Bij het selecteren van de juiste materialen, worden steeds hogere eisen aan ingenieurs gesteld. Aan de ene kant is duurzaamheid belangrijker dan ooit, maar aan de andere kant moeten de componenten zo goedkoop mogelijk zijn. Frank Gerwarth van reichelt elektronik ziet het bij productontwikkeling vaak als balanceren. Hij legt uit wat ingenieurs kan helpen in hun besluitvormingsproces met het oog op hun doelstellingen.
Aspecten van het materiaal die bij de keuze een essentiële rol spelen zijn de fysische eigenschappen, belastingsfactoren of uiteindelijke toepassingsdoeleinden. Het vinden van de gulden middenweg hierin is volgens Gerwarth een dagelijkse uitdaging voor ontwikkelaars.
Type materialen en eigenschappen
Het gebruik van bepaalde materialen heeft grote invloed op de eigenschappen van het eindproduct. Hoewel heel wat materialen vaak nog moeten worden getest op hun toepasbaarheid voor nieuwe ontwerpen, zijn er ook materialen die zich door hun functionaliteit al hebben bewezen.
“Zo is lithium, als licht metaal en uitstekende opslag voor elektrische energie, zeer geschikt voor batterij- en accumulatortechnologie. Daarom wordt dit materiaal gebruikt in apparaten zoals mobiele telefoons of laptops”, vertelt hij.
Een eigenschap die naast gewicht een belangrijke rol speelt, is de stabiliteit van materialen. IJzer en staal zijn materialen van metaal die gemakkelijk verkrijgbaar, goedkoop en bijzonder sterk zijn. Daarom worden ze bijvoorbeeld gebruikt in de machinebouw.
Andere, ook nieuwere materialen
“Naast deze twee metalen spelen echter nog veel meer metalen een rol in de moderne industriële productie”, aldus Gerwarth. “Aluminium, bijvoorbeeld, wordt al lang beschouwd als een substituut voor ijzer. Hoewel het minder weegt dan ijzer, ligt het prijsniveau hoger.”
“Nieuwe hoogwaardige polymeren worden momenteel steeds populairder, en met name composieten zoals koolstofvezels zullen in de toekomst een belangrijke rol spelen”, verwacht hij. “Zij concurreren met de gevestigde metalen lichtgewicht materialen die in de voertuigbouw worden gebruikt.”
Composietmaterialen zijn bijzonder geschikt voor additive manufacturing, stelt Gerwarth. “Hier worden vezelversterkte composieten gebruikt, waarin twee willekeurige materialen kunnen worden gecombineerd. In de meeste gevallen wordt hier een mengsel van polymeren en versterkende materialen gebruikt.”
“Polymeermaterialen worden bij 3D-printen vaak gebruikt om complexe driedimensionale objecten te produceren. Door hun buitengewone sterkte zijn ze onder meer geschikt als constructiemateriaal voor mechanische onderdelen.”
Kiezen juiste materiaal vereist kennis
Zodra de eisen voor het eindproduct duidelijk zijn, is de volgende stap het kiezen van het juiste materiaal. Ingenieurs profiteren van het feit dat de verscheidenheid aan materialen de laatste decennia is toegenomen.
Een van de redenen is het voortdurende onderzoek dat verricht wordt naar nieuwe combinaties van materialen. Dat maakt dat ingenieurs nog steeds moeten afwegen welk materiaal geschikt is. Maar idealiter zijn zij nu minder beperkt, vindt Gerwarth.
“De overvloed aan gegevens van materialen vereist echter wel veel kennis van de ontwerpers. Het gebruik van materialen waar de ontwerper minder ervaring mee heeft, gaat meestal gepaard met risico’s, aangezien de effecten eerst moeten worden getest.”
Slimme materialen
Innovaties op het gebied van materiaalontwerp ontstaan vaak uit de behoeften van sectoren of markten. De huidige ontwikkelingen spitsen zich dan ook toe op de thema’s grondstoffen- en energie-efficiëntie, waarbij het vooral gaat om slimme (of intelligente) materialen.
Met slimme materialen wordt beoogd nieuwe functionele materialen van vaste stoffen, vloeistoffen of zelfs gassen te ontwerpen die zich kunnen aanpassen aan veranderingen van de omgeving, zoals temperaturen of lichtomstandigheden.
Elektro-reologische vloeistoffen
Elektro-reologische vloeistoffen behoren bijvoorbeeld tot deze groep van intelligente materialen. Deze worden al gebruikt in de auto-industrie.
In voertuigen wordt dit adaptieve materiaal bijvoorbeeld gebruikt om de drukeigenschappen te regelen, waardoor bijvoorbeeld het geluid voor de inzittenden kan worden verminderd. Dit gebeurt door zich aan te passen aan de snelheid van de motor.
Gerwarth ziet hier vooral voordelen oor bijvoorbeeld ambulancevervoer. Daarnaast kunnen elektro-reologische vloeistoffen zich aanpassen aan de omstandigheden in de ondergrond. Dat maakt dat gevoelige goederen, zoals schakelapparatuur of hightech machines, dankzij demping veilig kunnen worden getransporteerd.
Opleidingen en deskundigen
Van het brainstormen en het selecteren van het juiste materiaal tot het eindproduct, de elektro-industrie vertrouwt op innovaties in materiaalonderzoek om de wereldwijde druk sneller aan te kunnen, zegt Gerwarth.
Er bestaan al opleidingen gericht op materiaalonderzoek en deskundigen op het gebied van materiaalontwerp betreden straks de arbeidsmarkt, geeft hij aan. De toenemende verscheidenheid aan gebruikte materialen helpt ingenieurs om het juiste materiaal te vinden.
“Ook distributeurs kunnen een belangrijke bijdrage leveren. Zij kunnen als integrerende partners optreden en ingenieurs een breed scala aan moderne materialen aanbieden. Daarmee worden ze geholpen met het vinden van het beste materiaal voor het productieproces”, besluit hij