Mogelijkheden
om
lichtgewicht
te
construeren
Haiko ter Huurne
449449
12 oktober 2012
HAN Automotive
TITELBLAD STAGEVERSLAG
Titel : Mogelijkheden om lichtgewicht te construeren.
Verslagnummer : 01
Datum : 12 oktober 2012
Studentgegevens
Naam : Haiko ter Huurne Studentcode : 449449
Stagedocent
Naam : Peter de Haan Code : HNP
Bedrijfsgegevens
Naam : Benteler Engineering Services
Code : 020
Naam begeleider : Rob van Leeuwen
Paraaf voor akkoord bedrijf Datum : 15 – 10 – 2012 Paraaf bedrijfsbegeleider: Beoordeling HTS-Autotechniek Cijfer : Datum : Paraaf stagedocent :
Toestemmingsformulier tot opname en beschikbaarstelling verslag in een digitale kennisbank
HAN Automotive heeft met andere Automotive opleidingen in Nederland een digitale kennisbank opgezet. In de HBO Automotive Kennisbank willen we o.a. de verslagen die door studenten in het kader van hun studie aan de Hogeschool zijn geschreven toegankelijk maken voor derden. Hierdoor wordt het proces van creatie, verwerving en deling van kennis binnen het onderwijs mogelijk gemaakt en ondersteund.
De in de kennisbank opgenomen scripties worden toegankelijk gemaakt voor potentiële gebruikers binnen en buiten de Hogescholen. Om opname en beschikbaarstelling mogelijk te maken dient dit toestemmingsformulier.
Bij opname en beschikbaarstelling in de digitale kennisbank behoudt de student het auteursrecht. Daarom kan de toestemming tot beschikbaarstelling van een verslag ten allen tijde ingetrokken worden
Verslagtitel Mogelijkheden om lichtgewicht te construeren.
Naam student Haiko ter Huurne
Studentnummer student 449449
Stagebedrijf Benteler Engineering Services
Stagebegeleider Toestemming
Handtekening student
Handtekening stagebegeleider
Rechten en plichten student
De student verleent aan de Hogeschool kosteloos de niet exclusieve toestemming om zijn verslag op te nemen in de digitale kennisbank en om deze beschikbaar te stellen aan gebruikers binnen en buiten de Hogeschool. Hierdoor mogen gebruikers het verslag geheel of gedeeltelijk kopiëren en bewerken. Gebruikers mogen dit alleen doen en de resultaten publiceren indien dit gebeurt voor eigen studie en/of onderwijs- en onderzoeksdoeleinden en onder de vermelding van de naam van de student en de vindplaats van het verslag.
De student geeft de Hogeschool het recht de toegankelijkheid van het verslag te wijzigen en te beperken indien daar zwaarwegende redenen voor bestaan.
Verder verklaart de student dat hij of zij toestemming heeft van de rechthebbende van materiaal dat de student niet zelf gemaakt heeft om dit materiaal als onderdeel van het verslag op te nemen in de digitale kennisbank en aan derden binnen en buiten de Hogeschool beschikbaar te stellen.
Rechten en plichten Hogeschool
De door de student verleende niet-exclusieve toestemming geeft de Hogeschool het recht het verslag aan gebruikers binnen en buiten de Hogeschool beschikbaar te stellen.
De Hogeschool mag verder het verslag voor gebruikers binnen en buiten de Hogeschool vrij toegankelijk maken voor een gebruiker van de digitale kennisbank en mag deze gebruiker toestemming geven om het verslag te kopiëren en te bewerken. Gebruikers mogen dit alleen doen en de resultaten publiceren indien dit gebeurt voor eigen studie en/of onderwijs- en onderzoeksdoeleinden en onder de vermelding van de naam van de student en de vindplaats van het verslag.
De Hogeschool zal ervoor zorgen dat vermeld wordt wie de schrijver(s) is/zijn van het verslag waarbij zij tevens aangeeft dat bij gebruik van het verslag de herkomst hiervan duidelijk vermeld moet worden. De Hogeschool zal duidelijk maken dat voor ieder commercieel gebruik van het verslag toestemming van de student nodig is. De Hogeschool heeft het recht de toegankelijkheid van het verslag te wijzigen en te beperken indien daar zwaarwegende redenen voor bestaan.
Rechten en plichten gebruiker
Door dit Toestemmingsformulier mag een gebruiker van de digitale kennisbank het verslag geheel of gedeeltelijk kopiëren en/of geheel of gedeeltelijk bewerken. Gebruikers mogen dit alleen doen en de resultaten publiceren indien dit gebeurt voor eigen studie en/of onderwijs- en onderzoeksdoeleinden en onder de vermelding van de naam van de student en de vindplaats van het verslag.
