Je leest:

Glare: bestand tegen vermoeiing

Glare: bestand tegen vermoeiing

Auteur: | 1 oktober 2001

Vliegtuigenonderdelen ondervinden een wisselende belasting, waardoor vermoeiingsscheuren in het materiaal kunnen ontstaan. Scheuren die in aluminium door vermoeiing kunnen ontstaan, worden in het materiaal Glare overbrugd door de vezellagen. Glare is opgebouwd uit dunne laagjes aluminium die op elkaar gelijmd zijn met metaallijm met daarin ingebed glasvezels.

De meest opvallende delen van een vliegtuig zijn de vleugel en de romp. Op het moment dat een vliegtuig los komt van de grond, gaat de vleugel het gewicht van het vliegtuig dragen. De hiervoor benodigde opwaartse luchtkrachten buigen de vleugel opwaarts. Aan het eind van de vlucht, bij het neerkomen op de grond, buigt de vleugel weer terug. De romp van het vliegtuig wordt tijdens de stijgvlucht als een grote ballon onder druk gezet om de passagiers van lucht te voorzien. Tijdens de daalvlucht neemt het drukverschil tussen binnen en buiten de romp weer af. De vleugel en de romp worden dus tijdens een vlucht belast en weer ontlast. We noemen dit een wisselende belasting.

Figuur 1. Romp van een Boeing 737 met door vermoeiing weggeslagen deel. Bron: A. Vlot

Wanneer zo’n wisselende belasting vaak optreedt, kan er in het materiaal vermoeiing op gaan treden. Er vormen zich dan kleine vermoeiingsscheurtjes die tijdens elke belastingswisseling weer een stukje verder groeien. Tijdens inspecties moeten dit soort scheurtjes gevonden worden voordat een kritieke situatie onstaat. Als een scheur te lang wordt, kan de romp exploderen als een ballon. Dit is bijvoorbeeld gebeurd in 1988, toen een groot deel van de romp van een Boeing 737 werd geblazen (fig. 1).

Gewicht

Het frequent inspecteren en het kiezen van een lage belasting moet dit soort ongelukken ten gevolge van vermoeiing voorkomen. Dit kost geld. Want een vliegtuig is een kostbaar apparaat en mag niet te vaak voor inspectie en reparatie aan de grond staan. En om een lage belasting te bereiken moet een vliegtuigconstructie dik worden uitgevoerd. Dat extra materiaal kost gewicht en dus meer brandstof om het vliegtuig in de lucht te houden. Dat wordt problematischer naarmate het vliegtuig groter is. Want een twee maal zo groot vliegtuig heeft een gewicht dat met het volume toeneemt en dus acht keer zwaarder is, terwijl de grootte van de vleugel die het vliegtuig moet dragen, toeneemt met het oppervlak en dus ‘maar’ vier keer zo groot wordt. Voor het grootste passagiersvliegtuig ter wereld dat Airbus aan het bouwen is, de A380 (fig. 2), die 550 tot 800 passagiers moet vervoeren, moeten daarom de meest geavanceerde materialen worden gekozen om het gewicht binnen de perken te houden.

Figuur 2. De nieuwe A380 superjumbo van Airbus. Bron: A. Vlot

Glasvezels

Een van deze materialen is Glare. Dit is een vezel-metaallaminaat: het is opgebouwd uit dunne laagjes aluminium die op elkaar gelijmd zijn met metaallijm met daarin ingebed glasvezels (fig. 3). Glare is ontwikkeld aan de Technische Universiteit Delft bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek vanaf 1993. Het materiaal is gekozen voor een groot stuk van de romp van de A380 omdat het een erg vermoeiingsresistent materiaal is. Scheuren die in de aluminiumlagen van Glare door vermoeiing kunnen ontstaan, worden namelijk overbrugd door de vezellagen (fig. 4). Hierdoor groeien vermoeiingscheuren erg langzaam. Dit is veilig – van groot belang voor dit grote vliegtuig! – en het spaart inspectiekosten uit. De toepassing van Glare leidt tot een gewichtsreductie van 20% ten opzichte van hetzelfde constructiedeel in aluminium.

