Verslag Materiaalkunde 4 Opdracht 1

Verslag 

Materiaalkunde 4 

Opdracht 1 

Door: Arjan Koen en Bert Schultz 

Studenten Werktuigbouw deeltijd 

Cohort 2004

Gemaakt door: Arjan Koen en Bert Schultz 

Studie: HBO-werktuigbouw deeltijd Cohort 2004 

Locatie: InHolland in Alkmaar 

Opdrachtgever: Otto Veninga 

Vakrichting: Materiaalkunde 4

Inhoudsopgave 

1 Inleiding..........................................................................................................blz. 4 

2 Opdracht 1A...................................................................................................blz. 5 

3 Opdracht 4......................................................................................................blz. 17 

4 Opdracht 6......................................................................................................blz. 24 

5 Opdracht 17....................................................................................................blz. 38 

6 Bronnenlijst.....................................................................................................blz. 48 

Verslag Materiaalkunde 4 Opdracht 1 pagina 3/48

1 Inleiding 

Tijdens de opleiding tot Werktuigbouwkundig Ingenieur wordt van studenten verwacht dat zij 

2 verslagen maken voor het vak Materiaalkunde. 

Het leerdoel van deze opdrachten, is om op een verantwoorde wijze een keuze te kunnen 

maken van een materiaal van een product. Het te gebruiken materiaal moet gekozen worden 

volgens de “systematische materiaalkeuze”. Tevens zal men een fabricagemethode moeten 

kiezen van de gekozen materiaalsoort. 

Voor de verslagen kan met behulp van het softwarepakket Granta CES 2006 Edupack een 

juiste materiaalkeuze en fabricagemethode gekozen worden. 

In elke opdracht moeten een paar onderwerpen aan de orde komen, te weten: 

materiaalkeuze 

proces keuze 

milieuaspecten 

ontwerp geometrie 


Opdracht 1A 

2.1 Inhoud opdracht 

Kies een materiaal voor een buis voor medische doeleinden, waar een hete vloeistof doorheen 

stroomt. De hoeveelheid warmteverlies moet hierbij zo klein mogelijk zijn. Het moet dus een 

materiaal zijn met een heel lage thermische geleidbaarheid. 

Tegelijkertijd moet het een materiaal zijn wat tegen hoge drukken bestand is (15,000 psi = 

1034,214 Bar). Omdat er vele onbeantwoorde vragen in de opdracht staan, zoals de grootte en 

stugheid van de buis, levensduur en eventuele kosten, zullen er een aantal aannames gedaan 

moeten worden. 

2.2 Opstellen van onderdeelspecificaties 

De normaalspanning die op de wand drukt, is te berekenen met behulp van de ketelformule. De 

p r 

ketelformule in de radiale richting is: 1 

. 

t 

p r 

In axiale richting is het: 2 . 

2 

t 

Hierin is: p = de inwendige manometerdruk 

r = de inwendige straal van de buis (10 mm) 

t = de wanddikte van de buis (5 mm) 

103,4210 De optredende spanning op de wand is 1 

206,84 N/mm². 

5 

Functie buis voor het transport van een vloeistof 

Randvoorwaarden - bestand tegen hoge spanning 

- bestand tegen hoge temperaturen 

- goede corrosiebestendigheid bij hoge temperaturen 

- een heel lage thermische geleidbaarheid 

Doelstellingen minimale λ bij maximale druk 

Vrije variabelen - dikte van de buis (5 mm; dunwandig) 

- vorm van de buis (rond) 

- stijfheid van de buis 

- materiaalkeuze 

- gebruikstemperatuur (100 °C) 

Tabel: onderdeelspecificaties 


2.3 Opstellen van materiaalspecificaties 

2.3.1 Discriminerende eigenschappen 

De discriminerende eigenschappen voor de buis zijn: 

warmtegeleidingcoëfficiënt 

corrosieweerstand 

2.3.2 Dimensionerende eigenschappen 

De dimensionerende eigenschappen voor de buis zijn: 

sterkte 

maximale gebruikstemperatuur 

minimale thermische geleiding 

minimale uitzetting 

2.4 Vaststellen van selectie criteria 

De belangrijkste selectiecriteria zijn: 

bestand tegen zeer hoge spanning 

warmtegeleidingcoëfficiënt 

kosten 

2.5 Zoeken van materialen 

Omdat we nu bekend zijn met de discriminerende eigenschappen, de dimensionerende 

eigenschappen en de selectiecriteria kunnen we een ruwe scheiding aanbrengen in de gevonden 

materialen. 