HAN Automotive
Eigen beoordeling stageverslag
G V Z O - G V Z O I. Structuur/onderdelen II. Taal, uiterlijk en vormgeving
Titelpagina A. Taal
- volledig - (werkwoord)spelling X
-dekkende titel x - woordgebruik X
Samenvatting - interpunctie X
- zelfstandig leesbaar X - zinsbouw X
- doelstelling verslag X
- probleem-/vraagstelling X B. Uiterlijk/vormgeving X
- werkwijze X
- belangrijkste conclusies X
- eventuele aanbevelingen X III. Vakinhoud
Inhoudsopgave - onderwerp X
- informatieve titels X - actualiteit X
- volledige inhoudsopgave X - niveau/inhoud X
Inleiding - scheiding hoofd- en bijzaken X
- aanleiding onderwerpkeuze X - eigen opzet X
- probleem-/vraagstelling X - gebruikte informatiebronnen X
- doelstelling verslag X
- werkwijze X
- uitleg opbouw verslag X
- organisatie bedrijf (in eindverslag) X
Reflectie (in eindverslag)
- zelfstandig te lezen X
- helder/overzichtelijk X
- compleet (conform richtlijn) X
- ethische aspecten X Hoofdstukken - indeling in hoofdstukken X - indeling in (sub)paragrafen X -indeling in secties/alinea’s X Conclusie - zelfstandig te lezen X - helder/overzichtelijk X
- verband met de inleiding X
Bronvermelding
- in de tekst X
- literatuurlijst (einde rapport) X
Bijlagen
- nummer en titel X
- zelfstandig leesbaar X
1
Samenvatting
Vanwege de lage actieradius is het voor een elektrisch voertuig noodzakelijk om zoveel mogelijk energie te besparen. Dat kan door het besparen van gewicht. Er is dan immers minder energie nodig om het voertuig voort te bewegen.
Het rapport gaat in op gewichtsbesparing. Het doel is dan ook om een beeld te krijgen van de verschillende mogelijkheden die er zijn om zo licht mogelijk te kunnen construeren.
Er wordt specifiek een antwoord gezocht op de volgende vraag: Welke mogelijkheden tot lichtgewicht construeren zijn te gebruiken bij het ontwerpen van constructies? Door middel van literatuur wordt informatie vergaard over onderwerpen die te maken hebben met lichtgewicht construeren. Vooral boeken en het internet worden gebruikt.
Om lichtgewicht te construeren moet gekeken worden naar de materiaalkeuze, productie en sterkteleer. Materiaaleigenschappen waar het bij het construeren vooral om gaat zijn sterkte, stijfheid en gewicht. Een goede verhouding hiertussen is noodzakelijk om goed lichtgewicht te kunnen construeren. Aluminium heeft zeer goede eigenschappen. Dat maakt aluminium een zeer geschikt materiaal om mee te construeren. Afhankelijk van de productiemethode kunnen bepaalde eigenschappen van materialen verbeterd worden. Metalen worden sterker door toevoeging van bepaalde legeringselementen, zoals chroom, nikkel of mangaan. Door middel van warmtebehandelingen is de structuur van materialen aan te passen. Verschillende structuren zorgen voor verschillende mechanische eigenschappen.
Bij vezelversterkte kunststoffen kunnen de vezels op verschillende manieren in elkaar gewoven worden. Methoden zijn vierkant, keper en satijn. Elk weefsel zorgt voor verschillende eigenschappen.
Het sandwich principe zorgt ook voor een aanzienlijke gewichtsbesparing. Sandwich principe houdt in dat twee plaatdelen genomen worden waar opvulmateriaal tussen wordt geplaatst. Bij compsieten is dit vaak schuim of balsa hout. Bij metalen wordt vaak een honinggraadstructuur tussen de sheets gelegd.
Schuimen is een andere gewichtsbesparende productiemethode. Hierbij krijgt het materiaal een
binnenstructuur als een schuim. Doordat er gas in de plaats van basismateriaal zit, bespaart deze methode veel gewicht bij een minimale afname van sterkte.
Als we naar de sterkteleer kijken, dan is het belangrijkste onderwerp buiging. Buiging zorgt voor veel spanning. Daarom kan buiging het best vermeden worden. Vakwerken zijn constructies waarin geen buiging meer optreed. Als buiging niet vermeden kan worden, moet de krachtweg zo klein mogelijk gehouden worden. Het traagheidsmoment speelt ook een belangrijke rol in het lichtgewicht construeren. Het materiaal moet zo ver mogelijk vanaf de neutrale lijn gebruikt worden. Het moment in een constructie zorgt voor een variabel spanningsverloop. Afhankelijk van dit spanningsverloop kan materiaal verwijderd worden van plaatsen waar het niet nodig is.
