Circulaire composieten - ontwerp is de ontbrekende schakel

Composietmaterialen hebben veel te bieden op het gebied van fijnafstemming van materiaaleigenschappen, optimalisering van functionaliteit en een lange levensduur. Ondanks deze voordelen laten ze nog veel te wensen over als het gaat om hergebruik en recycling. Jelle Joustra onderzocht voor zijn doctoraat strategieën voor het maken van composietmaterialen, die een circulaire economie ondersteunen, waarbij hij stelt dat ontwerp de ontbrekende schakel is.

Technology Sustainability

Gemengde materialen

Composietmaterialen zijn tegenwoordig overal om ons heen te vinden en worden vaak gebruikt in sectoren als bouw, auto-industrie en lucht- en ruimtevaart. Ze worden gemaakt door twee of meer ongelijke materialen, zoals vezels en een polymeer zoals hars, te combineren tot een nieuw materiaal dat doorgaans goedkoper, lichter, sterker of duurzamer is, dan conventionele materialen. Daarom kunnen composietmaterialen worden geoptimaliseerd voor een gewenste functionaliteit, omdat het gedrag van het materiaal nauwkeurig kunt afstemmen.

Maar juist de vermenging van materialen, maakt het moeilijk, composieten te recyclen of te hergebruiken. Doordat het scheiden of opnieuw verwerken ervan na afloop van hun oorspronkelijke functie verschillende uitdagingen met zich meebrengt, zoals problemen met de materiaalintegriteit. "Het is niet echt eenvoudig om ze ergens anders opnieuw te gebruiken, omdat ze zo nauw verbonden zijn met hun oorspronkelijke functie", aldus Joustra. "Dat betekent dat de rijkwijdte voor hergebruik meestal klein is en maakt daardoor ook de secundaire waarde van het materiaal vrij klein." Om het perspectief te veranderen, stelt Joustra voor in de ontwerpfase op deze problemen te anticiperen, zo de mogelijkheden voor hergebruik en recycling van composieten toenemen.

Volledige circulaire waardeketen

Veel van het onderzoek voor Joustra's promotie was ingebed in Ecobulk, een Horizon 2020-project dat liep van 2017 tot 2021. 30 bedrijven, instituten en organisaties uit heel Europa waren hierbij betrokken, die belanghebbenden vertegenwoordigden in de waardeketen van typische composietproducten. Interviews en discussies met team over de implementatie van circulaire ontwerpmaatregelen, resulteerden in het herontwerp en herontwikkeling van een volledige circulaire waardeketen.

Lees Jelle's thesis:

“De circulaire economie gaat niet alleen over recycling, legt Joustra uit. Het gaat over het verlengen van de levensduur en bruikbaarheid van producten, gedeeld gebruik en het maximaliseren van de functionaliteit. Ook het kunnen terugwinnen van materialen, herfabriceren van onderdelen en componenten, terwijl ze een hoge waarde houden zijn hier een onderdeel van. Ons huidige product simpelweg in een nieuw soort gebruiksleven plaatsen, gaat niet werken, omdat niet alle producten ontworpen zijn om heel lang mee te gaan of om heel goed onderhouden, opgewaardeerd, gereviseerd of geherfabriceerd te worden. Dat komt vaak omdat onderdelen niet toegankelijk zijn of op een niet-scheidbare manier met elkaar verbonden zijn. Om de circulaire economie te bereiken is het productontwerp een ontbrekende schakel."

Van windturbineblad tot tafel

Joustra beseft door de ervaring vanuit Ecobulk dat ze niet hadden gekeken naar manieren om structurele onderdelen van een groot samengesteld product te hergebruiken. Dus in plaats van versnipperen en recyclen, waarom niet bijvoorbeeld panelen en balken van windturbinebladen hergebruiken? Joustra onderzocht ontwerpcasussen en ontwikkelde een segmentatieprocedure voor een windturbinebladmodel. Met behoud van de structurele waarde van het materiaal door panelen rechtstreeks uit een gebruikt windturbineblad te snijden, kon hij de onderdelen gebruiken om een picknicktafel te ontwikkelen. "Ik wilde zien hoe geschikt het materiaal hiervoor is en wat er in het ontwerp van nieuwe bladen kan worden gedaan om deze hergebruikprocedure te vergemakkelijken," zei Joustra. "Ik vond veel dingen die wel en niet met het materiaal gedaan kunnen worden, dus het was een zeer waardevolle casestudy."

De tafel, die te vinden is op de faculteit Industrieel Ontwerpen, werd ook tentoongesteld op de Dutch Design Week in 2019. "Ik leerde dat je met zo'n prototype echt reacties kunt oproepen bij een breder publiek en mensen hadden hier een positieve en nieuwsgierige houding tegenover," zei hij.

Picknicktafel, gemaakt van teruggewonnen bladsegmenten.

Maak onderzoek toegankgelijk

Joustra en mede-promovendus Riel Bessai van de TU Delft hebben op basis van zijn onderzoeksresultaten een boek geschreven genaamd Circular Composites: A design guide for products containing composite materials in a circular economy. Het open access boek is een ontwerpgids die moet helpen circulaire strategieën te integreren in het ontwerp van composietproducten. "Er zijn veel mogelijkheden voor circulair ontwerpen met behulp van composietmaterialen. Mijn onderzoek en ontwerpgids belichten een aantal van deze kansen en manieren om ze te bereiken," aldus Joustra. "Maar er is nog meer onderzoek en implementatie in de industrie nodig. Dat wil ik waar mogelijk aanwakkeren."

Joustra werkt momenteel als postdoc en zal neemt deel aan een nieuw onderzoeksproject genaamd LICHEN-BLADES, een samenwerking tussen IO, TU Delft’s Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, en de Universiteit van Maastricht. Het doel is het herontwerpen en ontwikkelen van duurzame windturbinebladen, voortbouwend op het idee van structureel hergebruik en het anticiperen op secundaire gebruikscycli in de ontwerpfase.

Ontwerpmethoden

In de casestudie over de windturbinebladen gebruikte Joustra material property charts (“Ashby charts”) om het type materialen dat hij oogstte te evalueren en te vergelijken met conventionele materialen. Deze kaarten zetten de sterkte van het materiaal uit op de Y-as en de dichtheid van het materiaal op de X-as. Voor ontwerpers is dit een manier om het type materiaal te interpreteren en deze kennis te gebruiken in het ontwerpproces.

Research through design werd ook gebruikt, waarbij het onderzoek plaatsvindt via de ontwikkeling van een prototype. Het productprototype is een studieobject, gebruikt om reacties op te roepen of prestaties te testen. Hoewel het interessante spin-offs kan opleveren, is het in productie nemen van het ontwerp niet het hoofddoel van het proces.

Joustra maakte ook gebruik van circular product design: producten die opnieuw worden ontworpen voor hergebruik en recycling in een circulaire economie door het ontwerp vanuit een levenscyclusperspectief te bekijken. Meer over circulair productontwerp vind je hier.