Om een eerste selectie te maken, zullen we een vergelijking maken met de mate van isolerende 

eigenschappen (thermal conductor or insulator) en de weerstand tegen hoge drukken (elastic 

limit). 

Deze twee eigenschappen zetten we in CES uit in een zogenaamde bar chart. 


Figuur: bar chart 

Op de x-as van de bar chart staat de mate van thermische geleidbaarheid en op de y-as staat de 

elasticiteitsgrens (Yield strength). De inwendige druk van de vloeistof veroorzaakt een 

spanning op de wand van 206,84 N/mm². Dit gebied is in de grafiek uitgezet met behulp van de 

functie “box selection”. Wat goed te zien is in de bar chart, is dat geen enkel materiaal geschikt 

is tegen de hoge spanning, en dan ook nog een slechte geleider is van warmte. We zullen dus 

een combinatie moeten maken van 2 materialen (dubbelwandige buis). 

2.5.1 Zoeken van materiaal bestand tegen hoge druk 

Omdat de toepassing voor medische doeleinden geschikt moet zijn, hebben we gekozen voor 

materialen die redelijk corrosiebestendig zijn. De materialen zijn: 

CFRP (polyesther) 

Stainless steel (roestvast staal) 

Titanium alloys 

Deze materialen zullen we gaan beoordelen op de gestelde eisen. 


2.5.2 Zoeken van materiaal met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Vervolgens gaan we op zoek naar een materiaal wat als isolatiemateriaal kan gaan fungeren om 

de buis heen. Wat voor dit materiaal van belang is, is dat het materiaal een heel lage 

warmtegeleidingcoëfficiënt heeft. Tevens mag het materiaal niet een hoge uitzetting hebben bij 

temperatuurverhoging. We zetten daarom deze parameters uit in een bubble chart, om zo een 

selectie te kunnen maken. 

Figuur: bubble chart 

Voor deze toepassing moeten we materiaalsoorten kiezen, die in de bubble chart links staan 

(lage warmtegeleidingcoëfficiënt), en die voor de uitzetting bij temperatuursverhoging onderin 

(lage uitzetting) staan. 

De gekozen materialen waar we een keuze uit gaan maken, zijn: 

Flexibel Polymer Foam (VLD) 

Flexibel Polymer Foam (LD) 

Flexibel Polymer Foam (MD) 

Cork 

Deze materialen zullen we gaan beoordelen op de gestelde eisen. 


2.6 Beoordeling van gevonden oplossingen 

2.6.1 Materiaal bestand tegen hoge druk 

We zullen nu aan de hand van een tabel inzichtelijk maken wat de verschillen zijn tussen de 

gevonden oplossingen. 

Materiaal 

Thermische 

geleiding 

(W/m.K) 

Maximaal 

toelaatbare 

temperatuur 

(°C) 

Maximaal 

toelaatbare 

spanning 

(MPa) 

Rek (%) Prijs (€/Kg) 

CFRP 1,28 – 2,6 139,9 – 219,9 550 - 1050 0,32 – 0,35 16,08 – 18,95 

Stainless 

steel 

Titanium 

alloys 

12 - 24 750 - 820 170 - 1000 5 - 70 2,06 – 2,43 

7 - 14 300 - 500 250 - 1245 1 - 40 31,58 – 34,73 

Tabel: materiaaleigenschappen 

2.6.2 Materiaal met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Dit doen we ook met de gevonden oplossingen voor het materiaal met een lage 

warmtegeleidingcoëfficiënt. 

