Simulatie brengt kunststofkronkels in kaart

Een nieuwe Delftse simulatiemethode laat exact zien in welke bochten de vloeibare polymeren zich wringen.

In de begintijd van de massaproductie was plastic het synoniem voor goedkoop prutswerk. De ontwerpers maakten slecht gebruik van de eigenzinnige karaktertrekken van het nieuwe materiaal, wat vaak resulteerde in teleurstellende producten. Afbrekende knoppen, rammelende klepjes en onheilspellend krakende omhulsels lieten weinig over van het gebruiksplezier.

De kunststofverwerkende industrie heeft dit klungelige imago inmiddels van zich afgeschud. Plastics zijn niet meer weg te denken in de productontwikkeling. De hausse aan draagbare gadgets leunt sterk op de verbeterde plasticsoorten en productietechnieken. Lensjes, behuizingen en mechanische onderdelen komen nu met zeer hoge nauwkeurigheid uit de spuitgietmachine zetten.

Best een prestatie want kunststof, ook wel polymeer genoemd, is een lastig goedje. De harde, taaie schil van mobiele telefoons wordt bijvoorbeeld gemaakt door gesmolten kunststof onder hoge druk in een metalen mal te spuiten. Deze stroperige massa, een wanordelijke kluwen van lange moleculen, wringt zich door de spleten, holtes en groeven van de productmal.

Na geforceerde afkoeling wordt het product uitgestoten, en dan is het maar afwachten of de gewenste afmetingen ook werkelijk behaald zijn. Plaatselijke krimp van de moleculaire spaghetti kan namelijk tot aanzienlijke afwijkingen leiden, terwijl restspanningen in het materiaal de sterkte negatief beïnvloeden.

Nu is er wel iets te zeggen over het gedrag van gesmolten kunststof. Door de hete polymeerpap als een vloeistof te beschouwen, kunnen de materiaalspanningen redelijk worden voorspeld. Maar redelijk is soms niet genoeg. Aan hoogwaardige producten worden soms zulke hoge eisen gesteld dat deze aanpak danig tekortschiet.

,,De mechanische en optische kwaliteit van kunststoffen wordt ook sterk bepaald door de ordening van de polymeerketens”, aldus ir. Ton van Heel, die 20 maart promoveert bij de sectie stromingsleer van Werktuigbouwkunde. ,,De gangbare simulatiemethoden doen hier echter geen uitspraak over. Deze beschrijven het spul namelijk op macroscopische schaal, alsof het een egale plas water is. Maar een kunststofsmelt gedraagt zich heel anders dan reguliere vloeistoffen.”

Kronkelen

Binnen de stromingsleer bestaat een apart onderzoeksgebied voor zogenaamde niet-newtoniaanse vloeistoffen: de reologie. Gesmoltenkunststof is een dankbaar onderzoeksobject. Omdat kunststof uit lange moleculen bestaat, verandert de structuur van een kronkelende, gesmolten polymeerstroom voortdurend. De moleculen draaien met de stroomrichting mee en worden uitgerekt als elastiekjes, wat het stromingsgedrag van de stroop weer beïnvloedt.

De oriëntatie van de moleculen heeft ook effect op de materiaalsterkte: als een productonderdeel in de lengterichting op trekkracht belast wordt, is het bijvoorbeeld handig als de kunststofketens in dezelfde richting liggen.

Een ervaren kunststofboer weet meestal wel hoe hij de mal het beste vol kan laten lopen. Voor complexe nieuwe producten worden echter steeds vaker simulatietechnieken ingezet. Maar die draaien om de hete kunststofbrij heen: ze bepalen alleen de spanningen in de materiaal. Met behulp van de eindige-elementenmethode en algemene veerwetten, worden de kunststofketens in een denkbeeldig rasterwerk gedumpt dat vervolgens wordt doorgerekend. Dit heeft echter zijn beperkingen.

,,Die standaardaanpak gebruikt één algemene vergelijking om het vloeistofgedrag te beschrijven”, verklaart Van Heel. ,,De microstructuur van de vloeibare polymeer wordt hierbij totaal buiten beschouwing gelaten, je krijgt dus geen moleculair beeld. Maar om de eigenschappen van een kunststof product exact te kunnen voorspellen is kennis over de oriëntatie van de polymeerketens juist erg belangrijk.”

