Materialen: eigenschappen, selectie en duurzaamheid
Module 1: Inleiding
Doughnut economics (Kate Raworth)
- Zone tussen buiten en binnengrens (groene zone) = veilige zone
voor de mensheid
- Buitenring: planetaire grenzen (bv. grondstoffen zijn niet oneindig!)
o Voor grondstoffen worden mijnen geopend die een grote
invloed hebben op milieu en klimaat
- Binnenring: dak boven je hoofd, stenen, hout, eten
Visuele samenvatting van hoe je milieu moet sturen, alles linkt
terug naar materialen!
Materiaalvoetafdruk
= grondstoffen nodig om aan jouw consumptie te voldoen, als gemiddelde inwoner van een land met
hoge inkomens
Waarom een cursus materialen?
1. Kostprijs grondstoffen
2. Productiviteit materialen
3. Materialen zijn overal aanwezig
4. Belang materialen in innovatie
5. Impact materialen op milieu
Zie voorbeelden slides
Module 2: materiaalfamilies
2.1. Ontwerp en materialen
Hoe ontwerpen/bedenken we producten?
Afhankelijk van het aantal vrijheidsgraden
o Bv. bij het maken van een mixer zijn verschillende materialen
mogelijk (kunstof, staal). We gaan dus moeten kijken naar de
processen waarvoor ze gebruikt zijn en de eigenschappen van de
materialen (vb. prijs, duurzaamheid, houdbaarheid)
2.2. Overzicht eigenschappen
Materiaaleigenschappen – mechanisch
- Stijf slap: als vleugels niet stijf genoeg zijn gaan ze vervormen
(tijdelijke vervorming)
- Sterk zwak: tot op welke grens blijft het materiaal intact qua
eigenschappen? (permente vervorming, bv. een plooi)
- Taai broos: tot op welke grens blijft het materiaal intact
(scheuren, breuken)
- Zwaar licht: vleugels kunnen doorbijgen, vliegtuig kan mss niet
opstijgen
Voorbeeld: rubberen band botsauto’s
- Stijfheid/elasticiteit: heel elastistisch, anders wordt de impact van de botsing niet
geabsorbeerd
- Sterkte: hoog, anders bij botsingen krijgen we permanente blutsen, ingedeukte banden
- Breuktaaiheid: hoog, anders bij botsingen blijft het materiaal niet intact (scherven)
- Dichtheid: minder belangrijke parameter hier (idealiter niet te hoog, anders te zwaar)
,Materiaaleigenschappen – thermisch
- Gebruikstemperatuur: vanaf een bepaalde temperatuur doet een
materiaal meer/minder (bv. Kunststof werkt goed bij
kamertemperatuur, maar bij een temperatuur hoger dan 200° is
het vrijwel afgelopen met bruikbaarheid)
- Geleidbaarheid: een pan op het vuur moet goed geleiden zodat
het water snel kookt, maar het handvat moet wel nog vast te
houden zijn
- Warmtecapaciteit/ diffusiviteit: hoe snel kan warmte zich in een materiaal verplaatsen
- Thermische expansie: materialen kunnen vervormen (vb. deuren die klemmen in de zomer →
daarom spaties)
Materiaaleigenschappen – elektrische, magnetische, optische
→ Staan we minder nadrukkelijk bij stil
- Resistiviteit/weerstand: bij elektriciteitsdraden laag, zodat ze een lange
weg kunnen afleggen. Bij lichtknoppen hoog, als het uit is dan blijft het uit.
