Prof.ir. L.B. Vogelesang (1938), projectleider ontwikkeling Glare | Technisch Weekblad
Nieuws

Prof.ir. L.B. Vogelesang (1938), projectleider ontwikkeling Glare

Boud Vogelesang krijgt in 1979 de eerste ideeën over vezelversterkte metaallaminaten. Gesprekken met KLMmedewerkers maken hem duidelijk dat de behoefte bestaat om de onderhoudskosten van vliegtuigen te verminderen. Die zijn goed voor een vijfde van de directe operationele kosten. Na onderzoek blijken die onderhoudskosten met name te bestaan uit het repareren van vermoeiingsscheuren en beschadigingen (door hagel, bliksem en vliegveldkarretjes), en het verhelpen van corrosie.

Er is dan al zeer veel onderzoek gedaan om die kosten te verlagen. ‘Het leek een uitgekauwd gebied’, aldus Vogelesang. Een doorbraak zou alleen kunnen komen van een nieuw materiaal dat op alledrie de kostenposten – vermoeiing, beschadiging, corrosie beter scoort.

 

Bemoeienis

Vogelesang: ‘Mijn idee was: gezien die eisen ligt een combinatie van aluminium met een vezelversterkte composiet het meest voor de hand.’ Aluminium, dankzij zijn lage soortelijk gewicht het constructiemateriaal voor vliegtuigen, vertoont problemen met vermoeiing en corrosie, maar heeft goede impacteigenschappen (weerstand tegen beschadigingen). Vezelversterkte composieten hebben minder goede impacteigenschappen, en vocht is ook een probleem, maar ze scoren goed op vermoeiing. ‘Ze vullen elkaar aan. Dat inzicht was de doorbraak’, zegt Vogelesang.

Hiermee is het concept van de vezelmetaallaminaten (vml), een nieuwe familie hoogwaardige constructiematerialen, geboren. Vezelmetaallaminaten vormen een sandwich van metalen platen en met een hoogwaardige lijm geïmpregneerde dunne vezellagen, om en om op elkaar gelijmd.

Vogelesang: ‘Ik heb er van begin af aan ondanks alle twijfels in geloofd dat dit zou slagen. Iedereen deed aluminiumresearch en iedereen deed onderzoek aan kunstvezelcomposieten, maar niemand deed de combinatie. Iedereen verklaarde ons dan ook voor gek, maar daar was ik wel blij mee. Des te minder bemoeienis en in de eerste jaren geen concurrentie.’

Arall, de eerste generatie vml’s, is gebaseerd op aluminiumplaten van Alcoa, in dikte variërend van 0,2 tot 0,4 mm, en aramidevezels van Akzo. Midden jaren tachtig worden de veelbelovende eigenschappen gedemonstreerd in een vleugel op ware grootte van de Fokker 50. Dit levert een gewichtswinst op van twintig procent.

Kort daarna vliegt het prototype van het nieuwe Amerikaanse militaire vrachtvliegtuig C17 met een Arall-deur.

Arall is prima geschikt om de trekbelastingen in vleugels te doorstaan (de vezels liggen in een vleugel allemaal in één richting). Maar de aramidevezels in het materiaal blijken minder goed in staat om de drukbelastingen in rompconstructies op te vangen. Een romp is een druktank en om een drukbestendige constructie te bouwen moeten de vezels in twee richtingen min of meer haaks op elkaar liggen. Bovendien maken twee lagen vezels op elkaar het materiaal te dik voor toepassing in vliegtuigen.

Daarom ontwikkelen de onderzoekers Glare, de tweede generatie vml’s, dat zowel tegen druk als trek bestand is. Glare is gebaseerd op aluminiumplaten en een bepaald type glasvezels (sglas), bijna tweemaal sterker dan aramide, en bij dezelfde sterkte dus twee maal dunner. Daardoor is het mogelijk bij een aanvaardbare laagdikte toch vezels in twee richtingen te leggen.

 

Splicing

Tijdens de ontwikkeling van Glare blijken ook nog eens de superieure brandwerende eigenschappen. Bij een crash leven in veel gevallen de meeste passagiers nog nadat het vliegtuig de grond heeft geraakt. Zij komen echter om in de vlammen die vervolgens ontstaan. Glare, rond 1990 beschikbaar, wordt een succes, maar dat gaat niet zomaar.

De onderzoekers moeten vele barrières overwinnen. De sterkte van plaatdelen na beschadiging blijkt in eerste instantie onvoldoende. Die wordt verbeterd door andere laagdiktes te kiezen, gebruik te maken van andere lijmsoorten en door de vezelcoating te verbeteren. De gevoeligheid voor vocht is in eerste instantie te groot. Die wordt verbeterd door de keuze van een ander lijmsysteem. Daarnaast moeten de luchtwaardigheidsinstanties worden overtuigd dat dit materiaal dertig jaar lang veilig mee gaat. In samenwerking tussen de TU Delft, het National Luchten Ruimtevaart Laboratorium (NLR) en de industrie (Fokker, Airbus, Akzo, Alcoa) worden de problemen opgelost.

De productie van grote Glare-constructiedelen is aanvankelijk te duur. De grootste aluminiumplaten in de handel zijn twee meter breed. Dus moeten er om de twee meter verbindingen worden gemaakt, door te lijmen of te klinknagelen. Dat is duur en qua gewicht onvoordelig.

Dit is opgelost met het ‘splicing’-concept. Daarbij worden in een hele grote mal (12 x 4 m), die de vorm van de romp heeft, alu-platen gelegd. Daarbovenop komt de vezellaag, die alle aludelen verbindt. De volgende laag aluplaten verspringt ten opzichte van de eerste laag, met de naden op andere posities. Zo ook de daaropvolgende alu-lagen. Daardoor ontstaan grote, sterke constructiedelen, zonder extra versterkingen zoals klinknagels, die voor een aanvaardbare prijs kunnen worden geproduceerd. Vogelesang: ‘Dit splicing-concept was de doorbraak, waarna Airbus in 2000 volmondig ja tegen ons zei.’

 

Explosie

Airbus past Glare toe in de in ontwikkeling zijnde A380, het nieuwe grote vliegtuig. Daar wordt per kist 500 vierkante meter Glare (zes lagen aluminium gecombineerd met vijf vezellagen) in verwerkt. Stork heeft inmiddels in een nieuwe fabriek in Papendrecht de productie opgestart.

De vezelmetaallaminaten zijn nog steeds in ontwikkeling, met andere vezels en andere soorten aluminium. Voor hoge temperatuurtoepassingen wordt nu ook een variant ontwikkeld van titanium en koolstofvezels.

Nu de ontwikkeling van Glare voor de A380 achter de rug is, ontstaat tijd voor de volgende generatie vml’s en toepassingen buiten de luchtvaart. Zo’n nieuw product is bijvoorbeeld een explosiebestendige Glare-container. Deze container, voor onder andere luchtvracht, is in staat een zware semtex-explosie en de daaropvolgende hitteontwikkeling te weerstaan.