Om de ordening van de individuele ketens te achterhalen, is in feite simulatie op molecuulniveau nodig. Een tijdrovende en kostbare klus die Toy Story 2 qua complexiteit naar de kroon steekt. Er is dus behoefte aan een slimmere simulatietechnieken, een hot topic in het onderzoek naar gesmolten polymeren. Van Heel en zijn collega ir. Frank Peters hebben de speurtocht naar een nieuwe methode net afgerond. Van Heel schroomt niet deze revolutionair te noemen. Daarbij is hij overigens wel schatplichtig aan zijn promotoren dr. Martien Hulsen en prof. Ben van den Brule. Zij bedachten een volstrekt nieuwe benadering voor het probleem.

Van Heel: ,,Toen ik met mijn onderzoek begon, hadden zij hiervoor net een onderzoeksaanvraag ingediend bij FOM, het instituut voor fundamenteel materiaalonderzoek. Ik viel dus met mijn neus in de boter en kon direct aan de slag.”

Onderlegger

De onderzoekers besloten niet langer naar de losse polymeerketens te turen, maar de toestand van deze ketens wat algemener te beschrijven. Moleculen met dezelfde lengte en bewegingsrichting worden hierbij op een denkbeeldige hoop geveegd die de naam ‘configuratieveld’ heeft gekregen. Door deze patronen als onderlegger voor zijn berekeningen te gebruiken, kan Van Heel snel de druk, snelheid en oriëntatie van de ketens in de kunststofstroop bepalen.

Het gebruik van configuratievelden heeft nog een voordeel: nauwkeurigere berekeningen zijn nu een makkie. Bij de traditionele aanpak moeten de losse polymeermoleculen telkens weer moeizaam in het model gepropt worden. De velden hebben hier geen last van, omdat ze de situatie in de polymeerbrij als een soort doorlopendevoorstelling verbeelden. Welke plek in het veld als ankerpunt voor een rekenpartij wordt gebruikt, boeit dus niet. De velden beschrijven de configuratie van de polymeren op elk gewenst punt.

Om uit te vinden of de veldenbenadering wel hout snijdt, paste de promovendus zowel de oude als de nieuwe rekenwijze toe op een eenvoudige praktijksituatie.

,,Voor deze validering hebben we de polymeren versimpeld tot kraaltjes met een spiraalveer ertussen”, legt Van Heel uit. ,,Zo maak je er hanteerbare mechanische objecten van. Daardoor konden we de situatie ook doorrekenen met de traditionele simulatiemethoden. De uitkomsten kwamen perfect overeen.”

Van Heels aanpak bleek dus te kloppen. Een mooi moment, vindt hij.

“Als je inziet hoe je iets kunt generaliseren, dan gebéurt er iets met je. Vanaf dat moment kun je het idee niet meer van je afzetten. En het leuke van dit onderzoek is dat het heel fundamenteel is, maar toch dicht bij de toepassing staat.”

Hij vervolgt: ,,Het bijkomende voordeel is dat je met configuratievelden een veel groter aantal situaties kunt doorrekenen. Bovendien staat deze simulatiemethode een stuk dichter bij de fysische werkelijkheid, zonder dat de rekentijd noemenswaardig toeneemt. Dat is echt een doorbraak.”

Omdat zijn model makkelijk in efficiënte, parallelle computerprogramma’s kan worden verwerkt, verwacht Van Heel dat de nieuwe simulatiemethode wel zal aanslaan. ,,Veel andere onderzoeksgroepen zijn deze methode al gaan gebruiken. Omdat je nu ook de oriëntatie van de polymeervezels kunt bepalen, is het bovendien mogelijk de optische en mechanische eigenschappen van kunststof producten verder te optimaliseren.”

Met de interesse uit de industrie zal het dus wel loslopen. Misschien kunnen ze nu dan eindelijk een cd-hoesje ontwerpen dat niet stuk gaat.

