Lichtgewicht construeren is geen doel op zich

De meest

gebruiksvriendelijke

optische encoder

30

PLM en de constructeur, liefde op het tweede gezicht?

6

Iv-Groep ontwikkelt

sluisdeuren en

bewegingsmechanisme voor

het nieuwe Panamakanaal

38

Nieuwe mogelijkheden

van 3D printing dwingen

ontwerper in nieuwe rol

2 4

Hard-en software in

•nuwerpen

Lichtgewicht construeren is geen

doel op zich

Het ontwerpen, universitair gezien toch lange tijd een ondergeschoven kindje, ontwikkelt zich steeds meer tot een academische

wetenschap. Het is een van de stellingen, of misschien moeten we zeggen oneliners, die Erik Tempelman, Associate

Professor Design Engineering aan de Faculteit Industrieel Ontwerpen van de TU-Delft, met verve te berde

brengt tijdens de onlangs gehouden Constructeursdag 2012. De gedreven pleitbezorger van het

lichtgewicht ontwerpen draagt aan die ontwikkeling het zijne bij door

onderzoek, begeleiding van studenten en kennisoverdracht.

Hans Koopmans

3 4

Het oorspronkelijk middeleeuwse oordeel 'gewo-gen en te licht bevonden', heeft op de Faculteit Industrieel Ontwerpen van de T U D e l f t geen negatieve bijklank. Hoe lichter hoe beter, lijkt de algemene consensus als er weer eens een nieuw type personen- o f vrachtauto moet worden ontworpen. Het reduceren van de brandstofcon-sumptie heeft i n onze ecologisch bewuste maat-schappij immers een hoge prioriteit; los daarvan heeft het zeker ook een economisch belang. Vaak is hierbij de (ook ogenschijnlijk meest logische) insteek van ontwerpers o m een toevlucht te nemen tot alternatieve materialen. Die benadering is echter eenzijdig en kortzichtig, zo stelt Tempel-man. De A u d i A 2 was inderdaad een bijzonder lichte auto, maar beslist niet alleen vanwege de integrale toepassing van aluminium: zeker zo belangrijk was het uitgekiende ontwerp voor één duidelijk doel: de ontwikkeling van een auto zonder onnodig vermogen of'overbodige' prestaties. Daarmee hebben we al direct één van Tempelmans 'ontwerpregels voor lichtgewicht construeren' (zie kader) te pakken, die luidt: vergeet even al die geavanceerde en exotische materialen, en baseer de constructie i n de eerste plaats op functionaliteit. Wat moet het product precies kunnen, daar gaat het om. Staar je dus niet blind op materialen ais aluminium, magnesium en vezelversterkte kunststoffen.

Niet overdimensioneren

"Nog te vaak kiest men de gemakkelijkste weg en wordt er overgedimensioneerd o m op safe te spelen. De winst die te halen valt door doelgericht te construeren - dus niet door simpelweg de zware materialen door lichte te vervangen - laat men schieten. De ontwerper zou, meer dan thans het geval is, zowel de t i j d als de financiële speelruimte

Afbeelding 1. Erik Tempelmüi]: "Nog te vaak kiest men de gemakkelijkste weg en wordt er ovetgedimensioneeid om op s a f e te spelen."

moeten krijgen om een product zo optimaal mogelijk te ontwikkelen. We raken hier aan de vraag: wat is dat eigenlijk, goed lichtgewicht ontwerpen? Hoe doe je dat? Inderdaad wordt dan al snel gezegd: vervang staal door aluminium, composieten, met andere woorden wat i k noem de usual suspects. Maar daaraan vooraf moet gaan dat je goed nadenkt over de functie van het product, dat die exact wordt gespecificeerd, en dat het gewenste niveau van sterkte en stijfheid precies wordt gedefinieerd. O m het concreet te maken: een keukentrapje voor de Japanse markt moet een andere zijn dan eentje voor de Noord-Europese markt, simpelweg omdat Japanners gemiddeld lichter zijn. M e t een specifiek op deze markt gericht ontwerp k u n je dus gewicht sparen. En een ander voorbeeld uit de truckindustrie: een vrachtwagen geschikt voor het Ierse wegennet is op een aantal details overgedimensioneerd voor de meeste andere landen. I n het algemeen is er echter onvoldoende ontwikkelingsbudget om precies te bepalen wat er nodig is i n de verschillende deelmarkten. M e n gaat uit van een worst case scenario zodat het product i n negen van de tien situaties eigenlijk te zwaar, dus meestal te duur -ook i n het gebruik - is ontworpen. Bedenk daarbij dat de ontwikkelingskosten vooral gaan zitten i n het specificeren en het beproeven; het tussenlig-gende ontwerpproces is verhoudingsgewijs eenvoudig en goedkoop."