Materiaal 

Flexible 

Polymer 

Foam (VLD) 

Flexible 

Polymer 

Foam (LD) 

Flexible 

Polymer 

Foam (MD) 

Thermische 

geleiding 

(W/m.K) 

Maximaal 

toelaatbare 

temperatuur 

(°C) 

Thermische 

uitzettings 

coëfficiënt 

(μstrain/°C) 

Prijs (€/Kg) 

0,036 – 0,048 86,85 - 111,9 120 - 220 2,40 - 2,57 

0,04 – 0,059 82,85 - 111,9 115 - 220 2,40 - 2,57 

0,041 – 0,078 82,85 - 111,9 115 - 220 2,57 - 2,75 

Cork 0,035 – 0,048 116,9 – 136,9 130 - 230 6,62 – 8,27 



2.7 Zoeken van fabricagemethoden 

2.7.1 Fabricagemethoden van materiaal bestand tegen hoge druk 

Vervolgens gaan we op zoek naar fabricagemethoden voor de geselecteerde materialen. 

CFRP: 

Figuur: Resin transfer molding (RTM) Figuur: Filament winding 

Eigenschappen Resin transfer molding (RTM): 

dikte: 2 - 6 mm 

oppervlakte: glad 

economische batch grootte: 1.000 – 1.000.000 

alle vormen mogelijk ja 

gereedschapskosten: hoog 

machinekosten: gemiddeld 

arbeidsintensiviteit: hoog 

Eigenschappen Filament winding: 

dikte: 2 - 25 mm 


economische batch grootte: 1 – 10.000 


gereedschapskosten: laag 

machinekosten: hoog 

arbeidsintensiviteit: gemiddeld 


Stainless Steel: 

Figuur: sheet stamping, drawing and blanking Figuur: sheet forming 

Eigenschappen Sheet stamping, drawing and blanking: 

dikte: 0,2 - 5 mm 




gereedschapskosten: medium 

machinekosten: medium 

arbeidsintensiviteit: laag 

Eigenschappen Sheet forming: 

dikte: 0,2 - 5 mm 


economische batch grootte: 25.000 – 250.000 




arbeidsintensiviteit: gemiddeld 


2.7.2 Fabricagemethoden van materiaal met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Flexible polymer foam: 

Figuur: Injection molding Figuur: Rotational molding 

Eigenschappen Injection molding: 

dikte: 0,4 – 6,3 mm 




gereedschapskosten: erg hoog 


arbeidsintensiviteit: laag 

Eigenschappen Rotational molding: 

dikte: 2,5 - 6 mm 


economische batch grootte: 50 – 50.000 


gereedschapskosten: laag 

machinekosten: laag 

arbeidsintensiviteit: hoog 

Cork: 

Volgens CES is het niet mogelijk om kurk in een ronde vorm te krijgen. Op basis van dit 

gegeven valt kurk af als isolatiemateriaal. 


2.8 Voorlopige keuze 

De volgende materialen blijven over als materiaal bestand tegen hoge druk: 

CFRP 

Stainless steel 

Titanium alloys 

Voor het materiaal wat moet gaan dienen als isolatiemateriaal blijven nog over: 

Flexible Polymer Foam (VLD) 

Flexible Polymer Foam (LD) 

Flexible Polymer Foam (MD) 

2.9 Beoordelen voorlopige keuze 

Om een voorlopige keuze te kunnen maken zetten we de gevonden eigenschappen in een 

waardetabel. Vervolgens kijken we naar dimensionerende eigenschappen, discriminerende 

eigenschappen en selectiecriteria om punten toe te kennen aan de gekozen eigenschappen. 

Dit doen we afzonderlijk voor de materialen en voor de fabricagemethode. 

2.8.1 Materiaal 

Materiaal bestand tegen hoge druk 

De gegevens van bladzijde 9 hebben we als volgt gewaardeerd: 

Materiaal 

Thermische 

geleiding 

Maximaal 

toelaatbare 

temperatuur 

Maximaal 

toelaatbare 

spanning 

Rek Prijs Totaal 

CFRP 3 1 3 3 2 12 

Stainless 

steel 

Titanium 

alloys 

1 3 1 1 3 9 

2 2 2 2 1 9 

Tabel: waardetabel 


Materiaal met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Deze gevonden gegevens van bladzijde 9 hebben we de volgende waardering gegeven: 