HTS-Autotechniek
2
INHOUDSOPGAVE
1 Inleiding ... 3
2 Constructiemateriaalkeuze ... 4
2.1 Materiaal eigenschappen en informatie ... 4
2.2 Constructiemogelijkheden voor metalen en composieten ... 5
3 Productie ... 7
3.1 Invloed directe productie en nabewerking op materiaaleigenschappen. ... 7
3.2 Lichtgewichte constructie en productie methoden ... 8
4 Strategisch materiaalvermindering ... 9
4.1 Buiging minimaliseren ... 9
4.1.1 Buiging vermijden ... 9
4.1.2 Krachtweg kort houden ... 10
4.2 Juiste profielkeuze ... 10
4.3 Materiaal verwijderen afhankelijk van het spanningsverloop ... 10
5 Conclusie ... 12
6 Bronvermelding ... 13
3
1 Inleiding
De klant komt bij het bedrijf Benteler Engineering Services vragen of zij van een boot een elektrisch rijdend voertuig kunnen maken. Dat kan! Zodoende is er een projectgroep samengesteld die deze opdracht gaat voltooien. Er wordt rekening gehouden met eisen en wensen van de klant. Één eis van de klant is dat het voertuig elektrisch een actieradius van ongeveer 300 tot 400 km per dag moet hebben.
Nu zijn er een aantal opties om een zo groot mogelijke actieradius te behalen. Twee, breed genomen, opties zijn grote energievoorraad en laag energieverbruik. Een laag engerieverbruik kan behaald worden door onder andere gewichtsbesparing.
In dit rapport wordt in gegaan op gewichtsbesparing. Het doel van dit verslag is daarom een beeld creëren van de verschillende mogelijkheden om lichtgewicht te kunnen construeren. Er wordt literatuuronderzoek gedaan over lichtgewicht construeren. De hoofdvraag voor dit onderzoek is: Welke mogelijkheden tot lichtgewicht construeren zijn te gebruiken bij het ontwerpen van constructies?
Om tot een uitgebreid antwoord te komen, worden een aantal deelvragen gesteld. Deelvragen zijn: Welke mogelijkheden tot lichtgewicht construeren zijn er in het algemeen? Welke
theoretische achtergrond wordt gebruikt bij het construeren en welke oplossingen kan men hier uit halen? Hebben productiemethoden of nabewerking invloed op het gewicht van het materiaal en hoe? Welke materialen kunnen gebruikt worden in frames en verbindingsconstructies? En in geval van compositen, hoe maak je twee composiet delen aan elkaar vast?
Allemaal vragen waar in dit verslag antwoord op wordt gegeven. Om antwoorden te vinden worden voornamelijk literatuur, zoals boeken, internet en technische artikelen en documenten, gebruikt. Maar ook wordt persoonlijk informatie vergaard door in gesprek te gaan met
gespecialiseerde personen binnen Benteler Engineering Services.
Eerst wordt een inleiding, hoofdstuk 1, gegeven over het doel en de inhoud van dit rapport. In hoofdstuk 2 worden verschillende materialen, zoals metalen en composieten, besproken. Wat de eigenschappen zijn, voor- en nadelen en welke verbindingsmethoden mogelijk zijn. Hoofdstuk 3 gaat in op productiemethoden en nabewerkingen. Er wordt in hoofdstuk 4 uitgelegd over hoe men strategisch materiaal kan verminderen. Hiervoor worden de theoretische achtergrond en
mogelijke oplossingen daarbij aangehaald. Ten slotte zal in de conclusie, hoofdstuk 5, antwoordt worden gegeven op de hoofdvraag.
HTS-Autotechniek
4
2 Constructiemateriaalkeuze
Men construeert nu nog vaak met staal. Staal is een sterk materiaal waardoor het uitermate geschikt is om mee te construeren. Maar staal is relatief zwaar, wat tot gevolg heeft dat het energieverbruik in de automobielbranche hoog is. Daarom wordt er tegenwoordig steeds meer met lichtgewicht metalen en kunststoffen geëxperimenteerd.
5
De totaalscore geeft slechts de score qua factoren weer. Bij het bepalen van het materiaal moet tevens rekening gehouden worden met het de invloeden van de eigenschappen, zoals prijs en sterkte/gewicht- en stijfheid/gewicht-verhouding.
2.2 Constructiemogelijkheden voor metalen en composieten
Met metalen zijn allerlei soorten constructies te maken, zoals: - Frame met open profiel.
Dit is een zeer betrouwbare techniek. Frames met open profielen worden al jarenlang in de automotive industrie gebruikt, vooral in vrachtwagens en bussen. Het is dus een bewezen, goed werkende techniek. Het is ook eenvoudig om andere onderdelen hieraan te bevestigen. Tevens zijn hulpframes en vakwerken eenvoudig te bevestigen. Mogelijkheden hiervoor kunnen lassen, bouten, klinken en lijmen zijn.
Nadeel is wel dat het een oude techniek is, het kan beter, maar dan vergt het ook meer arbeid. Delen zijn wel eenvoudig te bevestigen, maar niet eenvoudig te integreren. Hierdoor komen grotere constructies te pas die per onderdeel weer meer nadelen met zich mee brengen.