- Elektrisch veld
- Magnetische eigenschappen: permanente magneten (magneet) vs niet-
permanente magneten (frigo)
- Lichtdoorlaatbaarheid
Ecologische eigenschappen
2.3. Overzicht materiaalfamilies
Metalen
- Ductiel = heel gemakkelijk vorm aan kunnen geven (bv. metaaldraad)
- Stijf = heel stevig, heel sterk, niet buigbaar
- Brede waaier aan dichtheden (zie PSE)
- Onderhevig aan corrosie (metaaloxide) → sommige kunnen er wel goed tegen (=edelmetalen),
zoals goud
,Keramieken
- Hard maar bros: als je een koffietas laat vallen blijft hij ofwel heel, ofwel breekt hij volledig
- Excellente hoge temperatuur eigenschappen
- Corrosie bestendig
Glazen
- Amorf: vormloos, zonder vaste vorm of geordende structuur
- Transparant (bv. bril, maar kan in principe ook een soort transparante kunststof zijn)
- Bros: als je een glas laat vallen blijft hij ofwel heel, ofwel breekt hij volledig
Polymeren
- Lage stijfheid
- Lage gebruikstemperatuur (<200°C)
- Licht
Elastomeren
- Zeer lage E moduli (als je er een kracht op uitoefent krijg je een grote vervorming)
- Sterk (vb. je kan heel hard aan een elastiekje trekken voordat hij springt)
Hybride/composiete materialen
- Vezel en deeltjes versterkte composieten
o Polymeer matrix (PMC)
o Metaal matrix (MMC)
o Keramiek matrix (CMC)
- Sandwich structuren
- Schuimen
- Kabels/draden
- Natuurlijke materialen: hout, bot, leder, zijde, …
2.4. Overzicht verwerkingstechnieken
Primaire vormgeving:
Spuitgieten
Addittive manufacturing (3D printen)
, Processenbibliotheek
2.5. Beginselen van materiaalselecte in ontwerp
Het ontwerpproces (vb. fiets)
1. Concept
o Ik wil een fiets ontwerpen, maar hebben nog meer
specificaties nodig zoals bvb. een ligfiets, een fiets met
bagagedrager, een fiets met een kinderstoel etc.
2. Embodiment/materiaalselectie
o Hout: goedkoop, niet zo sterk, licht
o Goud: duur, niet zo sterk, zwaar
o …
3. Detail
o Elk onderdeel van een fiets wordt bekeken qua materiaal (zadel, etc.)
Algemene selectiestrategie
Vertaalslag:
Module 3: Grondstoffen
3.1. Inleiding
Zie voorbeelden
3.2. De oorsprong van materialen
Levenscyclus van materialen
Module 1: Inleiding
Doughnut economics (Kate Raworth)
- Zone tussen buiten en binnengrens (groene zone) = veilige zone
voor de mensheid
- Buitenring: planetaire grenzen (bv. grondstoffen zijn niet oneindig!)
o Voor grondstoffen worden mijnen geopend die een grote
invloed hebben op milieu en klimaat
- Binnenring: dak boven je hoofd, stenen, hout, eten
Visuele samenvatting van hoe je milieu moet sturen, alles linkt
terug naar materialen!
Materiaalvoetafdruk
= grondstoffen nodig om aan jouw consumptie te voldoen, als gemiddelde inwoner van een land met
hoge inkomens
Waarom een cursus materialen?
1. Kostprijs grondstoffen
2. Productiviteit materialen
3. Materialen zijn overal aanwezig
4. Belang materialen in innovatie
5. Impact materialen op milieu
Zie voorbeelden slides
Module 2: materiaalfamilies
2.1. Ontwerp en materialen
Hoe ontwerpen/bedenken we producten?