Materiaal 

Thermische 

geleiding 

(W/m.K) 

Maximaal 

toelaatbare 

temperatuur 

(°C) 

Thermische 

uitzettings 

coëfficiënt 

(μstrain/°C) 

Prijs 

(€/Kg) 

Totaal 

FPF (VLD) 3 2 2 3 10 

FPF (LD) 2 1 3 3 9 

FPF (MD) 1 1 3 2 7 

2.8.2 Fabricagemethode 

Materiaal bestand tegen hoge druk 


Voor het kiezen van de goede fabricagemethode van CFRP hebben we de keuze uit de 

volgende fabricagemethoden: 

Resin transfer molding (RTM) 

Filament winding 

Deze methoden zijn overgebleven als methode waar buizen mee gemaakt kunnen worden. 

Type 

fabricagemethode 

Resin transfer 

molding (RTM) 

Relative tooling 

costs 

Relative equipment 

costs 

Labour 

intensity 

hoog gemiddeld hoog 

Filament winding laag hoog gemiddeld 

Type 


Resin transfer 

molding (RTM) 


costs 

Figuur: kosten en arbeidsintensiviteit 


costs 

Labour 

intensity Totaal: 

1 2 1 4 

Filament winding 3 1 2 6 



Materiaal met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Voor het kiezen van de goede fabricagemethode van Flexible Polymer Foam (VLD) hebben 

eerst gekeken of er een buisvormig product gemaakt kan worden. Ook hier bleven 2 methoden 

over: 

Injection molding 

Rotational molding 

Type 



costs 


costs 

Labour 

intensity 

Injection molding erg hoog hoog laag 

Rotational molding laag laag hoog 

Type 



costs 


costs 

Labour 

intensity 

Totaal: 

Injection molding 1 2 3 6 

Rotational molding 3 3 2 7 


2.10 Definitieve oplossing (materiaal en fabricage) 

Materiaalkeuze bestand tegen hoge druk 

CFRP: 

Carbon Fiber Reinforced Compsites (CFRP) heeft een uitstekende stijfheid en sterkte. Het kan 

tevens gebruikt worden bij hoge temperaturen. Het is betrekkelijk goedkoop te fabriceren. 

Stainless steel: 

Is een legering op basis van staal met meestal nikkel, chroom, molybdeen en soms nog andere 

elementen. Het is van de uiteindelijk overgebleven materiaalsoorten het meest goedkoop. 

Gezien de hierboven genoemde mechanische materiaaleigenschappen kiezen we voor CFRP. 

Fabricage 

Voor de fabricage van CFRP hebben we de keuze uit: 

Resin transfer molding (RTM) 

Filament winding 


Als we naar de waardetabel op bladzijde 14 kijken, is de keuze gevallen op Resin transfer 

molding (RTM) 

Materiaalkeuze met lage warmtegeleidingcoëfficiënt 

Flexible Polymer Foam: 

De meeste foam-soorten zijn gemaakt van polyurethaan, maar soms ook van latex 

(natuurrubber). Het is een zacht materiaal wat uitstekende isolerende eigenschappen bezit. Het 

heeft een lage dichtheid, stijfheid en sterkte, waardoor het zich makkelijk laat bewerken. Er 

zijn meerdere soorten verkrijgbaar die benoemd zijn naar de mate van dichtheid. 

Volgens de waardetabel op de vorige bladzijde, hebben we gekozen voor Flexible Polymer 

Foam (Very Low Density). 

Fabricage 

Voor de fabricage van Flexible Polymer Foam (VLD) hebben we de keuze uit: 

Injection molding 

Rotational molding 

Volgens de waardetabel op de vorige bladzijde, hebben we gekozen voor Volgens de 

waardetabel op de vorige bladzijde, hebben we gekozen voor Rotational molding. 


3 Opdracht 4 


De pannen die gebruikt worden tijdens het bereiden van voedsel bestaan vaak uit verschillende 

materialen. Voor braadpannen wordt vaak als materiaal gekozen voor geëmailleerd gietijzer, 

terwijl voor koekenpannen op het bakgedeelte soms een teflon laag is aangebracht om 

aanbranden te voorkomen. 