Bijvoorbeeld bij het bevestigen van een wielophanging blijkt dat vanwege de extra constructie de voertuighoogte relatief hoog is.
- Frame met dicht profiel.
Dit wordt minder vaak toegepast met de functie als basisframe, maar uit andere toepassingen blijkt dat dit ook zeer betrouwbaar is.
Het is moeilijker in elkaar te zetten dan een frame met open profiel. De buizen zullen aan elkaar gelast moeten worden, of er zullen verbindingsdelen gemaakt moeten worden om
boutverbindingen of lijmen mogelijk te maken. Dit maakt het buizenframe arbeidsintensief. Dan is het nog moeilijk om andere onderdelen of subframes aan het basisframe te bevestigen. Zeer waarschijnlijk zullen bout-bussen gebruikt moeten worden om constructies met het juiste aandraaimoment te kunnen vastzetten. Zonder deze bussen kan het zijn dat de profielwanden naar elkaar toe getrokken worden, waardoor de stijfheid van de buizen afneemt.
- Vakwerk
Ruimtelijke vakwerkconstructies worden vaak gebruikt bij het opbouwen van bussen. Vakwerken zijn betrouwbaar en bewezen techniek.
Hiermee kan een relatief lage voertuighoogte gehaald worden, omdat bijvoorbeeld de
wielophanging direct te integreren is in de vakwerkconstructie. Maar er moet daarbij wel gedacht worden aan de plaatsing van de verbindingspunten. Vakwerkconstructies kunnen namelijk niet op buiging of torsie belast worden.
Een vakwerk kan gemakkelijk in elkaar gezet worden door middel van lassen. In een vakwerk komt namelijk minder spanning op lassen te staan dan in een frame. Andere onderdelen kunnen door middel van lassen of bouten aan het vakwerk verbonden worden, maar daarbij moet weer gelet worden op de plaatsing van de verbindingspunten. Hierdoor kan een vakwerkconstructie meer tijd in beslag nemen dan een frame.
Doordat een vakwerk niet op buiging of torsie belast wordt, kan geconstrueerd worden met relatief dunne profielen.
- Zelfdragende carrosserie
Een zelfdragende carrosserie is te bouwen door gebruik te maken van principes van een doos-constructie. Een holle kubus is ondanks dat het een dunne wand heeft nog zeer stevig. Dit komt doordat alle plaatdelen elkaar op de plaats houden. Hierdoor komt maar zeer lage vervorming en welving voor. Welving is het scheeftrekken van wanden in een constructie.
Een zelfdragende carrosserie moet wel alle krachten die op het voertuig werken opnemen. Op bepaalde plekken moeten daarom verstevigingen aangebracht worden. Deze kunnen bestaan uit plaatdelen in de vorm van profielen.
HTS-Autotechniek
6
Om dwarskrachten te kunnen opvangen kunnen sandwich panelen gebruikt worden. Er moet dus wel beter nagedacht worden over de plaatsing en vorm van de plaatdelen. Ook zullen de meeste plaatdelen met de hand gevormd moeten worden, omdat een persmachine maken voor deze ene toepassing niet rendabel is. Het is daarom een arbeidsintensieve en dure mogelijkheid.
Voor composieten zijn de constructie mogelijkheden net wat anders dan voor metalen. - Frame
Een frame van composiet is goed mogelijk. Vezelmatten kunnen zodanig gelegd worden dat deze een profiel vormen, net als een stalen profiel. Epoxy hars zal gebruikt worden als matrix
materiaal, materiaal dat de vezels bij elkaar houdt. Er moeten meerdere vezelmatten gebruikt worden om de gewenste sterkte te behalen.
Omdat de sterkte van vezelversterkte kunststoffen alleen maar in de vezelrichting geldt, moeten de vezels ook nog eens in de juiste richting gelegd worden. Afhankelijk van de richting van de belastingen kunnen de vezels in verschillende richtingen gelegd worden, zoals te zien in Figuur 2.1.
- Draagconstructie
Een draagconstructie van composiet is goed mogelijk. Met behulp van epoxy kunnen de vezelmatten aan de romp van de boot bevestigd worden. Het is wel de bedoeling dat het
composiet in de vezelrichting belast word. Daarom kunnen de vezels het beste direct horizontaal en verticaal lopen.
De sterkte van composieten is gedefinieerd door de treksterkte. Maar omdat de vezelmatten gezien kunnen worden als touwtjes, geldt dat de druksterkte aanzienlijk lager uitvalt. Een draagconstructie wordt juist veel op druk belast. Daarom zal een vulmateriaal gebruikt moeten worden in zulke constructies. Vaak worden soorten schuim of balsa hout gebruikt, deze materialen zijn licht en goed bestand tegen drukspanningen.
