SAMENVATTING:
Module 1: Inleiding:
1.3: Waarom een cursus materialen?:
1) kostprijs grondstoffen (piek tijdens corona)
2) productiviteit van materialen (laatste 30 jaar geen Δ bij grondstoffen)
3) materialen zijn overal aanwezig
4) belang materialen in innovatie (70% is (in)direct gebaseerd op materialen)
5) impact materialen op milieu
1.4: Een voorbeeld:
-(materiaalr)evolutie van fietsen
1) Da Vinci fietsontwerp (16de eeuw)
2) de ‘draisienne’ (1817): loopfiets
3) voorwielaandrijving (velocipede) Lallement (1870):
4) James Starley (1870): groter voorwiel
5) kettingaandrijving (1879): nog steeds, groter voorwiel
6) fiets met rubberen banden (1880): groter achterwiel
7) hitech fiets
8) 3D geprinte fiets
→ ! beschikbare materialen zijn enorm toegenomen de laatste 60 jaar
→ prestatieverbetering door materiaalontwikkeling
→ als “lichtheid” een belangrijk criterium is: staal → aluminium → composieten
→ functionele, economische en ecologische prestaties afhankelijk van materialen
→ “elementengebruikintensiteit” (aantal materialen in voorwerpen) is sterk toegenomen
Module 2: Materiaalfamilies:
2.1: Ontwerp en materialen:
→ schema: Hoe ontwerpen/bedenken we producten?
2.2: Overzicht eigenschappen:
Materiaaleigenschappen - mechanisch:
-stijf (slap): stijfheid: mate waarin een materiaal zich tegen elastische vervorm verzet
=E
-sterk (zwak): sterkte: vermogen van een materiaal om een kracht te weerstaan zonder
te breken
,= σy
→ soorten: treksterkte, druksterkte, schuifsterkte,...
-taai (bros): taaiheid: vermogen van een materiaal om energie te absorberen en
plastisch te vervormen voordat het breekt
= Klc
→ hoge taaiheid: materiaal zal eerst insnoeren en dan pas breken
-zwaar (licht): gewicht
→ dichtheid: hoeveelheid massa per eenheid van volume
=ρ
=> bv. tanden van een graafmachine vereisen een hoge stijfheid, hoge breuktaaiheid
Materiaaleigenschappen - thermisch:
-gebruikstemperatuur: (hoogste) temperatuur waarbinnen het materiaal kan
functioneren zonder het verliezen van zijn mechanische eigenschappen of prestaties
= T(max)
-(thermische) geleidbaarheid: vermogen om warmte over te brengen
=λ
→ bv. isolatie van huizen: lage geleidbaarheid
→ bv. kookplaat en pan: hoge geleidbaarheid
-warmtecapaciteit: vermogen van een materiaal om warmte op te nemen of af te geven
bij een constante druk
= C(p)
-diffusiviteit: maat voor hoe snel warmte door een materiaal wordt verspreid in reactie
op een temperatuurverandering
= a ( ~ λ / C(p))
-thermische expansie: mate waarin er volumeverandering optreedt in reactie op een
temperatuursverandering
= α (expansiecoëfficiënt)
-elektrische, magnetische, optische: DIA 16
→ permanente magneten: behouden hun magnetische eigenschappen een lange tijd
=> bv. NdFeB magneet
→ transformator staal: kan makkelijk magnetische velden doorgeven
=> (bv. hoogspanning naar laagspanning)
Chemische eigenschappen:
-”Welk materiaal is goed bestand tegen zout water?”
→ WEL: glas, koolstofvezelversterkte composiet
→ NIET: roestvast staal, aluminium
2.3: Overzicht materiaalfamilies:
, 1) metalen
2) keramieken
3) glasachtigen
4) polymeren
5) elastomeren
6) hybriden (mengvormen)
Metalen:
-stijf, ductiel
-brede waaier aan dichtheden
→ Osmium: zeer hoge dichtheid (gebruikt in bv. legeringen)
→ Lithium: zeer lage dichtheid (gebruikt in bv. batterijen)
-onderhevig aan corrosie
Keramieken:
-hard, maar bros
→ gebruikt in de industrie bij processen met hoge temperaturen
-bestendig aan corrosie
Glazen:
-transparant, bros, amorf (zonder kristallijne structuur)
→ zeer gelijkaardig aan keramiek, maar atomen zitten door elkaar waardoor ze
makkelijker licht binnenlaten
Polymeren:
-lage stijfheid, lage gebruikstemperatuur (< 200°C), licht
Elastomeren:
-zeer lage E moduli (dus elastisch), maar sterk
Hybride materialen:
-vezel en deeltjes versterkte composieten
→ PMC: polymeer matrix
→ MMC: metaal matrix
→ CMC: keramiek matrix
-sandwich structuren
-schuimen
-kabels, draden
-laminaten
-natuurlijke materialen: hout, bot, leder, zijde,...