De koekenpannen en “normale” stalen kookpannen hebben soms een handvat van hetzelfde 

materiaal, echter vaak wordt er een kunststof handvat toegepast. In de onderstaande opdracht 

zullen we gaan bekijken welke kunststoffen er in aanmerking komen voor de handvatten. 

Figuur: voorbeeld koekenpan Figuur: voorbeeld braadpan 


Een kunststof handvat zoals dit vaak toegepast wordt moet aan een aantal randvoorwaarden 

voldoen. Veel mensen zetten vaak een te kleine pan op een grote kookpit (in geval van koken 

op gas) of het gas wordt te hoog gezet. Het gevolg is dan dat er heel veel warmte langs de 

wanden van de pan stroomt tegen de handvatten aan. Deze handvatten zullen dan ongewenst 

warm worden. De handvatten zullen dus goed tegen hoge temperaturen moeten kunnen. 

Als er wel op een effectieve manier gekookt wordt dan zal door warmtegeleiding het handvat 

evengoed ongewenst warm worden, het handvat zal dus een goede isolerende eigenschap 

moeten hebben. 

Door dat de handvatten dag in dag uit opgewarmd en weer afgekoeld worden, moeten ze ook 

goed bestand zijn tegen temperatuurwisselingen. 

Bovenstaande punten zijn samengevat in de onderstaande tabel: 

Functie Handvat voor een kookpan 

Randvoorwaarden - goed isolerend 

- bestand tegen hoge temperaturen 

Doelstellingen minimale λ 

Vrije variabelen - kleur 






De discriminerende eigenschappen voor de handvatten zijn: 

warmte isolerend. 

bestand tegen hoge temperaturen (200ºC) 


De dimensionerende eigenschappen voor de handvatten zijn: 

prijs 

minimale thermische geleiding 



kosten 

een mooi uiterlijk 

een lange levensduur 




materialen. 

Om de materialen te selecteren zullen we een vergelijking gaan maken met de mate van 

isolerende eigenschappen (thermal conductor or insulator) en de weerstand tegen hoge 

temperaturen (maximum service temperature). 

Deze twee eigenschappen zetten we in CES uit in een zogenaamde bar chart. 


Figuur: bar chart vanuit CES 

We zien aan de uiterst rechterkant van de bar chart op de x-as de best isolerende materialen, en 

op de y-as de temperatuur in graden Celcius. Omdat we gesteld hebben dat het materiaal 200 

ºC aan moet kunnen, vallen de materialen tot circa 180 ºC af. 

De materialen die overblijven zijn: 

Phenolics 

Polyethertherketone (PEEK) 

Silicone elastomers 

PTFE 

Deze materialen zullen we vervolgens beoordelen op de gestelde eisen. 





Materiaal 

Thermische 

geleiding (W/m.K) 

Smelt punt 

Maximale 

toelaatbare 

temperatuur (ºC) 


Phenolics 0.141 – 0.152 200 - 230 1,367 – 1,549 

PEEK 0.24 – 0.26 321.9 – 345.9 238.9 – 259.9 82,01 – 90,22 

Silicone 

elastomers 

0.3 – 1 226,9 – 286,9 14,24 – 15,69 

PTFE 0.242 – 0.261 314.9 – 338.9 249.9 – 270.9 12,21 – 13,94 


Met het materiaal (M), de vorm (V) en de fabricagemethode (F) zullen we nu op zoek gaan 

naar een bijpassende fabricagemethode en materiaal. Omdat we gesteld hebben dat het 

materiaal heel goed moet isoleren kiezen we voor MFV. 

Gebruik makend van de eerder gestelde discriminerende eigenschappen zullen we een eerste 

selectie maken op het gebied van thermische geleiding. 

Als we de thermische geleiding op de x-as uitzetten en de maximaal toelaatbare temperatuur op 

de y-as dan zien we dat de silicone elastomers het meest rechts staan en dus afvallen op basis 

van deze selectie. Dit zien we ook in bovenstaande tabel terug: de thermische geleiding is bij 

dit materiaal het hoogst. 

In onderstaand bubble chart wordt dit verduidelijkt. 