- Romp versterken
De romp van de boot is ook te versterken, zodat de romp als dragend gedeelte kan functioneren. Zo kunnen verbindingsconstructies direct aan de romp bevestigd worden. De gehele romp kan belegd worden met vezelmatten, epoxy wordt gebruikt om de matten aan de romp te bevestigen. Voor een goede hechting moet de romp dan wel zeer goed schoon gemaakt worden.
Maar de romp heeft een vorm met een bepaalde radius, dus de krachten die op de romp komen te werken, worden onder een hoek op de vezels geleid. Dit is nadelig, omdat composieten een stuk zwakker zijn in deze gevallen. Om de sterkte van composieten goed te kunnen gebruiken moeten de krachten door de vezels geleid worden.
Omdat er nog weinig kennis en ervaring van vezelversterkte kunststoffen is vergaard, is het moeilijk om een indicatie van de betrouwbaarheid te voorspellen en bepalen en is het toepassen van composiet zeer arbeidsintensief.
2.1 Vezels in verschillende richtingen [20]
7
3 Productie
Materialen kunnen op verschillende manieren geproduceerd worden. Afhankelijk van de productiemethode en naberwerkingen krijgen materialen verschillende eigenschappen. In dit hoofdstuk wordt gekeken welke effecten productiemethodes en nabewerkingen hebben op de materiaaleigenschappen.
3.1 Invloed directe productie en nabewerking op materiaaleigenschappen.
Metalen zijn materialen die te legeren zijn. Een legering is een samenstelling van verschillende metalen. Afhankelijk van die samenstelling kunnen eigenschappen verbeterd worden.
Als in de automotiveindustrie gesproken wordt van metalen, dan wordt bijna nooit de pure vorm van het materiaal bedoeld. Deze zijn vaak niet bruikbaar omdat ze te zwak zijn.
Staal is een legering van ijzer en koolstof. Een bepaald percentage, vaak tussen 0,8% en 2,0%, koolstof maakt het ruwe ijzer sterker en harder.
Er wordt onderscheid gemaakt tussen laaggelegeerde en hooggelegeerde staalsoorten. Laaggelegeerd staal bevat tot 5% legeringselementen. Hooggelegeerd staal bevat
legeringselementen groter dan 5%. Chroom, nikkel of mangaan kunnen legeringselementen zijn. De bestanddelen lossen mee op in het materiaal, waardoor bij het afkoelen een betere structuur ontstaat. Die structuur bepaald voor een groot deel de eigenschappen van het materiaal.
Daarom ondergaan metalen soms bepaalde warmtebehandelingen. Deze veranderen de structuur van het materiaal afhankelijk van wat voor soort behandeling gebruikt wordt. Het verkleinen van de kristallen zal de rekgrens en kerfslag verhogen, waarbij de rek nauwelijks verminderd wordt. Dit wordt ook wel korrelverfijning genoemd. Staal is harder en slijtvaster te maken door het materiaal tot austeniet structuur te verhitten en vervolgens weer snel af te koelen, bijvoorbeeld door middel van water. Maar dit zorgt vaak wel voor een afname aan taaiheid. Om een goede combinatie tussen hardheid, sterkte en taaiheid te krijgen wordt het materiaal, na het harden, ontlaten.
Vezels in vezelversterkte kunststoffen worden altijd “puur” geproduceerd. Er worden geen andere bestanddelen aan toegevoegd dan het basismateriaal. Maar vezels kunnen op verschillende manieren in elkaar gelegd worden. Dit heeft invloed op de eigenschappen van het eindmateriaal.
Vezels worden op drie manieren gewoven, vierkant, keper en satijn. Vierkant weefsel is een symmetrisch weefsel dat stabiel is en een redelijke porositeit heeft. Vanwege de stabiliteit is dit soort weefsel moeilijke
vervormbaar dan andere weefsels. Dit soort weefsel heeft ook een hoge vezelkrimp. Hierdoor verlagen de mechanische eigenschappen aanzienlijk. Keper weefsels zijn zeer makkelijk te impregneren en het
neerleggen van deze weefsels gaat ook een stuk makkelijker dan vierkant weefsel. Maar de symmetrie van dit weefsel neemt wel iets af waardoor deze iets minder stabiel is. Keper weefsel krijgt een gladder oppervlak en hogere mechanische eigenschappen, omdat het minder krimpt.
Satijn weefsel is zeer vlak en heeft goede verzadigings- en drapeereigenschappen. Dit soort weefsel heeft een zeer lage krimp. Dit resulteert in goede mechanische
eigenschappen per weefsel. Wanneer meerdere weefsels toegepast worden moet wel rekening gehouden worden met het feit dat het sterkteverloop ook variabel kan zijn.
