Stories of Aerospace Engineering

Lees verhalen van onderzoekers en studenten aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en ontdek de wetenschappelijke vragen waaraan zij werken en de oplossingen waarmee ze komen.

Corrosie bestrijden met algen

Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken. Om metalen constructies te beschermen tegen corrosie wordt veel gebruikgemaakt van coatings. Die coatings bieden passieve en actieve bescherming, bijvoorbeeld als barrière tegen corrosieverwekkers of als corrosie-inhibitoren carriers (dragers). In coatings worden al bijna honderd jaar corrosie-inhibitoren op basis van chroom VI toegepast om de beschermende functie ook na aantasting in stand te houden. Zulke deeltjes werken efficiënt maar zijn zeer giftig en kankerverwekkend. Daarom is het gebruik van chromaten voor veel toepassingen verboden. In de veeleisende luchtvaart- en ruimtevaartsector zou dit ook worden doorgevoerd, maar het verbod is meerdere keren uitgesteld vanwege een gebrek aan goede alternatieven. Een mogelijk alternatief is het gebruik van algen, meer specifiek de exoskeletten van zogenaamde diatomen. In 2015 is universitair docent Santiago Garcia, verbonden aan de onderzoeksgroep Novel Aerospace Materials, een project gestart om het gebruik van exoskeletten van diatomen (ook wel frustule genoemd) ter bescherming van lucht- en ruimtevaartconstructies te onderzoeken. Garcia: “In 2015 hebben we het eerste proof of concept opgesteld om aan te tonen dat algen kunnen worden gebruikt voor actieve corrosiebescherming en zelfherstel. Ik ben ervan overtuigd dat dat enorme gevolgen kan hebben.” Waarom frustule van diatomen? Er is al een aantal veelbelovende corrosiebeschermers die mogelijk chromaat zouden kunnen vervangen. Uit onderzoek is echter gebleken dat er ongewenste reacties kunnen optreden tussen deze inhibitoren en de omringende coatingmatrix, waardoor de efficiëntie van de inhibitoren wordt verminderd. Eén manier om dat te voorkomen is door de inhibitoren onder te brengen in carriers. Het gebruik van een carrier vermindert de interactie tussen de inhibitoren en hun omgeving. Bovendien kan de carrier worden gebruikt om het vrijkomen van de corrosie-inhibitoren te reguleren. Een dergelijke aanpak kan theoretisch een veel efficiëntere anticorrosiecoating opleveren. Frustule (diatoom exoskeletten) van het type Aulacoseira Frustule kunnen dienstdoen als carrier op microformaat. Waarom zijn ze met hun specifieke architectuur zo geschikt voor deze toepassing? Promotieonderzoeker Paul Denissen licht toe: “Frustule zijn holle microdeeltjes van silica met nanoporiën, ook wel ‘pill-boxstructuren’ genoemd. Ze hebben een celwand gemaakt van silica, met een sterke structuur vol poriën. Gelukkig voor ons zijn die poriën groot genoeg om in beide richtingen corrosieremmers(corrosie-inhibitor) door te laten.” Bestudering van afzonderlijke deeltjes Nadat Paul Denissen met een scriptie over dit onderwerp zijn master had behaald, is hij in januari met zijn promotieonderzoek begonnen. Daarvoor houdt hij zich bezig met het isoleren en bestuderen van afzonderlijke frustuledeeltjes met behulp van geavanceerde karakteriseringstechnieken. Garcia: “Frustule lopen zeer uiteen in vorm, grootte en poreusheid (dit noemen we de architectuur). Er moeten speciale tests worden uitgevoerd om vast te stellen hoe afzonderlijke deeltjes zich gedragen en hoe we dat gedrag kunnen beïnvloeden. Kort gezegd willen we: De mogelijkheden verkennen van het gebruik van diatoomexoskeletten en aantonen dat deze kunnen worden gebruikt voor de opname en gecontroleerde vrijgave van functionele soorten in coatings zoals corrosie-inhibitoren; Evalueren wat de effecten van de architectuur en geometrie zijn op het vrijkomen en de efficiëntie van corrosie-inhibitoren; Het oppervlak van diatoomexoskeletten modificeren en bepaalde triggers, zoals een veranderende pH-waarde, gebruiken om de vrijgave van corrosie-inhibitoren te reguleren. Als we daar eenmaal inzicht in hebben, kunnen we op basis van ruimschoots verkrijgbare grondstoffen coatings maken die op het juiste moment precies de benodigde hoeveelheid corrosie-inhibitoren vrijgeven.” Corrosiebeschermingsmechanisme van coatings met diatoomexoskeletten waaraan inhibitoren zijn toegevoegd Natuurlijke oplossing voor industrieel probleem De NovAM-groep onderzoekt momenteel specifiek de extra sterke aluminiumlegering 2024, die bij de productie van lucht- en ruimtevaartonderdelen wordt gebruikt en die bijzonder gevoelig is voor corrosie. De methode kan echter worden gebruikt om alle metaallegeringen te beschermen. Denissen legt uit dat dit zelfherstellende mechanisme in de toekomst ook voor andere toepassingen kan worden gebruikt: “Elke inhibitor heeft bepaalde kenmerken, die een bepaald effect hebben als de inhibitor in een carrier is ondergebracht. Als we de afzonderlijke deeltjes eenmaal hebben gekwantificeerd en hun gedrag hebben gemeten, kunnen we bepalen welk soort deeltje het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart.” Als we algen, en met name diatomen, kunnen gebruiken om milieuvriendelijke anticorrosiecoatings nog efficiënter te maken, kunnen we allerlei constructies – denk aan vliegtuigen, treinen, pantserwagens en dergelijke – beschermen zonder giftige en dure materialen te gebruiken. Garcia: “Diatomen komen vrijwel overal voor waar water is. Diatomen planten zich voort met sporen en ongeslachtelijk door middel van tweedeling, en groeien bijzonder snel. Frustule gebruiken voor anticorrosiecoatings zou niet alleen gezonder zijn in vergelijking met de huidige synthetische middelen, maar daarnaast ook opschaalbaar, duurzaam en betaalbaar. Dit nieuwe concept sluit aan op ons lopende onderzoek naar zelfherstellende polymeersystemen en nieuwe functionele micro- en nanovezels voor composieten en coatings gemaakt van algen.”

