Lichter composiet vliegtuig? Niet klinken maar hechten

Gehechte verbindingen (of gelijmde verbindingen voor niet ingewijden) mits op de juiste manier gemaakt en toegepast, zijn een veilige en efficiënte manier om vliegtuigonderdelen aan elkaar te bevestigen. “Het gebruiken van ‘lijm’ naast of in plaats van de ouderwetse klinknagels, wordt ook nu al toegepast bij conventionele metalen vliegtuigen. Maar nu vliegtuigen steeds vaker van composietmaterialen worden gemaakt, moeten we meer weten over hoe we optimaal gebruik kunnen maken van gehechte verbindingen tussen composietdelen."

"Op het moment passen we bij het hechten van nieuwe composietmaterialen ontwerpmethoden toe die erg lijken op de methoden die worden gebruikt bij metalen. Dit heeft significante gevolgen voor de potentiële gewichtsbesparing die het gebruik van composieten kan opleveren”, aldus Sofia Texeira de Freitas, die aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft verbindingen in constructies onderzoekt. “Om nieuwe composietmaterialen efficiënt te kunnen hechten moeten de verbindingen opnieuw ontworpen worden. Daarbij is het belangrijk zowel de vorm als de materiaaleigenschappen (richting en ‘layup’ van de vezels) te optimaliseren.” In juli ontving Teixeira de Freitas een Veni-subsidie van de NWO. Hierdoor heeft ze de mogelijkheid om een nieuwe ontwerpmethodologie te ontwikkelen waarmee de vliegtuigindustrie kan bepalen welke eigenschappen composietmateriaal optimaal geschikt maken om te hechten. En bovendien wat de beste geometrie is om de verschillende vliegtuigonderdelen veilig en efficiënt aan elkaar te bevestigen.


Gaten boren en klinknagels plaatsen

Ongeveer vanaf de introductie van de Dreamliner door Boeing gebruiken vliegtuigfabrikanten  voornamelijk composietmaterialen, overwegend van koolstofvezel, in hun vliegtuigonderdelen, als licht en sterk alternatief voor aluminium. Een vliegtuig dat tegenwoordig uit de fabriek komt, bestaat voor ongeveer de helft uit composieten. Logisch dat composieten populair zijn bij fabrikanten: lichtere vliegtuigen verbruiken bijvoorbeeld minder brandstof en stoten minder CO2 uit.

Vliegtuigen bestaan uit vele kleine onderdelen die aan elkaar moeten worden bevestigd. In traditionele vliegtuigen van aluminium werden hiervoor bevestigingsmiddelen zoals klinknagels gebruikt. Teixeira de Freitas: “Voor de fabricage van moderne vliegtuigen, die van aluminium én composieten zijn gemaakt, hebben we de oude bevestigingsmethoden voor aluminium maar een klein beetje aangepast. We boren nog steeds gaten voor klinknagels. Dat is zeker niet ideaal. Wanneer je gaten boort in het composietmateriaal, snijd je door de koolstofvezels heen. Dat heeft aanzienlijke gevolgen voor de lastdragende capaciteit van het materiaal. Als compensatie wordt er meer materiaal gebruikt, maar daar worden de vliegtuigen weer zwaarder van.”

 Joints between the wing skin and the stiffener, aircraft wing

Zooming in on the adhesive bond solution


Gehechte verbindingen – ‘lijm’

Dit probleem zou met gehechte verbindingen kunnen worden opgelost, maar er is veel meer kennis nodig over het gedrag van de gehechte verbindingen op de langere termijn. Ook moeten we beter weten welke vorm we de vezels van de composiet moeten geven en welke geometrie nodig is om de twee delen aan elkaar te bevestigen. Teixeira de Freitas: “Composieten hebben niet, zoals metaal, eigenschappen die vastliggen. De vezels waaruit een composiet bestaat, kunnen in verschillende richtingen worden gelegd, en zo kun je de materiaaleigenschappen aanpassen. We moeten uitvinden hoe we de optimale eigenschappen kunnen creëren voor de constructie van een sterke en veilige verbinding. Ook moeten we kijken wat de optimale geometrie is om de twee onderdelen aan elkaar te bevestigen, zowel voor composiet met composiet als voor composiet met metaal.” Teixeira de Freitas staat voor een interessante wetenschappelijke uitdaging: “De bestaande composieten zijn al zeer efficiënte materialen, maar ze moeten nog zo worden geoptimaliseerd dat het ook zeer efficiënte structuren worden. We moeten opschalen naar grotere structuren. En hierin spelen gehechte verbindingen een sleutelrol”.


Bestaat de toekomst uit gehechte composieten?

Zullen over enige tijd alle vliegtuigen en andere metalen constructies bestaan uit aan elkaar gehechte composieten? Teixeira de Freitas denkt dat in de toekomst elk onderdeel van een constructie van het best mogelijke materiaal gemaakt zal zijn, toegesneden op de taak waar het voor bedoeld is, en dat er nieuwe oplossingen zullen worden gevonden om de onderdelen veilig en efficiënt aan elkaar te bevestigen: “Verbindingsvlakken in hybride constructies zullen steeds belangrijker worden. We zullen verbindingen nodig hebben die de prestaties van de materiaalonderdelen niet negatief beïnvloeden. Gehechte verbindingen zijn veelbelovend, maar ook andere opties worden onderzocht,  door mijn collega’s op de faculteit. Denk bijvoorbeeld aan gelaste kunststof of zelfs aan het gebruik van een soort klittenband.”


Veni

Veni is een subsidie waarmee de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) innovatief onderzoek stimuleert. Onderzoekers die kort geleden zijn gepromoveerd, krijgen subsidie om gedurende drie jaar onafhankelijk onderzoek te doen en hun ideeën te ontwikkelen. Het gaat om een bedrag van maximaal 250.000 euro. Teixeira de Freitas: “Ik wil de subsidie vooral gebruiken om met specialisten bij andere universiteiten samen te werken en om vakgebieden te overbruggen.”


Offshore

Deze zomer kreeg Teixeira de Freitas nog meer goed nieuws: samen met haar collega’s in een breder consortium heeft ze ook van de topsector High Tech Systemen en Materialen een subsidie van 500.000 euro gekregen voor onderzoek naar het gebruik van composieten in de offshore- en de maritieme sector.


Sofia Teixeira de Freitas

Teixeira de Freitas is civiel ingenieur. Zij heeft haar masterdiploma behaald aan de Universiteit van Lissabon. Voor haar promotieonderzoek aan de Faculteit Civiele Techniek aan de TU Delft ontwikkelde ze technologie voor gehechte verbindingen om stalen bruggen te versterken. Teixeira de Freitas is verbonden als universitair docent in de afdeling ‘Aerospace Structures and Materials’ aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek, TU Delft. Sofia: “Door mijn veelzijdige technische achtergrond heb ik een bredere blik op verschillende vakgebieden, wat ik erg nuttig vind. Waardoor ik echt gemotiveerd word? Het verbreden van mijn kennis en deze doorgeven aan nieuwe generaties.”

The banner photo pictures the composites laboratory at TU Delft