Niet overspecificeren

Zelfs producten die de reputatie hebben licht van gewicht te zijn, kunnen door een andere construc-tieve benadering nog veel lichter worden. Het voorbeeld dat Tempelman hiervoor aandraagt is de Volkswagen G o l f V I I . Die is een goede 100 kilogram lichter dan zijn voorganger. Hiermee is eindelijk een trend doorbroken, want bij alle voorgaande generaties was het nieuwe model altijd zwaarder dan zijn voorganger: er werden weliswaar

Afbeelding 2. Dit scharnier, ontwil<l<:eld voor het cabTnebed van een vrachtwagen, is o.a. opgebouwd uit aluminium extrusieonderdelen. Een lichtgewicht ontwerp betekent vaak overschakeling op een andere productietechniek (bron: DAF Trucks N. V.).

sterkere staalsoorten toegepast in de body, maar de gewichtswinst die dit opleverde ging altijd teniet doordat de auto ook groter, comfortabeler, krachtiger en veiliger moest worden. "Maar het had nog veel lichter gekund," zegt Tempelman, "als niet een aantal componenten van bestaande uitvoeringen één op één waren overgenomen, en de afmetingen en gewichten ervan niet zouden zijn gebaseerd op die van de zwaarst belaste uitvoering. In feite sleept elke 'gewone' G o l f het extra gewicht mee dat nodig is voor een handvol specials, zoals

'Lichtgewicht ontwerpen is meer

dan het één op één vervangen van

een zwaar materiaal

door een lichter.'

4x4- versies of GTI-modellen. Daardoor kom je per definitie uit op een overgedimensioneerd ontwerp. W i l je echt lichtgewicht ontwerpen dan

Vijf gouden regels voor lichtgewicht ontwerpen

volgens Erik Tempelman:

1. Grijp niet direct naar geavanceerde en exotische materialen, maar baseer het ontwerp in de eerste plaats op functionaliteit. Wat moet het product precies kunnen, daar gaat het om.

2. Ga je voor lichtgewicht producten, pas dan op voor modulair ontwerpen. Dat is eigenlijk een vorm van overspecificeren.

3. Bij lichtgewicht construeren gaat het niet alleen om de kilo's, maar ook om de euro's, de milieuwinst en de look & feel.

4. Als je lichtgewicht wil construeren, moet je de constructievorm aanpassen en vaak ook

overschakelen op andere productietechnieken. Bij het ontwerpen moetje rekening houden met de mogelijkheden en beperkingen van deze technieken, zeker ook in relatie tot de seriegrootte. 5. Lichtgewicht ontwerpen raakt zoveel aspecten dat de constructeur vanaf een vroeg stadium met

alle andere afdelingen in het bedrijf én met de toeleveranciers moet samenwerken. Zeker grote ondernemingen moeten goed kunnen'teamen'.

werpen

mag je niet overspecificeren. Die richtlijn staat op gespannen voet met modulair ontwerpen, het ontwerpen van basiselementen die op verschillende manieren gecombineerd kunnen worden. I k denk dat met dat uitgangspunt de G o l f V I I nog tweehonderd kilo lichter had gekund. Iemand die dat wél goed begrepen heeft, is Gordon Murray, ontwerper van de T.25. Deze compacte drieper-soons stadsauto weegt slechts 574 kilo."

Alternatieve productietechnieken

Lichtgewicht ontwerpen, zoveel is inmiddels duidelijk, is meer dan het één op één vervangen van een zwaar materiaal door een lichter. Het gaat om een fundamentele wijziging van de 'Gestalt' van het object, die invloed heeft op kostprijs, de productiewijze en de look & feel ervan.Tempel-man: "Wanneer je bij het frame van een truck het staal vervangt door aluminium zonder de con-structievorm te wijzigen, scheelt dat misschien 100 kilo. Maar je bent vele honderden euro's duurder uit en het gaat ten koste van de sterkte. A l u m i -n i u m k u -n je veel beter toepasse-n als ee-n space frame, iets dat D A F Trucks al i n 1992 heeft getest in hun Future Concept Vehicle, dat momenteel i n het D A F Museum in Eindhoven te zien is. Bij de al eerder genoemde A u d i A 2 werd aluminium plaatmateriaal gecombineerd met extrusieprofielen en gietdelen van hetzelfde metaal, iets dat met staal praktisch gezien onmogelijk is. W i l je magnesium gebruiken, dan zit je direct vast aan gieten, omdat dit metaal vrijwel niet als plaatmate-riaal voorhanden is en ook nauwelijks geëxtru-deerd wordt. Daar staat tegenover dat magnesium

Afbeelding 3. De 125 van Gordon l^urray weegtsleciits 574 kg.

wezenlijk beter te gieten is dan aluminium, met meer vormvrijheid en een langere levensduur van je matrijzen. En kies je voor composieten, dan heb je weer andere mogelijkheden en beperkingen, met uiteindelijk consequenties voor de vorm van je product. Kortom, de toepassing van andere materi-alen houdt ook vaak de inzet van alternatieve productietechnieken i n . "

'Lichtgewicht ontwerpen gaat van

start met een goede specificatie,

waarbij je exact het gebruiksdoel

definieert.'