3.1 Vierkant weefsel [10] 3.2 Keper weefsel [10] 3.3 Satijn weefsel [10]
HTS-Autotechniek
8
3.2 Lichtgewichte constructie en productie methoden
Sandwich principe is een al gebruikte methode om lichte constructies te maken. Dit principe is gebaseerd op het toepassen van twee vlakke sheets met daartussen opvulmateriaal, vaak met een bepaalde structuur zoals honinggraad.
Meestal hebben de buitenste sheets een hogere stijfheid, en het vulmateriaal een matige stijfheid. De combinatie heeft een hoge afschuifstijfheid. Door de honinggraad structuur van het opvulmateriaal en de hoge afschuifstijfheid ondervinden sandwich panelen een zeer lage doorbuiging.
De krachten die op deze panelen komen, worden door de zes kanten van de honinggraadstructuur geleid. Omdat deze structuur in de hoogte staat en de sheets welving in de structuur verhinderen is dit zo een stevig principe. Welving is het scheef trekken van materiaal door een bepaalde
belasting. Door de goede verbinding tussen de sheets en structuur wordt welving verhinderd. De sheets houden de uiteinden van de structuur op zijn plaats waardoor het geheel ook stabieler wordt.
Doordat er een honinggraad structuur wordt gebruikt, wordt
veel minder materiaal gebruikt dan bij gewone platen. Ook is door de hogere stijfheid een dunnere dikte te gebruiken. Door deze twee zaken wordt gewicht bespaard.
Een lichtgewicht productiemethode is schuimen. Dit wordt reeds gebruikt bij kunststoffen, maar kan ook bij metalen gebruikt worden.
Bij kuststoffen worden TSG en gastegendrukgieten als productiemethode gebruikt. Hierbij wordt het kunststof in een mal gespoten, maar tegelijkertijd wordt er een gas met een bepaalde tegendruk via de andere kant ingespoten. Het gas mengt zich met het kunststof, zoals de prik in
firsdrank. Bij het afkoelen wordt het gas door het kunststof ingesloten. Wat resulteert, is een stevige binnenstructuur, maar toch lichtgewicht omdat er nu gas zit waar normaal gesproken kunststof materiaal zou zitten. Structuren zoals deze zijn ook in de natuur te vinden, bijvoorbeeld in botten.
Bij metalen kan deze techniek ook toegepast worden. Hierbij wordt een mal gevuld met kunststof bollen. Hierover wordt dan vloeibaar metaal gegoten. De kunststof bollen verbranden en het gas dat daarbij vrij komt wordt door het metaal ingesloten tijdens het afkoelen. De binnenstructuur komt dan hetzelfde eruit te zien als de grijze foto in Figuur 3.2.
3.4 Sandwich principe [21]
9
4 Strategisch materiaalvermindering
Om lichtgewicht te construeren moet ook gedacht worden aan het verminderen van materiaal op plekken waar het mogelijk is. Hiervoor wordt gekeken naar de sterkteleer. De sterkteleer gaat in op de sterkte, stijfheid en stabiliteit van constructies. Hierbij staan verschillende spanningen, trek/druk, buiging, torsie en afschuiving, centraal.
Uit de sterkteleer kan de wijsheid gehaald worden dat buiging en torsie zo veel mogelijk
vermeden moeten worden. Ook wordt geleerd dat materiaal het beste verder van de neutrale lijn af gelegd kan worden.
Dit wordt hieronder verder uitgelegd.
4.1 Buiging minimaliseren
Buiging heeft op verschillende manieren invloed op de totale optredende spanning en het
spanningsverloop. Zo is buigspanning een grote spanning. Door buiging vervormt een constructie veel meer, dan een constructie zonder buiging. Buiging wordt veroorzaakt door een bepaalde kracht op een bepaalde afstand waardoor een buigend moment ontstaat.
4.1.1 Buiging vermijden
Omdat buigspanningen relatief grote spanningen zijn, is er relatief veel materiaal nodig om die spanningen op te nemen. Dat is juist niet wat men wil. Daarom kan buiging in de eerste instantie het beste vermeden worden.
Buiging wordt veroorzaakt door buigende momenten, die weer veroorzaakt worden doordat een kracht op een bepaalde afstand op de constructie aangrijpt. Figuur 4.1 laat dit zien. Kracht F die op afstand a aangrijpt op de constructie, zorgt voor een buigend moment M in de verticale balk. Dit buigende moment is even groot als kracht F maal a.
Als we nou een verticale balk onder kracht F zetten, dan neemt die balk de kracht F op. Dit betekent dat er geen moment M meer in het krachtenspel zit. Deze veroorzaakt dus ook geen buigspanning meer, wat tot gevolg heeft dat de vier balken een stuk lichter geconstrueerd kunnen worden. Hierdoor wordt de constructie helaas ook een stuk onstabieler. Zet maar eens een zijdelingse kracht op het uiteinde van de horizontale balk waar ook kracht F op staat. De constructie klapt in elkaar. Er is dus nog materiaal nodig om die onstabiliteit op te vangen.