Materialenbibliotheek: Granta Edupack Software:
families klassen subklassen lid attributen
bv. metalen bv. Al bv. 6000 bv. 6061 bv. dichtheid,
corrosie,...
→ materiaalfiche: overzicht van fysische, mechanische en functionele eigenschappen
, 2.4: Overzicht verwerkingstechnieken:
Primaire vormgeving - spuitgieten / injection moulding:
1: Malvoorbereiding: Een stalen mal wordt voorbereid
met de gewenste vorm van het eindproduct.
2: Smelten van het materiaal: Plastic of ander
materiaal wordt gesmolten tot vloeistof.
3: Injectie: Gesmolten materiaal wordt onder druk in
de mal geïnjecteerd.
4: Koeling: Het gesmolten materiaal koelt af en stolt
in de vorm van de mal.
5: Uitharding en vorming: Het uitgeharde product
wordt gevormd en uit de mal verwijderd.
Primaire vormgeving - additive manufacturing:
1: 3D-model ontwerpen: Creëer een digitaal model van het gewenste object.
2: Slicing van het model: Verdeel het model in dunne lagen met speciale software.
3: 3D-printer voorbereiden: Laad het materiaal in de printer en stel de machine in.
4: Laag-per-laag printen: Bouw het object door materiaal per laag te smelten of te binden.
5: Voltooien: Verwijder ondersteunende structuren en het 3D-geprinte object is klaar.
=> laser-sintering
Processenbibliotheek: Granta Edupack Software:
universe family class member attributes
processes bv. shaping bv. molding bv. injection bv. material,
shape,...
Materiaalkundedriehoek:
2.5: Beginselen van materiaalselectie in ontwerp:
Het ontwerpproces:
Module 1: Inleiding:
1.3: Waarom een cursus materialen?:
1) kostprijs grondstoffen (piek tijdens corona)
2) productiviteit van materialen (laatste 30 jaar geen Δ bij grondstoffen)
3) materialen zijn overal aanwezig
4) belang materialen in innovatie (70% is (in)direct gebaseerd op materialen)
5) impact materialen op milieu
1.4: Een voorbeeld:
-(materiaalr)evolutie van fietsen
1) Da Vinci fietsontwerp (16de eeuw)
2) de ‘draisienne’ (1817): loopfiets
3) voorwielaandrijving (velocipede) Lallement (1870):
4) James Starley (1870): groter voorwiel
5) kettingaandrijving (1879): nog steeds, groter voorwiel
6) fiets met rubberen banden (1880): groter achterwiel
7) hitech fiets
8) 3D geprinte fiets
→ ! beschikbare materialen zijn enorm toegenomen de laatste 60 jaar
→ prestatieverbetering door materiaalontwikkeling
→ als “lichtheid” een belangrijk criterium is: staal → aluminium → composieten
→ functionele, economische en ecologische prestaties afhankelijk van materialen
→ “elementengebruikintensiteit” (aantal materialen in voorwerpen) is sterk toegenomen
Module 2: Materiaalfamilies:
2.1: Ontwerp en materialen:
→ schema: Hoe ontwerpen/bedenken we producten?
2.2: Overzicht eigenschappen:
Materiaaleigenschappen - mechanisch:
-stijf (slap): stijfheid: mate waarin een materiaal zich tegen elastische vervorm verzet
=E
-sterk (zwak): sterkte: vermogen van een materiaal om een kracht te weerstaan zonder
te breken
,= σy
→ soorten: treksterkte, druksterkte, schuifsterkte,...