Figuur 3. Gelaagde opbouw van Glare. Bron: A. Vlot

Verder is gebleken dat Glare ook een hoge brandweerstand heeft. Dat is belangrijk omdat een groot deel van de slachtoffers in de luchtvaart te wijten is aan brand. Bij een brand ontstaat een temperatuur van 1200 oC en zal de buitenste aluminiumlaag van Glare smelten. Maar de glasvezellaag daaronder blijft intact. De verschillende lagen van het laminaat zullen door de hoge temperatuur loslaten, waardoor de isolatie toeneemt en aan de binnenzijde van de romp de temperaturen aanzienlijk lager blijven dan de 1200 oC aan de buitenzijde.

Naast vermoeiing zijn er twee andere schadevormen voor een vliegtuig: corrosie en inslagschade. Voor Glare blijft de aantasting door corrosie beperkt tot de buitenste aluminiumlaag. De corrosie stopt namelijk op de eerste vezellaag met metaallijm omdat die niet gevoelig is voor aantasting. Het grootste gedeelte van de dikte van Glare blijft dus intact en de sterkte blijft daarom hoog. Inslagschade ontstaat door hagelstenen, botsende karretjes op het vliegveld, opspattende stenen van de startbaan, etc. De glasvezellagen in Glare zijn erg sterk bij dit soort snelle belastingen en daardoor is de schade in Glare geringer dan in aluminium. Dit drukt de reparatiekosten en verhoogt de veiligheid.

Figuur 4. Vermoeiingsscheur overbrugd door vezels. Bron: A. Vlot

Verbindingen

Glare is per kilogram ongeveer tien keer duurder dan aluminium. Maar omdat Glare wordt opgebouwd uit dunne laagjes in een mal kunnen veel grotere panelen worden gemaakt (fig. 5). De aluminium platen hebben een maximum breedte maar die worden naast elkaar gelegd en overbrugd door vezels zodat een grote plaat ontstaat. Na het opleggen van de afzonderlijke laagjes aluminium en metaallijm met glasvezels wordt het product uitgehard onder hoge temperatuur en druk in een drukvat, de zogenaamde autoclaaf.

Figuur 5. De productie van een grote Glare-plaat uit losse delen in een mal. Bron: A. Vlot

Omdat de Glare-platen zo groot zijn, neemt het aantal benodigde verbindingen sterk af. Dat is voor zo’n groot vliegtuig als de A380 mooi meegenomen. De prijs van een Glare-product is daardoor ongeveer even hoog als van een aluminium deel. En op dit moment is dat erg actueel omdat vliegtuigfabrieken erg gespitst zijn op het reduceren van productiekosten. Ze willen wel graag nieuwe materialen maar ze moeten net zo duur zijn als de oude. Voor Glare is dat gelukt. Fokker Aerostructures in Papendrecht zal de delen voor de nieuwe Airbus gaan leveren.

Zie ook:

Literatuur:

  • Ad Vlot, Glare – History of the Development of a New Aircraft Material, Kluwer, Dordrecht (2001).
  • T.G. Gutowski, Advanced Composites Manufacturing, Ed. Wiley, New York 1997.
Dijken
KNAW

Dit artikel is afkomstig uit het boek Chemie achter de dijken, een gezamenlijke uitgave van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW) en de Koninklijke Nederlandse Chemische Vereniging (KNCV). Het werd in 2001 uitgegeven ter herdenking van het feit dat de Nederlander Jacobus Henricus Van ‘t Hoff honderd jaar eerder in 1901 de allereerste Nobelprijs voor de scheikunde won. Chemie achter de dijken belicht Nederlandse uitvindingen en ontdekkingen op chemisch gebied sinds 1901. In zo’n zeventig bijdragen (voor het overgrote deel opgenomen in Kennislink) wordt de betekenis van de Nederlandse chemie duidelijk voor ontwikkelingen op het gebied van de gezondheidszorg (bijvoorbeeld de kunstnier), de voedingsmiddelenindustrie (onder andere zoetstoffen), de kledingindustrie (bijvoorbeeld ademende regenkleding) of de elektronica (zoals herschrijfbare CD’s).

Dit artikel is een publicatie van KNAW/KNCV.
© KNAW/KNCV, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 oktober 2001

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.