Maar ook is er een remendie voor de onstabiliteit. Een voorbeeld is te zien in Figuur 4.2. Hier wordt de constructie verstevigd door het
toevoegen van een schoor. In deze constructie treden hierdoor alleen nog maar trek en druk spanningen op. Wanneer de constructie in elkaar dreigt te zakken, neemt de schoor een trek of druk spanning op. Naar mate een constructie zonder schoor in elkaar zakt veranderd de afstand tussen de tegenovergestelde hoeken. Dit veroorzaakt die trek of druk spanning. Doordat de schoor die spanningen op neemt, kan de constructie nog lichter geconstrueerd worden.
Waar wel op gelet moet worden is dat de krachten in de balken geleid moeten worden. Er mag dus geen kracht loodrecht op de balken komen. In zo’n situatie kunnen de balken dan makkelijk knikken, waardoor de constructie kapot gaat.
4.1 Oorzaak van buiging
HTS-Autotechniek
10
4.1.2 Krachtweg kort houden
Het is een feit dat men niet in alle situaties buiging kan vermijden. Daarom moet geprobeerd worden buiging te minimaliseren. M = F * a. De formule voor moment, waardoor buiging wordt veroorzaakt. Hierin is a de krachtweg. Om buiging te minimaliseren, moet het moment
geminimaliseerd worden. Een kracht is niet te veranderen, dus zal de krachtweg veranderd moeten worden. Maken we de krachtweg korter, dan wordt het buigend moment ook lager. Een buigend moment zorgt ook voor een doorbuiging. Het liefst wil je de doorbuiging in je constructie zo miminaal mogelijk houden. Er zijn een aantal formules om de doorbuiging te berekenen. Hierin komt de lengte van de balk kwadratisch voor, in geval van een moment tot de derde macht. Dit betekent dat een kleine lengteverandering al kan leiden tot een grote toename of afname van de van de doorbuiging.
4.2 Juiste profielkeuze
Met een juiste profielkeuze kom je ook al een heel eind als het om materiaalvermindering gaat. Vooral als je kijkt naar buiging, kom je erachter dat niet overal een gelijke
spanning optreedt. Stel een balk voor die op buiging wordt belast. We zien dan een spanningsverloop zoals in Figuur 4.3 te zien is.
Wat op valt is dat in het midden van het materiaal geen tot nauwelijks een spanning werkt. Waarom is daar dan net zo veel materiaal te vinden aan de uiteinden? Dat materiaal kunnen we daar beter weghalen en aan de buitenkant een heel klein beetje materiaal toevoegen. Een heel klein beetje materiaal toevoegen is al genoeg, dus het materiaal dat we aan de
binnenkant weghalen wordt er niet weer aan de buitenkant bij gevoegd. Hoe verder het materiaal van die neutrale lijn ligt, des te dunner de wanden geconstrueerd kunnen worden. Vanwege dit principe is een dun en licht I-profiel ook zo sterk en stijf. Het traagheidsmoment is waar het vooral om gaat. De formule voor het traagheidsmoment over de horizontale as is Ix = ½ * b * h3. De
hoogte heeft een zeer grote invloed op het traagheidsmoment. Als het profiel in de richting loodrecht op het neutrale vlak belast wordt, kan dus het beste een hoog profile gebruikt worden. Ook geldt ditzelfde principe voor buizen. In de afbeelding hieronder staan een staaf en een aantal buizen weergegeven. De getallen in de cirkels zijn de maat voor de buitendiameter van elke buis. De binnendiameter van de buizen is telkens zo gekozen dat het traagheidsmoment gelijk is aan dat van de staaf. Onder de cirkels staat het relatieve gewicht uitgedruk in procenten. De eerste buis weegt 60% van wat de staaf weegt.
4.3 Materiaal verwijderen afhankelijk van het spanningsverloop
Omdat vaak niet alleen trek en druk spanningen, maar ook buigspanningen, op een balk werken is het spanningsverloop niet overal gelijk. Daat waar het hoogste moment zit, zit ook de hoogste spanning. In de rest van de balk is het spanningsniveau lager. Dit betekent dat het
4.4 Gewichtsbesparing buizen [15]
4.3 Verloop buigspanning
11
weerstandsmoment op bepaalde plaatsen groter is dan nodig. Op die plaatsen zal de balk dus zeker niet breken. De balk kan dus aangepast worden op het verloop van de spanningen.
Materiaal kan weggehaald worden op plaatsen waar een lagere spanning optreedt. Wel wordt de doorbuiging groter bij het verwijderen van het materiaal, maar dat kan weer verholpen worden door het toevoegen van materiaal aan de kant waar het hoogste moment optreedt.
Een probleem hierbij is dat de productie moeilijker is dan een gelijkmatige balk. Extrusie en walsen leveren prismatische profielen op, en krijgen een nadeligere structuur en vorm. De balken uit verschillende platen opbouwen is niet erg economisch.