-taai (bros): taaiheid: vermogen van een materiaal om energie te absorberen en
plastisch te vervormen voordat het breekt
= Klc
→ hoge taaiheid: materiaal zal eerst insnoeren en dan pas breken
-zwaar (licht): gewicht
→ dichtheid: hoeveelheid massa per eenheid van volume
=ρ
=> bv. tanden van een graafmachine vereisen een hoge stijfheid, hoge breuktaaiheid
Materiaaleigenschappen - thermisch:
-gebruikstemperatuur: (hoogste) temperatuur waarbinnen het materiaal kan
functioneren zonder het verliezen van zijn mechanische eigenschappen of prestaties
= T(max)
-(thermische) geleidbaarheid: vermogen om warmte over te brengen
=λ
→ bv. isolatie van huizen: lage geleidbaarheid
→ bv. kookplaat en pan: hoge geleidbaarheid
-warmtecapaciteit: vermogen van een materiaal om warmte op te nemen of af te geven
bij een constante druk
= C(p)
-diffusiviteit: maat voor hoe snel warmte door een materiaal wordt verspreid in reactie
op een temperatuurverandering
= a ( ~ λ / C(p))
-thermische expansie: mate waarin er volumeverandering optreedt in reactie op een
temperatuursverandering
= α (expansiecoëfficiënt)
-elektrische, magnetische, optische: DIA 16
→ permanente magneten: behouden hun magnetische eigenschappen een lange tijd
=> bv. NdFeB magneet
→ transformator staal: kan makkelijk magnetische velden doorgeven
=> (bv. hoogspanning naar laagspanning)
Chemische eigenschappen:
-”Welk materiaal is goed bestand tegen zout water?”
→ WEL: glas, koolstofvezelversterkte composiet
→ NIET: roestvast staal, aluminium
2.3: Overzicht materiaalfamilies:
, 1) metalen
2) keramieken
3) glasachtigen
4) polymeren
5) elastomeren
6) hybriden (mengvormen)
Metalen:
-stijf, ductiel
-brede waaier aan dichtheden
→ Osmium: zeer hoge dichtheid (gebruikt in bv. legeringen)
→ Lithium: zeer lage dichtheid (gebruikt in bv. batterijen)
-onderhevig aan corrosie
Keramieken:
-hard, maar bros
→ gebruikt in de industrie bij processen met hoge temperaturen
-bestendig aan corrosie
Glazen:
-transparant, bros, amorf (zonder kristallijne structuur)
→ zeer gelijkaardig aan keramiek, maar atomen zitten door elkaar waardoor ze
makkelijker licht binnenlaten
Polymeren:
-lage stijfheid, lage gebruikstemperatuur (< 200°C), licht
Elastomeren:
-zeer lage E moduli (dus elastisch), maar sterk
Hybride materialen:
-vezel en deeltjes versterkte composieten
→ PMC: polymeer matrix
→ MMC: metaal matrix
→ CMC: keramiek matrix
-sandwich structuren
-schuimen
-kabels, draden
-laminaten
-natuurlijke materialen: hout, bot, leder, zijde,...
Materialenbibliotheek: Granta Edupack Software:
families klassen subklassen lid attributen
bv. metalen bv. Al bv. 6000 bv. 6061 bv. dichtheid,
corrosie,...
→ materiaalfiche: overzicht van fysische, mechanische en functionele eigenschappen
, 2.4: Overzicht verwerkingstechnieken:
Primaire vormgeving - spuitgieten / injection moulding:
1: Malvoorbereiding: Een stalen mal wordt voorbereid
met de gewenste vorm van het eindproduct.
2: Smelten van het materiaal: Plastic of ander
materiaal wordt gesmolten tot vloeistof.
3: Injectie: Gesmolten materiaal wordt onder druk in
de mal geïnjecteerd.
4: Koeling: Het gesmolten materiaal koelt af en stolt
in de vorm van de mal.
5: Uitharding en vorming: Het uitgeharde product
wordt gevormd en uit de mal verwijderd.
Primaire vormgeving - additive manufacturing:
1: 3D-model ontwerpen: Creëer een digitaal model van het gewenste object.
2: Slicing van het model: Verdeel het model in dunne lagen met speciale software.
3: 3D-printer voorbereiden: Laad het materiaal in de printer en stel de machine in.
4: Laag-per-laag printen: Bouw het object door materiaal per laag te smelten of te binden.
5: Voltooien: Verwijder ondersteunende structuren en het 3D-geprinte object is klaar.
=> laser-sintering
Processenbibliotheek: Granta Edupack Software:
universe family class member attributes
processes bv. shaping bv. molding bv. injection bv. material,
shape,...
Materiaalkundedriehoek:
2.5: Beginselen van materiaalselectie in ontwerp:
Het ontwerpproces:
