Materialenleer: samenvatting
Hoofdstuk 1: inleiding
Probleemstelling
Materiaalkeuze maken: o.b.v. ervaringen met soortgelijke constructies of constructie-
onderdelen in het verleden, eventueel aangevuld met gegevens materiaalleveranciers + wat er in
het magazijn aanwezig is
→ onverstandige manier van werken
→ steeds toenemende mate strenge eisen en voorschriften: milieuwetgeving en
productaansprakelijkheid maken goede materiaalkeuze belangrijk, maar ook moeilijker (+
aansprakelijkheid)
→ enorm materialenaanbod: staalsoorten, kunststoffen, beton, keramische materialen, glas,
composieten, …
Materiaalgroepen (toepassingen in de slides!)
Vaste stoffen worden in 3 groepen verdeeld: metalen, polymeren en keramieken
→ indeling gebaseerd op de chemische samenstelling en atoomstructuur van de materialen
→ ook randgevallen
Beland van materialen samengesteld uit meerdere materialen → 4e groep: de composieten
Ook biomaterialen worden meer en meer als aparte groep behandeld
Metalen:
- hoog aantal vrije elektronen: veel eigenschappen zoals goede geleidbaarheid van warmte en
elektriciteit direct gevolg van de aanwezigheid van deze elektronen → korrelstructuur
Opgebouwd vanuit stollingskernen overgang smelt/vaste stof
- metaalatomen → metaalrooster: kubisch ruimtelijk gecenterd, kubisch vlakken gecenterd,
hexagonaal
- sterke metaalbinding
- vrij sterk
- toch vervormbaar (permanent/plastisch vervormbaar zonder verlies van sterkte door vorming
roosterglijvlakken)
- corrosiegevoelig door onbezette buitenste schil atomen
-onbeperkt recyclebaar
- wijdverspreid gebruik in structurele toepassingen
Maar… 1,9 ton CO2-uitstoot/ton geproduceerd staal startend van ijzererts
Staalindustrie verantwoordelijk voor 15% van industriële CO2- uitstoot
Schroot: de grondstof van de toekomst
Enorme energievraag, nu cokes
Toekomst: aardgas, waterstof
Nabije, verre en heel verre toekomst…
Schroot + elektrische oven → staal (24% staalproductie 20219)
Erts → DRI + elektrische over → staal (4% staalproductie in 2019)
1
,Rubbers en kunststoffen:
- behoren tot groep van polymeren: polymeren = organische verbindingen samengesteld uit
koolstof, waterstof en andere niet-metallische elementen.
- zeer lange moleculaire structuur
- primaire covalente bindingen in ketens / secondaire bindingen tussen ketens
- al dan niet crosslinks
- geen elektronenwolk, hier moleculair structuur → geen elektronenwolk die contact maakt met
omgeving → geen corrosie, wel degradatie
- lage dichtheid
- weinig stijf, lage sterkte
- lage thermische en elektrische geleidbaarheid
- Mechanisch gedrag sterk beïnvloedbaar door temperatuur / thermoplasten <-> thermoharders
- Beperkt tot niet recyclebaar (Storten, verbranden, mechanisch, chemisch)
- zeer vervormbaar
▪ Schema in slide!
Keramieken:
= mengsels van metallische en niet-metallische elementen (oxides, nitrides en carbides)
- vb keramieken gevormd van kleimineralen, cement en glas
- moleculair opgebouwd
- hoofdzakelijk ionische bindingen tussen elementen met covalent karakter
- geordende opbouw, mits uitzonderingen
- slechte geleiders warmte en elektriciteit
- weerstaan beter hoge T en agressieve milieus dan metalen en polymeren
- dichtheid tussen kunststoffen en metalen
- relatief stijf, sterk in druk
- zeer hard
- zeer bros
▪ Vaak oppervlaktelagen, anti-graffiti, corrosiebestendig, bedrukking me zeefdruktechniek
Composieten: (notities slides!)
bv glasvezelversterkte kunststof → combineren eigenschappen van de samenstellende
materialen (wordt zodanig ontworpen zodat gewenste combinatie ontstaat: vb: sterkte van glas
en vervormbaarheid van een polymeer)
Zoals vezelversterkte kunststoffen
o Combinatie van eigenschappen samenstellende elementen
o Eigenschappen op maat
o Niet tot uiterst recycleerbaar
Biomaterialen: worden gebruikt voor implantaten in het menselijk lichaam. → implantaten
vervangen ziekte of beschadigde delen
→ Materialen moeten aan zeer strenge eisen voldoen: er mogen geen toxische bestanddelen
worden geproduceerd en het materiaal moet compatibel zijn met menselijk weefsel
2
,Alternatieve indelingen ook mogelijk: bv obv aspecten van bezwijkgedrag (bros en taai), obv
temperatuurbestendigheid, obv treksterkte, obv richtingsafhankelijkheid van bepaalde
eigenschappen (bv isotrope, orthotrope, anistrope materialen), obv ruimtelijke verdeling van
bepaalde eigenschappen (bv heterogene en homogene materialen),…
Materiaalkeuze
Vooraf bepalen aan welke eisen het uiteindelijke product moet voldoen. De functie die een
component, die uit een bepaald materiaal gemaakt is, moet vervullen, zal in belangrijke mate
bepalend zijn voor de eigenschappen die het materiaal moet bezitten
Primaire eisen waaraan een materiaal moet voldoen: betrekking op de sterkte- en
vormingseigenschappen van het materiaal (sterkte en stijfheid)
▪ Obv primaire eisen meestal de aangewezen materiaalgroep worden geselecteerd. →
keuze van specifieke materiaal binnen die groep volgt uit secundaire eisen (betrekking op
het gemak waarmee het materiaal geproduceerd en verwerkt kan worden in een
halffabricaat of eindproduct)
• omgeving
• veiligheid
• verbindingstechnieken
• oppervlaktebehandelingen
• energiebesparing
• kwaliteit
• aard van het materiaal
▪ ook uiterlijk van een component of product in termen van esthetica en
oppervlakteafwerking is van belang. Ook moeten worden bekeken hoe deze en andere
fysische en mechanische eigenschappen veranderen bij het onderwerpen aan bepaalde
milieucondities
Veel literatuur beschikbaar zowel in het Nederlands als in andere talen om een oplossing te
vinden voor het probleem van de juiste materiaalkeuze.
Winst uit economisch materiaalgebruik (niet in slides)
Arbeidskosten worden vaak gezien als cruciaal voor de uiteindelijke kostprijs, maar handmatige
montage blijkt soms sneller en goedkoper dan geautomatiseerde montage, met uitzonderingen
voor bijvoorbeeld kleine elektronica of auto-onderdelen
Te veel focus op automatisering kan negatieve gevolgen hebben: een juiste materiaalkeuze en
optimaal materiaalgebruik zijn minstens zo belangrijk en kunnen aanzienlijke besparingen
opleveren.
De omvang van de productserie speelt een rol: grotere series maken materiaalkosten belangrijker.
Hoogwaardige, duurdere materialen kunnen kostenbesparingen opleveren vanwege hun betere
mechanische eigenschappen en bredere toepassingsmogelijkheden
3
, Ontwerpprocessen (niet in slides)
Met de vooruitgang van de technologie en het gebruik van computers in het ontwerpproces zijn er
veel meer ontwerpfilosofieën ontstaan, beïnvloed door veranderende inzichten in milieubeheer
en wettelijke voorschriften. Nieuwe begrippen zoals milieuvriendelijk ontwerpen en lean
production zijn geïntroduceerd. Het ontwerpproces is nu meer gericht op het uiteindelijke
product, waarbij de materiaalkeuze steeds belangrijker wordt, vooral bij hergebruik. Dit heeft
invloed op aspecten zoals montage, demontage en recyclebaarheid. Methodisch ontwerpen
omvat het gebruik van selectiecriteria en waarderingscijfers, waardoor kostenbewustheid en
milieubewustheid bij het construeren worden vergroot. De materiaalkeuze is van cruciaal belang
voor het succes van de constructie. Verschillende factoren beïnvloeden het programma van
eisen, waaronder sterkte, vervormbaarheid, taaiheid en economische overwegingen zoals
materiaalkosten en onderhoudskosten
4
Hoofdstuk 1: inleiding
Probleemstelling
Materiaalkeuze maken: o.b.v. ervaringen met soortgelijke constructies of constructie-
onderdelen in het verleden, eventueel aangevuld met gegevens materiaalleveranciers + wat er in
het magazijn aanwezig is
→ onverstandige manier van werken
→ steeds toenemende mate strenge eisen en voorschriften: milieuwetgeving en
productaansprakelijkheid maken goede materiaalkeuze belangrijk, maar ook moeilijker (+
aansprakelijkheid)
→ enorm materialenaanbod: staalsoorten, kunststoffen, beton, keramische materialen, glas,
composieten, …
Materiaalgroepen (toepassingen in de slides!)
Vaste stoffen worden in 3 groepen verdeeld: metalen, polymeren en keramieken
→ indeling gebaseerd op de chemische samenstelling en atoomstructuur van de materialen
→ ook randgevallen
Beland van materialen samengesteld uit meerdere materialen → 4e groep: de composieten
Ook biomaterialen worden meer en meer als aparte groep behandeld
Metalen:
- hoog aantal vrije elektronen: veel eigenschappen zoals goede geleidbaarheid van warmte en
elektriciteit direct gevolg van de aanwezigheid van deze elektronen → korrelstructuur
Opgebouwd vanuit stollingskernen overgang smelt/vaste stof
- metaalatomen → metaalrooster: kubisch ruimtelijk gecenterd, kubisch vlakken gecenterd,
hexagonaal
- sterke metaalbinding
- vrij sterk
- toch vervormbaar (permanent/plastisch vervormbaar zonder verlies van sterkte door vorming
roosterglijvlakken)
- corrosiegevoelig door onbezette buitenste schil atomen
-onbeperkt recyclebaar
- wijdverspreid gebruik in structurele toepassingen
Maar… 1,9 ton CO2-uitstoot/ton geproduceerd staal startend van ijzererts
Staalindustrie verantwoordelijk voor 15% van industriële CO2- uitstoot
Schroot: de grondstof van de toekomst
Enorme energievraag, nu cokes
Toekomst: aardgas, waterstof
Nabije, verre en heel verre toekomst…
Schroot + elektrische oven → staal (24% staalproductie 20219)
Erts → DRI + elektrische over → staal (4% staalproductie in 2019)
1
,Rubbers en kunststoffen:
- behoren tot groep van polymeren: polymeren = organische verbindingen samengesteld uit
koolstof, waterstof en andere niet-metallische elementen.
- zeer lange moleculaire structuur
- primaire covalente bindingen in ketens / secondaire bindingen tussen ketens
- al dan niet crosslinks
- geen elektronenwolk, hier moleculair structuur → geen elektronenwolk die contact maakt met
omgeving → geen corrosie, wel degradatie
- lage dichtheid
- weinig stijf, lage sterkte
- lage thermische en elektrische geleidbaarheid
- Mechanisch gedrag sterk beïnvloedbaar door temperatuur / thermoplasten <-> thermoharders
- Beperkt tot niet recyclebaar (Storten, verbranden, mechanisch, chemisch)
- zeer vervormbaar
▪ Schema in slide!
Keramieken:
= mengsels van metallische en niet-metallische elementen (oxides, nitrides en carbides)
- vb keramieken gevormd van kleimineralen, cement en glas
- moleculair opgebouwd
- hoofdzakelijk ionische bindingen tussen elementen met covalent karakter
- geordende opbouw, mits uitzonderingen
- slechte geleiders warmte en elektriciteit
- weerstaan beter hoge T en agressieve milieus dan metalen en polymeren
- dichtheid tussen kunststoffen en metalen
- relatief stijf, sterk in druk
- zeer hard
- zeer bros
▪ Vaak oppervlaktelagen, anti-graffiti, corrosiebestendig, bedrukking me zeefdruktechniek
Composieten: (notities slides!)