Consumentenproducten bevatten steeds meer kunststofonderdelen. De fabricage ervan is deels nattevingerwerk, want het gedrag van gesmolten kunststof laat zich niet zomaar in een model gieten. Een nieuwe Delftse simulatiemethode laat exact zien in welke bochten de vloeibare polymeren zich wringen.

In de begintijd van de massaproductie was plastic het synoniem voor goedkoop prutswerk. De ontwerpers maakten slecht gebruik van de eigenzinnige karaktertrekken van het nieuwe materiaal, wat vaak resulteerde in teleurstellende producten. Afbrekende knoppen, rammelende klepjes en onheilspellend krakende omhulsels lieten weinig over van het gebruiksplezier.

De kunststofverwerkende industrie heeft dit klungelige imago inmiddels van zich afgeschud. Plastics zijn niet meer weg te denken in de productontwikkeling. De hausse aan draagbare gadgets leunt sterk op de verbeterde plasticsoorten en productietechnieken. Lensjes, behuizingen en mechanische onderdelen komen nu met zeer hoge nauwkeurigheid uit de spuitgietmachine zetten.

Best een prestatie want kunststof, ook wel polymeer genoemd, is een lastig goedje. De harde, taaie schil van mobiele telefoons wordt bijvoorbeeld gemaakt door gesmolten kunststof onder hoge druk in een metalen mal te spuiten. Deze stroperige massa, een wanordelijke kluwen van lange moleculen, wringt zich door de spleten, holtes en groeven van de productmal.

Na geforceerde afkoeling wordt het product uitgestoten, en dan is het maar afwachten of de gewenste afmetingen ook werkelijk behaald zijn. Plaatselijke krimp van de moleculaire spaghetti kan namelijk tot aanzienlijke afwijkingen leiden, terwijl restspanningen in het materiaal de sterkte negatief beïnvloeden.

Nu is er wel iets te zeggen over het gedrag van gesmolten kunststof. Door de hete polymeerpap als een vloeistof te beschouwen, kunnen de materiaalspanningen redelijk worden voorspeld. Maar redelijk is soms niet genoeg. Aan hoogwaardige producten worden soms zulke hoge eisen gesteld dat deze aanpak danig tekortschiet.

,,De mechanische en optische kwaliteit van kunststoffen wordt ook sterk bepaald door de ordening van de polymeerketens”, aldus ir. Ton van Heel, die 20 maart promoveert bij de sectie stromingsleer van Werktuigbouwkunde. ,,De gangbare simulatiemethoden doen hier echter geen uitspraak over. Deze beschrijven het spul namelijk op macroscopische schaal, alsof het een egale plas water is. Maar een kunststofsmelt gedraagt zich heel anders dan reguliere vloeistoffen.”

Kronkelen

Binnen de stromingsleer bestaat een apart onderzoeksgebied voor zogenaamde niet-newtoniaanse vloeistoffen: de reologie. Gesmoltenkunststof is een dankbaar onderzoeksobject. Omdat kunststof uit lange moleculen bestaat, verandert de structuur van een kronkelende, gesmolten polymeerstroom voortdurend. De moleculen draaien met de stroomrichting mee en worden uitgerekt als elastiekjes, wat het stromingsgedrag van de stroop weer beïnvloedt.

De oriëntatie van de moleculen heeft ook effect op de materiaalsterkte: als een productonderdeel in de lengterichting op trekkracht belast wordt, is het bijvoorbeeld handig als de kunststofketens in dezelfde richting liggen.

Een ervaren kunststofboer weet meestal wel hoe hij de mal het beste vol kan laten lopen. Voor complexe nieuwe producten worden echter steeds vaker simulatietechnieken ingezet. Maar die draaien om de hete kunststofbrij heen: ze bepalen alleen de spanningen in de materiaal. Met behulp van de eindige-elementenmethode en algemene veerwetten, worden de kunststofketens in een denkbeeldig rasterwerk gedumpt dat vervolgens wordt doorgerekend. Dit heeft echter zijn beperkingen.