3.7 Zoeken van fabricagemethoden 


De drie overgebleven materialen zullen we nu gaan bekijken voor wat betreft de 

fabricagemethode (F). Alle drie de overgebleven materialen kunnen met behulp van persen in 

de gewenste vorm gebracht worden. 

We spreken dan over: 

Injection molding (PTFE) 

Compression molding (PEEK) 

Reaction injection molding (Phenolics) 


Figuur: rection injection molding Figuur: injection molding Figuur: compression molding 


Als we de fabricage methoden verder uitsplitsen naar economische eigenschappen en fysische 

eigenschappen dan ziet dit er in een tabel als volgt uit: 

Materiaal 

Oppervlakte 

ruwheid 

Relative 

tooling cost 


cost 

Labour 

intensity 

Phenolics glad hoog hoog laag 

PEEK glad hoog hoog laag 

PTFE glad zeer hoog hoog laag 



Op basis van de tabel uit paragraaf 2.7 kunnen we opmaken dat de PTFE er voor wat betreft 

gereedschapskosten negatiever uitspringt dan de Phenolics en de PEEK. 

We zullen nu uit de overgebleven 2 materialen een definitieve oplossing kiezen 

3.10 Definitieve oplossing (materiaal, fabricage en vorm) 

Materiaal 

Phenolics of bakelite is een hard materiaal wat goed bestand is tegen hoge temperaturen en 

goed isolerende eigenschappen heeft. Het is zeer goed in elke vorm te persen en heeft na dit 

proces een mooi glad oppervlakte. 

PEEK is een thermoplast die bestand is tegen hogere temperaturen dan bakelite maar wel beter 

de warmte geleidt. Ook PEEK heeft na het fabricageproces een mooie oppervlaktestructuur. 

Fabricage 

Zowel handvatten van bakelite als PEEK zijn eenvoudig te fabriceren door het in de gewenste 

vorm te persen. 


Vorm 

Met bakelite kunnen moeilijkere vormen gecreëerd worden dan PEEK (Solid 3-D en Hollow 3- 

D) 

Conclusie 

PEEK is een hoogwaardige thermoplast die iets beter de warmte geleidt (wat ongewenst is) 

maar is bijna 60 keer duurder dan bakelite. Dit maakt dat de keuze voor handvatten in dit geval 

valt op bakelite (bakeliet) 




Men overweegt om een drinkwatertank voor de kampeerder op de markt te brengen met een 

inhoud van 5 liter. Deze drinkwatertank zal naast functionaliteit ook in grote aantallen 

geproduceerd moeten gaan worden. 

Daarnaast zal de drinkwatertank zowel voor de wintersporter als voor de zonkampeerder 

geschikt moeten zijn. Het opslaan van drinkwater kan risico’s met zich mee brengen, daardoor 

zal het water in de tank gesteriliseerd moeten kunnen worden. Dit gebeurd door het water sterk 

te verhitten (tot boven het kookpunt). 

Al deze eisen zullen in de keuze van het materiaal meegenomen moeten worden. 

Er zullen uiteindelijk drie verschillende alternatieven gekozen moeten worden voor 

materiaalkeuze en productiemethode. 


Zoals in de inleiding al te lezen is, moet de drinkwatertank aan een aantal eisen voldoen. Als de 

zomer- en winterkampeerder gebruik willen gaan maken van deze drinkwatertank dan zal de 

tank dus bestand moeten zijn tegen hoge en lage temperaturen. In deze opdracht geldt een 

minimale temperatuur van -50 ºC en een maximale gebruikstemperatuur van +50 ºC. Om het 

water te steriliseren zal dit verwarmd moeten worden naar een nog hogere temperatuur van 120 

ºC (aanvullende eisen). 

Elke kampeerder zal zo weinig mogelijk gewicht met zich mee willen nemen, een laag 

soortelijk gewicht is dus van groot belang (aanname). Ook zal de kampeerder graag willen 

weten hoeveel water hij nog tot zijn beschikking heeft. De watertank zal dus transparant 

moeten zijn (aanname). Als laatste wil de fabrikant van deze drinkwatertank straks minstens 

1.000.000 stuks produceren. 