HTS-Autotechniek
12
5 Conclusie
In de inleiding is deze hoofdvraag gedefinieerd: Welke mogelijkheden tot lichtgewicht construeren zijn te gebruiken bij het ontwerpen van constructies?
Door middel van veel literatuur onderzoek is er een antwoord gevonden op deze vraag. Er zijn vele mogelijkheden om lichtgewicht te construeren. Drie belangrijke elementen zijn, materiaal, productie en sterkteleer.
Elk materiaal heeft verschillende eigenschappen. Eigenschappen waar het vooral om gaat zijn sterkte, stijfheid en gewicht. Een goede verhouding is noodzakelijk om goed lichtgewicht te construeren. Aluminium heeft zeer goede eigenschappen en voor- en nadelen. Aluminium is dus een zeer geschikt materiaal om mee te construeren.
Afhankelijk van de productiemethode kunnen bepaalde eigenschappen van materialen verbeterd worden. Zo worden metalen sterker door toevoeging van bepaalde legeringselementen, zoals chroom, nikkel of mangaan. Warmtebehandelingen geven de mogelijkheid om de structuur van materialen aan te passen. Verschillende structuren zorgen voor verschillende mechanische eigenschappen.
Bij vezelversterkte kunststoffen kunnen de vezels op verschillende manieren in elkaar gewoven worden. Vierkant, keper en satijn. Elk weefsel zorgt weer voor verschillende eigenschappen. Het sandwich principe zorgt ook voor een aanzienlijke gewichtsbesparing. Sandwich principe houdt in dat twee sheets genomen worden waar opvulmateriaal tussen wordt geplaatst. In geval van compsieten is dit vaak schuim of balsa hout. In geval van metalen wordt vaak een
honinggraadstructuur tussen de sheets gelegd. Schuimen is een andere gewichtsbesparende productiemethode. Hierbij krijgt het materiaal een binnenstructuur als een schuim. Doordat er gas in de plaats van basismateriaal zit, bespaart deze methode veel gewicht bij een nauwelijkse afname van sterkte.
Kijken we naar de sterkteleer, dan is het belangrijkste onderwerp buiging. Buiging zorgt voor veel spanning. Daarom kan buiging het best vermeden worden. Vakwerken zijn constructies waar geen buiging meer optreed. Als buiging niet vermeden kan worden, moet de krachtweg zo klein mogelijk gehouden worden. Het traagheidsmoment speelt ook een belangrijke rol. Het materiaal moet zo ver mogelijk vanaf de neutrale lijn gebruikt worden. Verder zorgt het moment voor een variabel spanningsverloop. Afhankelijk hiervan kan materiaal verwijderd worden van plaatsen waar het niet nodig is.
13
6 Bronvermelding
[1] URL: http://wetenschap.infonu.nl/techniek/5891-lasverbindingen.html
[2] URL: http://wetenschap.infonu.nl/techniek/64229-aluminium-productie-door-extrusie.html
[3] Heirbaut, Jim, Magnesium toegepast om lichtgewicht te construeren. Constructie-Techniek, Metaal & Techniek, 2006. [4] URL: http://www.magnesiumsquare.com/ [5] URL: http://bodypegasus.wordpress.com/2010/01/27/staal-vs-aluminium-vs-carbon/ [6] URL: http://www.ifa-rotorion.com/index.php?id=76 [7] URL: http://www.fietspraat.nl/index.php?option=com_content&view=article&catid=1:materiaal&id=14:frame-staal-aluminium-carbon-of-magnesium-titanium [8] URL: http://www.granvillebikes.com/TechLab/Frametech/tabid/84/language/nl-NL/Default.aspx [9] URL: http://www.matweb.com/
[10] Vreede, W.J. de, Ontwerpen van autotechnische constructie-elementen 4: Chassis en carrosserie. HAN, Engineering, Autotechniek.
[11] URL: https://www.carbonwinkel.nl/Informatie/Vezelmaterialen [12] URL: http://www.velofilie.nl/composieten.htm
[13] URL: http://www.velofilie.nl/staal.htm
[14] Hibbeler, Russell C., Sterkteleer voor Technici. University of Louisiana, Academic Service. [15] Lange, Erik de, Lichtgewicht Ontwerpen. Rotterdam. Kenniskring Innovatie en Productrealisatie, Hogeschool Rotterdam. [16] URL: http://www.metalprices.com/p/SteelBenchmarkerFreeChart [17] URL: http://www.metalprices.com/p/AluminumFreeChart [18] URL: http://www.metalprices.com/p/MagnesiumFreeChart [19] URL: http://www.metalprices.com/p/TitaniumFreeChart [20] URL: http://www.velofilie.nl/images/compos1.gif [21] URL: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/CompositeSandwich.png [22] Verdult, Phil M., Presentatie: Is Gieten nu ook al duurzaam?.