,,Die standaardaanpak gebruikt één algemene vergelijking om het vloeistofgedrag te beschrijven”, verklaart Van Heel. ,,De microstructuur van de vloeibare polymeer wordt hierbij totaal buiten beschouwing gelaten, je krijgt dus geen moleculair beeld. Maar om de eigenschappen van een kunststof product exact te kunnen voorspellen is kennis over de oriëntatie van de polymeerketens juist erg belangrijk.”

Om de ordening van de individuele ketens te achterhalen, is in feite simulatie op molecuulniveau nodig. Een tijdrovende en kostbare klus die Toy Story 2 qua complexiteit naar de kroon steekt. Er is dus behoefte aan een slimmere simulatietechnieken, een hot topic in het onderzoek naar gesmolten polymeren. Van Heel en zijn collega ir. Frank Peters hebben de speurtocht naar een nieuwe methode net afgerond. Van Heel schroomt niet deze revolutionair te noemen. Daarbij is hij overigens wel schatplichtig aan zijn promotoren dr. Martien Hulsen en prof. Ben van den Brule. Zij bedachten een volstrekt nieuwe benadering voor het probleem.

Van Heel: ,,Toen ik met mijn onderzoek begon, hadden zij hiervoor net een onderzoeksaanvraag ingediend bij FOM, het instituut voor fundamenteel materiaalonderzoek. Ik viel dus met mijn neus in de boter en kon direct aan de slag.”

Onderlegger

De onderzoekers besloten niet langer naar de losse polymeerketens te turen, maar de toestand van deze ketens wat algemener te beschrijven. Moleculen met dezelfde lengte en bewegingsrichting worden hierbij op een denkbeeldige hoop geveegd die de naam ‘configuratieveld’ heeft gekregen. Door deze patronen als onderlegger voor zijn berekeningen te gebruiken, kan Van Heel snel de druk, snelheid en oriëntatie van de ketens in de kunststofstroop bepalen.

Het gebruik van configuratievelden heeft nog een voordeel: nauwkeurigere berekeningen zijn nu een makkie. Bij de traditionele aanpak moeten de losse polymeermoleculen telkens weer moeizaam in het model gepropt worden. De velden hebben hier geen last van, omdat ze de situatie in de polymeerbrij als een soort doorlopendevoorstelling verbeelden. Welke plek in het veld als ankerpunt voor een rekenpartij wordt gebruikt, boeit dus niet. De velden beschrijven de configuratie van de polymeren op elk gewenst punt.

Om uit te vinden of de veldenbenadering wel hout snijdt, paste de promovendus zowel de oude als de nieuwe rekenwijze toe op een eenvoudige praktijksituatie.

,,Voor deze validering hebben we de polymeren versimpeld tot kraaltjes met een spiraalveer ertussen”, legt Van Heel uit. ,,Zo maak je er hanteerbare mechanische objecten van. Daardoor konden we de situatie ook doorrekenen met de traditionele simulatiemethoden. De uitkomsten kwamen perfect overeen.”

Van Heels aanpak bleek dus te kloppen. Een mooi moment, vindt hij.

“Als je inziet hoe je iets kunt generaliseren, dan gebéurt er iets met je. Vanaf dat moment kun je het idee niet meer van je afzetten. En het leuke van dit onderzoek is dat het heel fundamenteel is, maar toch dicht bij de toepassing staat.”

Hij vervolgt: ,,Het bijkomende voordeel is dat je met configuratievelden een veel groter aantal situaties kunt doorrekenen. Bovendien staat deze simulatiemethode een stuk dichter bij de fysische werkelijkheid, zonder dat de rekentijd noemenswaardig toeneemt. Dat is echt een doorbraak.”

Omdat zijn model makkelijk in efficiënte, parallelle computerprogramma’s kan worden verwerkt, verwacht Van Heel dat de nieuwe simulatiemethode wel zal aanslaan. ,,Veel andere onderzoeksgroepen zijn deze methode al gaan gebruiken. Omdat je nu ook de oriëntatie van de polymeervezels kunt bepalen, is het bovendien mogelijk de optische en mechanische eigenschappen van kunststof producten verder te optimaliseren.”

Met de interesse uit de industrie zal het dus wel loslopen. Misschien kunnen ze nu dan eindelijk een cd-hoesje ontwerpen dat niet stuk gaat.