Lijm ten behoeve van de kunst

Onlangs ontving Hans Poulis (Hechtingsinstituut TU Delft) financiering van NWO voor zijn onderzoeksvoorstel op het gebied van lijmveroudering. De voorstellen zijn gehonoreerd binnen de eerste financieringsronde van het Netherlands Institute for Conservation, Art and Science (NICAS). Poulis: “Voor het eerst gaat het Hechtingsinstituut een nieuwe lijmsoort ‘from scratch’ ontwikkelen.” Op dit moment wordt er bij de restauratie van kunstvoorwerpen gebruik gemaakt van allerlei verschillende standaard lijmsystemen. Synthetische lijmen zijn soms stabieler dan natuurlijke lijmen, maar toch vaak niet helemaal geschikt. Ze zijn niet specifiek ontwikkeld voor conserveringsdoeleinden en hebben daarom nooit alle juiste eigenschappen. We weten dus ook meestal niet hoe ze zich in de tijd gedragen, chemisch, nog mechanisch. Met andere woorden, hoe de stoffen verouderen in de tijd onder invloed van de omgeving. Zo kunnen ze bijvoorbeeld vergelen of kunnen de kleefeigenschappen veranderen. Gat in de markt Het is een kleine markt, dus het is voor bedrijven commercieel gezien niet interessant genoeg. Voor het verdoeken van schilderijen wordt nog wel relatief veel lijm gebruikt, maar voor het terug plakken van kleine schilfertjes verf is maar heel weinig lijm nodig. Het Hechtingsinstituut gaat zich richten op dat laatste proces, en dan met name kijken naar achterglas schilderijen en olieverf- en gouache composities. Deze werken zijn representatief voor vele werken die op korte termijn gerestaureerd zullen moeten worden als we ze willen behouden voor komende generaties. Het is niet rendabel voor een bedrijf om hiervoor een specifieke lijmsoort te ontwikkelen. Poulis: ‘Allereerst gaan we met twee post-doc onderzoekers het veld in. In maart wil ik een brainstormsessie organiseren met mensen die al lang in het vak zitten, inclusief conservatoren. Zij weten het beste aan welke eisen de lijm precies moet voldoen. Aan de hand van die sessie gaan we de ingang van het onderzoek definiëren. Het gaat dan met name om de vraag: welke chemische basisstof ga ik gebruiken? Dat is het hoofdingrediënt. Vervolgens gaan we verschillende mengsels maken en het receptuur al naar gelang de eisen aanpassen. Middels diverse laboratoriumtesten gaan we uitzoeken hoe de mengsels zich gedragen, initieel en in de tijd.’ Van test naar product Door verouderingstesten uit te voeren moeten we erachter komen hoe mengsels zich gedragen na een x aantal jaren. Met behulp van lichtexpositie testen kunnen we kijken hoe zo’n stof vergeelt na verloop van tijd. Daarvoor kunnen Xenon lampen worden gebruikt. Die genereren UV licht en zetten daarmee een versneld verouderingsproces in. Poulis: ‘Uiteindelijk testen we de lijmen ook op kunstwerken (mock-ups). In de praktijk weet je natuurlijk niet exact wat er met de lijm zal gebeuren, omdat er zoveel omstandigheden zijn die er invloed op kunnen hebben. Daarnaast zijn er geen data aanwezig die versnelde verouderingstesten kunnen koppelen aan de werkelijke omstandigheden.’ Het doel is om na twee jaar een lijm te hebben ontwikkeld die geschikt en langdurig stabiel is als het gaat om mechanisch evenals visueel gedrag. Bij het consortium voor dit project zit ook een commercieel bedrijf dat gespecialiseerd is in het maken van kleine hoeveelheden lijm. Zij zouden eventueel de productie op zich kunnen nemen. Poulis: ‘En wie weet, misschien komt er nog wel een spin-off uit voort.’ --- Het NICAS is een interdisciplinair onderzoekscentrum dat zich richt op het behoud van cultureel erfgoed. Het betreft een samenwerking van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), het Rijksmuseum, de Universiteit van Amsterdam (UvA), de Rijksdienst Cultureel Erfgoed (RCE), en de Technische Universiteit Delft (TU Delft). Klik hier om de website van het NICAS te bezoeken.