Als eerste zullen we gaan bekijken welke materialen er in aanmerking komen voor de 

drinkwatertank. Daarna zullen we gaan bekijken wat de invloed is op de materiaalkeuze als de 

voorwaarden van het steriliseren en de keuze van kamperen (zomer of winter) wordt 

toegevoegd. 

Bovenstaande punten zijn samengevat in de onderstaande tabel: 

Functie Drinkwatertank voor de kampeerder 

Randvoorwaarden - Lichtgewicht (lage dichtheid) 

- Makkelijk fabriceerbaar 

- Inhoud van 5 liter 

- Transparant 

- Lage prijs 

Doelstellingen Laag soortelijk gewicht 

Vrije variabelen - kleur 






De discriminerende eigenschappen voor de drinkwatertank zijn: 

lichtgewicht 

waterdicht 

corrosieweerstand 


De dimensionerende eigenschappen voor de drinkwatertank zijn: 

prijs 

dichtheid 



kosten 

lage energiekosten per productie eenheid 

transparant 

gewicht 

recyclebaar 




materialen. Omdat er uiteindelijk drie materialen over moeten blijven, hebben we gekozen 

voor de volgende materialen: 

een transparant materiaal 

een ondoorzichtig materiaal 

een metaal 


4.5.1 Transparant materiaal 

Om tot een eerste selectie te komen, maken we gebruik van de discriminerende en 

dimensionerende eigenschappen. Hierdoor zullen uiteindelijk al een flink aantal materialen 

afvallen. Om de materialen te selecteren zullen we een selectie gaan maken met de dichtheid 

(density) en prijs per kilo. Deze twee eigenschappen zetten we in CES uit in een zogenaamde 

bubble chart. 

Omdat het hier gaat om grote productie eenheden zullen we een zo laag mogelijke prijs van het 

basismateriaal willen. 


We hebben in dit geval gebruik gemaakt van een zogenaamde box selection waarbij we de 

dichtheid ingesteld hebben tussen 1000 en 3000 kg/m3 en de prijs tussen de € 1,- en € 4,- per 

kilogram 

Er blijven nu 11 materialen waar we een tweede selectie uit gaan maken. Bij deze selectie 

zullen we wederom gaan kijken naar de dichtheid, maar in plaats van de prijs willen we nu 

weten of het materiaal doorzichtig (transparant) zal zijn. 

Dit ziet er in een bar chart als volgt uit: 


Figuur: bar chart vanuit CES 

We zien op de x-as de dichtheid van de materialen , en op de y-as de mate van transparantie. 

Omdat we gesteld hebben dat het materiaal lichtgewicht moet zijn en ook doorzichtig kijken 

we naar het vakje waarbij de dichtheid zo rond de 1500 kg/m3 ligt en tevens transparant. 


Polyurethane (PUR) 

Polyester 

Epoxies 

Polyethylene terephthalate (PET) 



4.5.2 Beoordeling van gevonden oplossingen 



Materiaal Recyclebaar Embodied energy (MJ/Kg) Prijs (€/Kg) 

PUR ja 113 - 125 3,08 – 3,68 

Polyester nee 84 - 93 1,49 – 1,70 

Epoxies nee 107 - 118 2,96 – 3,29 

PET ja 79,6 - 88 1,33 – 1,46 

4.5.3 Voorlopige keuze 


Als we nu waardes gaan toevoegen aan de selecties in de tabel van paragraaf 4.6 dan ziet dit er 

als volgt uit: 

Materiaal Recyclebaar Embodied energy (MJ/Kg) Prijs (€/Kg) Totaal 

PUR 1 1 1 3 

Polyester 0 3 3 6 

Epoxies 0 2 2 4 

Conclusie 

PET 1 4 4 9 

Tabel: waardetabel gekozen materialen 

Zoals te zien is in bovenstaande waardetabel komt PET er het beste uit, we zullen in de 

volgende selectie naar een materiaal gaan zoeken waarbij transparantie geen rol speelt. 