bv glasvezelversterkte kunststof → combineren eigenschappen van de samenstellende
materialen (wordt zodanig ontworpen zodat gewenste combinatie ontstaat: vb: sterkte van glas
en vervormbaarheid van een polymeer)
Zoals vezelversterkte kunststoffen
o Combinatie van eigenschappen samenstellende elementen
o Eigenschappen op maat
o Niet tot uiterst recycleerbaar
Biomaterialen: worden gebruikt voor implantaten in het menselijk lichaam. → implantaten
vervangen ziekte of beschadigde delen
→ Materialen moeten aan zeer strenge eisen voldoen: er mogen geen toxische bestanddelen
worden geproduceerd en het materiaal moet compatibel zijn met menselijk weefsel
2
,Alternatieve indelingen ook mogelijk: bv obv aspecten van bezwijkgedrag (bros en taai), obv
temperatuurbestendigheid, obv treksterkte, obv richtingsafhankelijkheid van bepaalde
eigenschappen (bv isotrope, orthotrope, anistrope materialen), obv ruimtelijke verdeling van
bepaalde eigenschappen (bv heterogene en homogene materialen),…
Materiaalkeuze
Vooraf bepalen aan welke eisen het uiteindelijke product moet voldoen. De functie die een
component, die uit een bepaald materiaal gemaakt is, moet vervullen, zal in belangrijke mate
bepalend zijn voor de eigenschappen die het materiaal moet bezitten
Primaire eisen waaraan een materiaal moet voldoen: betrekking op de sterkte- en
vormingseigenschappen van het materiaal (sterkte en stijfheid)
▪ Obv primaire eisen meestal de aangewezen materiaalgroep worden geselecteerd. →
keuze van specifieke materiaal binnen die groep volgt uit secundaire eisen (betrekking op
het gemak waarmee het materiaal geproduceerd en verwerkt kan worden in een
halffabricaat of eindproduct)
• omgeving
• veiligheid
• verbindingstechnieken
• oppervlaktebehandelingen
• energiebesparing
• kwaliteit
• aard van het materiaal
▪ ook uiterlijk van een component of product in termen van esthetica en
oppervlakteafwerking is van belang. Ook moeten worden bekeken hoe deze en andere
fysische en mechanische eigenschappen veranderen bij het onderwerpen aan bepaalde
milieucondities
Veel literatuur beschikbaar zowel in het Nederlands als in andere talen om een oplossing te
vinden voor het probleem van de juiste materiaalkeuze.
Winst uit economisch materiaalgebruik (niet in slides)
Arbeidskosten worden vaak gezien als cruciaal voor de uiteindelijke kostprijs, maar handmatige
montage blijkt soms sneller en goedkoper dan geautomatiseerde montage, met uitzonderingen
voor bijvoorbeeld kleine elektronica of auto-onderdelen
Te veel focus op automatisering kan negatieve gevolgen hebben: een juiste materiaalkeuze en
optimaal materiaalgebruik zijn minstens zo belangrijk en kunnen aanzienlijke besparingen
opleveren.
De omvang van de productserie speelt een rol: grotere series maken materiaalkosten belangrijker.
Hoogwaardige, duurdere materialen kunnen kostenbesparingen opleveren vanwege hun betere
mechanische eigenschappen en bredere toepassingsmogelijkheden
3
, Ontwerpprocessen (niet in slides)
Met de vooruitgang van de technologie en het gebruik van computers in het ontwerpproces zijn er
veel meer ontwerpfilosofieën ontstaan, beïnvloed door veranderende inzichten in milieubeheer
en wettelijke voorschriften. Nieuwe begrippen zoals milieuvriendelijk ontwerpen en lean
production zijn geïntroduceerd. Het ontwerpproces is nu meer gericht op het uiteindelijke
product, waarbij de materiaalkeuze steeds belangrijker wordt, vooral bij hergebruik. Dit heeft
invloed op aspecten zoals montage, demontage en recyclebaarheid. Methodisch ontwerpen
omvat het gebruik van selectiecriteria en waarderingscijfers, waardoor kostenbewustheid en
milieubewustheid bij het construeren worden vergroot. De materiaalkeuze is van cruciaal belang
voor het succes van de constructie. Verschillende factoren beïnvloeden het programma van
eisen, waaronder sterkte, vervormbaarheid, taaiheid en economische overwegingen zoals
materiaalkosten en onderhoudskosten
4