Een complicerend aspect noemt Tempelman de seriegrootte, die voor iedere productietechnologie weer een ander o p t i m u m heeft, met consequenties voor de kostprijs. Voor componenten die i n grote aantallen gemaakt moeten worden, i n de orde van honderdduizenden stuks per jaar, zijn er eigenlijk

Dr. ir. Erik Tempelman studeerde lucht- en ruimtevaarttechniek aan de TU Delft en studeerde af bij prof. Boud Vogelezang (bekend van het revolutionaire vliegtuigmateriaal Glare) en prof. Adriaan Beukers (tal van composiettoepassingen), aan wie hij veel inspiratie ontleende. Na te zijn gepromoveerd op het gebied van materialen en duurzaamheid werkte hij vier Jaar op het centraal laboratorium van DAF Trucks, waar hij zich bezighield met schadeonderzoek en innovatie met aluminium. Vanaf 2005 was Tempelman twee Jaar verbonden aan TNO Industrie te Eindhoven, waar hij zich onder andere inspande om samen met de innovatieorganisatie Syntens nieuwe mogelijkheden van magnesiumextrusie over te brengen op het midden- en kleinbedrijf. Niet altijd met blijvend succes: pogingen tot innovaties waarbij bijvoorbeeld rollators van magnesium zouden worden vervaardigd, werden in de kiem gesmoord omdat investeringen noch de interesse beschikbaar waren om in ons land een extrusiefabriek voor magnesium van de grond te krijgen. Het volgende station van Tempelmans loopbaantraject was de Koninklijke Nedschroef Holding, waar hij werkte aan aluminium bouttechnologie en aan boutverbindingen voor hoge temperaturen, zoals turbobehuizingen. Daarna keerde Tempelman terug op het oude nest, de TU Delft, waar hij tot op heden onderzoek en onderwijs op het terrein van lichtgewicht ontwerpen combineert in zijn functie als universitair hoofddocent. "Lichtgewicht construeren is een soort beroepshobby van me. Het is leuk en spannend om Jonge mensen op dit uitdagende onderwerp te inspireren," zegt hij, "ook omdat het industrieel ontwerpen steeds meer van ondergeschoven kindje evolueert tot een volwaardige academische discipline. De kennisoverdracht is heel gevarieerd: van colleges met driehonderd studenten in de zaal tot individuele begeleiding - bij afstudeerprojecten - tot nu toe inmiddels een vijftigtal - die variëren van 'groot conceptueel'tot'productierijpe technieken'of 'qua vormgeving uitdagend'. Lichtgewicht ontwerpen is niet de grootste gemene deler, maar speelt wel vaak een rol."

voor composieten is dat een groot probleem, omdat deze materialen een lange uithardingtijd vergen. Een uitzondering hierop is de technologie van de zogenaamde Advanced Thermoplastic Composites die wél relatief snel te produceren zijn, wat op termijn goede perspectieven voor de automobielindustrie biedt. Toepassing van deze materialen bij de productie van een personenauto zou neerkomen op een extra gewichtsreductie van twee a driehonderd kilo. Resumerend: lichtgewicht ontwerpen gaat van start met een goede specifica-tie, waarbij je exact het gebruiksdoel definieert om overdimensionering te vermijden. Stap twee is de materiaalkeuze, die op haar beurt de productie-techniek of-productie-technieken dicteert, die elk hun eigen optimale seriegrootte kennen.

Staal niet vergeten

Na dit alles zou men denken dat het met staal binnen afzienbare t i j d over and out is. Niets is minder waar, Tempelman zegt het met nadruk.

het belangrijkste constructiemateriaal, met diverse, nagenoeg onverslaanbare eigenschappen. Er vindt nog steeds meer ontwikkeling plaats i n staal dan in alle andere constructiematerialen bij elkaar! Een voorbeeld vormen de martensitische staalsoorten die een goede vervormbaarheid (mits bij hogere temperatuur) combineren met extreem hoge sterkte, en die inmiddels ook i n de G o l f V I I een vaste plaats hebben verworven. Tempelman maakt er niet veel woorden aan vuil: "Je bent als con-structeur niet goed bezig als je staal vergeet." Tegelijkertijd pleit hij ervoor om bij het lichtge-wicht construeren de natuur als inspiratiebron te gebruiken. De natuur is superefficiënt en combi-neert de positieve eigenschappen van een lichtge-wichtconstructie met volledige afbreekbaarheid. Wat dat betreft is een grote toekomst weggelegd voor natuurvezelcomposieten. 37

CRONEMAN

G r o n e m a n BV Amarilstraat I I 7 5 5 4 T V Hengelo (Ov.) Tel: 074 - 255 I I 4 0 info@groneman.n www.groneman.nl

mayr

ROBA-DS - Draaistijve askoppelin;^ - Geringe massatraagheid - Veelvoud aan varianten