Afhankelijk van het aantal vrijheidsgraden
o Bv. bij het maken van een mixer zijn verschillende materialen
mogelijk (kunstof, staal). We gaan dus moeten kijken naar de
processen waarvoor ze gebruikt zijn en de eigenschappen van de
materialen (vb. prijs, duurzaamheid, houdbaarheid)
2.2. Overzicht eigenschappen
Materiaaleigenschappen – mechanisch
- Stijf slap: als vleugels niet stijf genoeg zijn gaan ze vervormen
(tijdelijke vervorming)
- Sterk zwak: tot op welke grens blijft het materiaal intact qua
eigenschappen? (permente vervorming, bv. een plooi)
- Taai broos: tot op welke grens blijft het materiaal intact
(scheuren, breuken)
- Zwaar licht: vleugels kunnen doorbijgen, vliegtuig kan mss niet
opstijgen
Voorbeeld: rubberen band botsauto’s
- Stijfheid/elasticiteit: heel elastistisch, anders wordt de impact van de botsing niet
geabsorbeerd
- Sterkte: hoog, anders bij botsingen krijgen we permanente blutsen, ingedeukte banden
- Breuktaaiheid: hoog, anders bij botsingen blijft het materiaal niet intact (scherven)
- Dichtheid: minder belangrijke parameter hier (idealiter niet te hoog, anders te zwaar)
,Materiaaleigenschappen – thermisch
- Gebruikstemperatuur: vanaf een bepaalde temperatuur doet een
materiaal meer/minder (bv. Kunststof werkt goed bij
kamertemperatuur, maar bij een temperatuur hoger dan 200° is
het vrijwel afgelopen met bruikbaarheid)
- Geleidbaarheid: een pan op het vuur moet goed geleiden zodat
het water snel kookt, maar het handvat moet wel nog vast te
houden zijn
- Warmtecapaciteit/ diffusiviteit: hoe snel kan warmte zich in een materiaal verplaatsen
- Thermische expansie: materialen kunnen vervormen (vb. deuren die klemmen in de zomer →
daarom spaties)
Materiaaleigenschappen – elektrische, magnetische, optische
→ Staan we minder nadrukkelijk bij stil
- Resistiviteit/weerstand: bij elektriciteitsdraden laag, zodat ze een lange
weg kunnen afleggen. Bij lichtknoppen hoog, als het uit is dan blijft het uit.
- Elektrisch veld
- Magnetische eigenschappen: permanente magneten (magneet) vs niet-
permanente magneten (frigo)
- Lichtdoorlaatbaarheid
Ecologische eigenschappen
2.3. Overzicht materiaalfamilies
Metalen
- Ductiel = heel gemakkelijk vorm aan kunnen geven (bv. metaaldraad)
- Stijf = heel stevig, heel sterk, niet buigbaar
- Brede waaier aan dichtheden (zie PSE)
- Onderhevig aan corrosie (metaaloxide) → sommige kunnen er wel goed tegen (=edelmetalen),
zoals goud
,Keramieken
- Hard maar bros: als je een koffietas laat vallen blijft hij ofwel heel, ofwel breekt hij volledig
- Excellente hoge temperatuur eigenschappen
- Corrosie bestendig
Glazen
- Amorf: vormloos, zonder vaste vorm of geordende structuur
- Transparant (bv. bril, maar kan in principe ook een soort transparante kunststof zijn)
- Bros: als je een glas laat vallen blijft hij ofwel heel, ofwel breekt hij volledig
Polymeren
- Lage stijfheid
- Lage gebruikstemperatuur (<200°C)
- Licht
Elastomeren
- Zeer lage E moduli (als je er een kracht op uitoefent krijg je een grote vervorming)
- Sterk (vb. je kan heel hard aan een elastiekje trekken voordat hij springt)
Hybride/composiete materialen
- Vezel en deeltjes versterkte composieten
o Polymeer matrix (PMC)
o Metaal matrix (MMC)
o Keramiek matrix (CMC)
- Sandwich structuren
- Schuimen
- Kabels/draden
- Natuurlijke materialen: hout, bot, leder, zijde, …
2.4. Overzicht verwerkingstechnieken
Primaire vormgeving:
Spuitgieten
Addittive manufacturing (3D printen)
, Processenbibliotheek
2.5. Beginselen van materiaalselecte in ontwerp
Het ontwerpproces (vb. fiets)
1. Concept
o Ik wil een fiets ontwerpen, maar hebben nog meer
specificaties nodig zoals bvb. een ligfiets, een fiets met
bagagedrager, een fiets met een kinderstoel etc.
2. Embodiment/materiaalselectie
o Hout: goedkoop, niet zo sterk, licht
o Goud: duur, niet zo sterk, zwaar
o …
3. Detail
o Elk onderdeel van een fiets wordt bekeken qua materiaal (zadel, etc.)
Algemene selectiestrategie
Vertaalslag:
Module 3: Grondstoffen
3.1. Inleiding
Zie voorbeelden
3.2. De oorsprong van materialen
Levenscyclus van materialen