Gedrag van vliegtuigen tijdens eindnadering

Promovendus Floris Herrema (Air Transport and Operations) heeft onlangs de SESAR Young Scientist of the Year Award gewonnen met zijn masterscriptie ‘Compression on final approach and Time Based Separation (TBS) for Optimised Runway Delivery’. Zijn werk heeft directe gevolgen voor de kennis over TBS (‘separatie op basis van tijd’) en de veiligheid van dit systeem, en voor het TBS-systeem dat wordt gebruikt op het Londense vliegveld Heathrow: het eerste vliegveld ter wereld met TBS. “Ik had nooit gedacht dat ik de SESAR Young Scientist of the Year Award zou winnen, dus ik voelde me bij de finale in Bologna in Italië eigenlijk heel ontspannen. Single European Sky Air Traffic Management Research (SESAR) is een Europees instituut dat zich bezighoudt met onderzoek naar luchtverkeerbeheer. Ik had die dag dus 400 mensen tegenover me die zich bezighouden met luchtverkeerbeheer.” Gedrag van vliegtuigen voorspellen “Het doel van mijn onderzoek was om de potentiële verbeteringen in compressie tijdens de eindnadering, bij gebruik van Time Based Separation (TBS), te kwantificeren en modelleren. TBS als concept was al wel bekend, maar het was te gecompliceerd om daadwerkelijk te implementeren. Ik heb een nieuw luchtsnelheidprofiel ontwikkeld, de Floris Friso Herrema (FFH)-tool, waarmee we het gedrag van het vliegtuig en TBS beter kunnen voorspellen. Dit is heel relevante informatie voor luchtverkeersleiders. Het systeem is nu gemakkelijker te begrijpen en dus ook te implementeren. Vorig jaar is het geïmplementeerd op London Heathrow Airport, dat nu de eerste TBS-luchthaven ter wereld is.” De voordelen “Het belangrijkste voordeel behalen we bij sterke tegenwind. Het gaat nog om schattingen op basis van Heathrow, maar we verwachten dat we bij sterke tegenwind twee extra landingen per uur kunnen uitvoeren. Bovendien zal TBS naar verwachting 80.000 minuten vertraging per jaar besparen. De voordelen voor luchtvaartmaatschappijen kunnen oplopen tot 10 miljoen euro per jaar.” Impact “Ik was uitdrukkelijk op zoek naar een scriptieonderwerp dat impact zou kunnen hebben. Daarom wilde ik ook van begin af aan samenwerken met EUROCONTROL. Ik heb een stage bij EUROCONTROL gecombineerd met mijn masterproject. Theorieën zijn er namelijk om in praktijk te brengen. Daarom vind ik het nu ook zo mooi om in mijn promotieonderzoek samen te werken met Ricky Curran en Dries Visser, beiden van Air Transport and Operations. Bij alles wat ik doe vragen zij: wat is het maatschappelijk en wetenschappelijk belang? De feedback en het advies van de universiteit en van EUROCONTROL verschillen enigszins, en de combinatie van beide gezichtspunten voegt extra waarde toe. Ik zou graag in beide werelden een rol willen blijven spelen en als actieve schakel tussen de twee willen fungeren.” Toekomst “Mijn promotieonderzoek, ‘Big data analyses and machine learning at airports to support decision making’, vordert behoorlijk. Ik werk aan toepasbare technieken voor machinaal leren en het doel is om het resultaat te implementeren bij alle grote luchthavens in Europa. Ik vind het geweldig om hieraan te werken. Op dit moment proberen we mijn onderzoek in te bedden in een Europees onderzoeksproject. We zijn druk bezig met enkele onderzoeksvoorstellen in het kader van Horizon 2020 om hier financiering voor te krijgen. Het zou natuurlijk fantastisch zijn als dat zou lukken.” Het belangrijkste voordeel behalen we bij sterke tegenwind.

