Composiet-metaalverbindingen met Coldspray

Vezelversterkte kunststoffen (composieten) zijn lichtgewicht, sterk en hebben een uitstekende (buiten)duurzaamheid. Composieten worden in vele uiteenlopende constructies toegepast, variërend van loopplanken voor bruggen of steigers, constructies voor machines tot wieken voor windmolens. Daarbij is de verbinding tussen het composiet en de rest van de constructie tot op heden altijd de zwakste schakel. Bij hoge mechanische belastingen vragen verbindingen al gauw ook kostbare oplossingen. Beide factoren begrenzen de toepassingsmogelijkheden.
Een mogelijk veelbelovende technologie dient zich aan vanuit een geheel ander toepassingsgebied. Coldspray (CS) is een technologie die het mogelijk maakt om metaallagen aan te brengen. CS wordt onder meer toegepast bij reparatie van (beschadigde of versleten) metalen onderdelen (remanufacturing). Het biedt echter ook mogelijkheden om sterk hechtende metaallagen aan te brengen op andere materialen. Het toepassen van Coldspray als alternatieve technologie bij Additive Manufacturing (CSAM) is in opkomst bij 3D metaalprinten.
Of CSAM een oplossing gaat bieden voor het realiseren van sterke verbindingen tussen composieten en andere in de regel metalen constructiedelen vormt de kernvraag voor dit verkennend onderzoek. De focus zal daarbij liggen op de hechting tussen het composiet en de daar met CSAM op aangebrachte metaallagen.
Voor dit onderzoek bundelen Prince Fibre Tech (leverancier van composiet profielen), Titomic (leverancier van CS-technologie), innovatiewerkplaats Perron 038 (AM-lab met CS-3Dprinter) en lectoraat Kunststoftechnologie van Windesheim hun expertises, faciliteiten en materialen.

Eindrapportage

Vezelversterkte kunststoffen (composieten) zijn lichtgewicht, sterk en hebben een uitstekende
(buiten)duurzaamheid. Composieten worden in vele uiteenlopende constructies toegepast,
variërend van loopplanken voor bruggen of steigers, constructies voor machines tot wieken voor
windmolens. Daarbij is de verbinding tussen het composiet en de rest van de constructie tot op
heden altijd de zwakste schakel. Bij hoge mechanische belastingen vragen verbindingen al gauw
ook kostbare oplossingen. Beide factoren begrenzen de toepassingsmogelijkheden.
In dit project is onderzocht of met de Coldspray technologie een goed hechtende metaallaag op
composiet aangebracht kan worden om uiteindelijk sterke verbindingen tussen het composiet- en
metalen constructiedelen te kunnen realiseren. Uit literatuur is gebleken dat alleen met tin een
metaallaag op composiet aangebracht kan worden. Bij andere metaalpoeders, zoals aluminium of
koper, treedt erosie van het substraatoppervlak op. Om deze erosie tegen te gaan is het
toepassen van een tussenlaag noodzakelijk. In dit onderzoek is een metaalfolie tussenlaag
verlijmd op een composiet substraat. Vervolgens is onderzocht met welke coldsprayparameters
een metaallaag aangebracht kan worden. Hiervoor is een testroutine geschreven om veel
coldsprayparameters tegelijk te onderzoeken. Het bleek mogelijk om een gecoldsprayde
aluminiumlaag aan te brengen op een composietsubstraat met een aluminiumfolie tussenlaag. Uit
hechtsterkte metingen kwam naar voren dat de hechtsterkte van de gecoldsprayde metaallaag op
de metaalfolie tussenlaag hoger is dan de hechtingsterkte tussen de metaalfolie tussenlaag en
het composietsubstraat.
Om dit principe op pultrusieprofielen toe te passen is onderzocht of het mogelijk is om tijdens het
pultrusieproces een aluminiumfolie aan de buitenzijde van het profiel aan te brengen. De eerste
resultaten zijn positief, maar verdere optimalisatie is nodig.
Op basis van deze eerste testresultaten is een demonstrator gemaakt waarbij een
verbindingselement is gecoldsprayd op een composiet substraat met een aluminiumfolie
tussenlaag. Op dit gecoldsprayde verbindingselement is vervolgens een pultrusieprofiel
bevestigd.