombinaties hebben bestudeerd.

Wat de disseminatie van de projectresultaten betreft, zal het ENLIGHTEN-consortium algemene vergaderingen jaarlijks hebben en de subgroepen in elk werkpakket zullen bijeenkomen naar behoefte om hun vastgestelde mijlpalen te halen. Individuele presentaties zullen gedaan worden op nationale en internationale conferenties tijdens de loop van het project en een toegewijde sessie of volledige internationale conferentie in het laatste jaar van het project zal georganiseerd worden om de algehele resultaten te delen.

Het uiteindelijke doel, zegt Akkerman, is voor thermoplastische composieten te bereiken wat de metalenindustrie heeft met zijn materiaalontwerpbenadering voor monokristallijne metalen in aero-motoren, bijvoorbeeld. „Hun doel was om een prestatie te bereiken die nodig is voor de toekomst van vliegtuigen. Wij zien dezelfde mandate voor een groter bereik van mobiliteit. We proberen letsel- en overmoldingsprocessen te ontwerpen om de prestaties van lichte thermoplastische composieten te optimaliseren voor luchtvaart- en autostructuren, maar we hebben nog zoveel variabiliteit. Het resultaat is excessive veiligheidsfactoren en minder efficiëntie dan de technologieën eigenlijk bieden. Ja, we hebben thermoplastische composietonderdelen die vliegen, maar het duurde 30 jaar om hier te komen. Europa heeft een doel gesteld om koolstofneutraal te zijn tegen 2050 – dat is minder dan 30 jaar. Als we op onze huidige pad blijven gaan, wat nog steeds veel proef en fout omvat, zullen we de doelen die nodig zijn voor het bestrijden van klimaatverandering niet halen. We zien een ander, efficiënter pad via ENLIGHTEN en nu is de tijd om te handelen.”