Smart manufacturing

The faculty of Aerospace Engineering introduces four major multidisciplinary research themes. Goal: bringing research areas and people together to speed up innovation for (urgent issues in) society . “Today’s customers – whether they’re buying a telephone, automobile or aircraft - do not want to buy the exact same product as everybody else. They want customised products, still of the same high quality, still affordable and deliverable right now”, says Rinze Benedictus, theme leader Smart Manufacturing. “ Even large passenger aircraft, such as the Airbus A320 Neo, are customised to the specific needs of the buying airline. This calls for cost-effective, fast and flexible new production processes: Smart Manufacturing, also called Industry 4.0 or Smart Industry. The faculty focuses on smart manufacturing of safety critical loadbearing structures, such as aircraft, automobiles, wind turbines or bridges, but expects the technology can be used for other production lines as well. Smart manufacturing: how does it work? “Toyota once set the standard for the quality management of mass producing identical products”, says Professor Aerospace Structures and Materials and Smart Manufacturing theme leader, Rinze Benedictus. “ Now we need a new standard for mass producing customised products.” In smart manufacturing processes technology such as sensors, feedback loops, Big Data and 3D printing is used. It works in a number of different ways, such as: It repairs errors during production, reducing wastage of materials. A robot with integrated sensors can for example measure the quality of the product as it is made and repair it simultaneously. This prevents finished but flawed products to be thrown away. It gives us data that helps to design, scale up and implement innovative, robust and flexible new production lines with which we can develop entirely new innovations. Smart manufacturing will make it easier and cheaper to determine whether an innovative idea is a viable product, speeding up the time to market. 3D printers make production more flexible and less confined to one particular factory. Need a new component in the International Space Station? It can be produced right there in space. Benedictus: “In the end, smart manufacturing will benefit customers, it contributes to more sustainable production of products, it will create hundreds of thousands of new jobs at intermediate level in Europe, give us back our competitive edge and it will be a blessing for bringing innovations to the market. “ Why now? Researcher Calvin Rans works alongside Benedictus on the smart manufacturing research theme: “Almost every modern company today has already implemented parts of smart manufacturing, whether it’s Airbus or a semiconductor factory in China. It’s a buzzword now because the technology is ready to start integrating disciplines, such as material science, product design, sensor technology, manufacturing processes and in-depth knowledge of customer trends and needs. In addition, production processes have become so complicated that they simply can’t be done in traditional, analogue ways anymore. Image the costs if Airbus needs to build a whole new production line for every single version of the A320 Neo.” Challenges There are several hurdles to overcome. Rans: “One challenge is to know what to do with all the data we get from measurements during production processes. What is sensible data and what isn’t? Can you use it in such a way that e.g. a feedback loop becomes self-learning? Integrating many different disciplines is another challenge. The smarter the product and the production process the more an engineer needs to integrate (and thus understand) different design and manufacturing disciplines. This requires different type of engineer. As we currently educate engineers on the basis of manufacturing methods of the past or single disciplines, we will have a thorough look at our education programme as well.” Aerospace engineering and smart manufacturing The faculty of Aerospace Engineering is bringing together researchers, lecturers, students and external partners to focus on the smart manufacturing of composite load bearing structures, such as aircraft and automobiles. Special attention will be given to the smart manufacturing of smart structures, such as multifunctional aircraft coatings that protect the aircraft and generate or store electricity at the same time. The technology developed for producing aircraft in particular can also be used in production lines for other products. Rans: “The production of aircraft sets the parameters that apply to production lines for other structural designs as well. An aircraft is a high-tech load bearing structure with incredible weight constraints and safety measures.” Benedictus: “For smart manufacturing you really need to understand the end product and tailor it to the customer’s needs. We know how to produce aircraft. Now we will integrate separate disciplines, such as structures and materials, propulsion systems and airline requirements to accelerate smart manufacturing. This theme will leverage the work we’re already doing in the area of manufacturing of aircraft within departments in order to speed up applying science for the benefit of society. “ Contact Prof. dr. Rinze Benedictus E: R.Benedictus@tudelft.nl Dr. Calvin Rans E: C.D.Rans@tudelft.nl Dr.ir. Sotiris Koussios E: S.Koussios@tudelft.nl Design for manufacturing Assistant Professor Structural Integrity and Composites Sotiris Koussios researches automated fibre placement processes: Filament Winding, Tape Laying and Fibre Placement. Koussios focuses on an integral approach of design, materials selection, and production methodologies: “Optimising the production process during the design stage leads to better quality and less costs. At the same time, smart manufacturing procedures, such as quality monitoring during production, closed loop controls for adapted machine motion and fibre handling, and the implementation of Digital Image Correlation for auto-referencing, parts pick& place and tool exchange, will lead to more autonomous production cells that require less preparation time, prototyping and troubleshooting.” Koussios also works on combination techniques such as overmoulding, over-taping and the fusion of braiding/filament winding and pultrusion. He collaborates closely with partner RWTH in Aachen, a strong player in the field of smart manufacturing research. Koussios: “High performance composite structures are entering high volume applications in the areas of automotive, marine and civil engineering . Research is needed to keep a good balance between performance and costs. Also, improvement of the structural and physical properties of composite (sub-) components by a high degree of automation, in-line quality monitoring and smarter logistics will lead to even lighter, safer and more economical aerospace applications as well. These improvements contribute to the reduction of energy consumption for both static and moving structures.” Irene Fernandez Villegas Smart joining Roger Groves Smart Sensing Otto Bergsma Next level accuracy and consistency