4.6.1 Ondoorzichtig materiaal 

Om een keuze te kunnen maken van materialen die ondoorzichtig zijn, maken we weer gebruik 

van de tabel op blz. 4. We zien op de x-as de dichtheid van de materialen, en op de y-as de 

mate van transparantie. Omdat we gesteld hebben dat het materiaal lichtgewicht moet zijn en 

ondoorzichtig (opaque) kijken we naar het vakje waarbij de dichtheid zo rond de 1500 kg/m³. 


Phenolics 

Polyetheretherketone (PEEK) 

Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) 

CFRP, epoxy matrix (isotropic) 







Materiaal Recyclebaar Embodied energy (MJ/Kg) Prijs (€/Kg) 

Phenolics nee 85,9 - 95 1,37 – 1,55 

PEEK ja 223 - 246 82 - 90 

ABS ja 91 - 102 2,10 – 2,45 

CFRP nee 259 - 286 16,10 - 19 





Materiaal Recyclebaar 

Embodied energy 

(MJ/Kg) 

Prijs (€/Kg) Totaal 

Phenolics 0 4 4 8 

PEEK 1 2 1 4 

ABS 1 3 3 7 

CFRP 0 1 2 3 

Conclusie: 


Zoals te zien is in bovenstaande waardetabel komt Phenolics er het beste uit. Maar omdat er 

van de drinkwatertanks 1.000.000 stuks gemaakt moeten worden, is een belangrijke eis de 

recyclebaarheid. Daarom kiezen we voor ABS. 


4.7.1 Metaal 

Om een keuze te kunnen maken tussen metalen, maken we weer gebruik van de tabel op blz. 4. 

We zien op de x-as de dichtheid van de materialen, en op de y-as de mate van transparantie. 

Omdat we gesteld hebben dat het materiaal licht moet zijn kijken we naar het vakje waarbij de 

dichtheid zo rond de 3000 kg/m³. 


Magnesium Alloys 

Titanium Alloys 

Aluminium Alloys 

Zinc Alloys 









(MJ/Kg) 

Prijs (€/Kg) Dichtheid(kg/m3) 

Magnesium ja 356 - 394 2,50 – 2,80 1740 – 1950 

Titanium ja 855 - 945 31,60 – 34,70 4400 - 4800 

Aluminium ja 184 - 203 1,40 – 1,70 2500 - 2900 

Zinc ja 46,8 – 51,7 1,30 – 1,40 4950 - 7000 







(MJ/Kg) 

Prijs (€/Kg) Dichtheid 

(kg/m3) 

Magnesium 1 2 2 4 9 

Titanium 1 1 1 2 5 

Totaal 

Aluminium 1 3 3 3 10 

Zinc 1 4 4 1 10 

Conclusie: 


Zoals te zien is in bovenstaande waardetabel komen Zinc Alloys en Aluminium Alloys er het 

beste uit. We hebben in de opdracht gesteld dat het gewicht van de tank een belangrijke factor 

is. We kiezen daarom voor Aluminium Alloys. 



Materiaal 

Op basis van voorgaande paragraven is de keuze gevallen op drie materialen. Dit zijn: 

PET 

ABS 

Aluminium Alloys 

Deze overgebleven materialen zetten we nu uit in een afzonderlijke waardetabel. 



(MJ/Kg) 

Prijs (€/Kg) Dichtheid(kg/m3) 

PET ja 79,6 - 88 1,33 – 1,50 1290 - 1400 

ABS ja 91 - 102 2,10 – 2,50 1010 - 1210 

Aluminium ja 184 - 203 1,40 – 1,70 2500 - 2900 




(MJ/Kg) 

Prijs (€/Kg) Dichtheid 

(kg/m3) 

PET 1 3 3 2 9 

ABS 1 2 1 3 7 

Aluminium 1 1 2 1 5 


Totaal 


Fabricagemethode 

De overgebleven materialen zullen we nu gaan bekijken voor wat betreft de fabricagemethode. 

De drie overgebleven materialen kunnen met behulp van de volgende processen in de gewenste 

vorm worden gebracht: 

PET en ABS: 

Figuur: Sheet stamping, drawing and blanking Figuur: Blow molding 


dikte: 0,2 - 5 mm 



vorm hollow 3-D mogelijk: nee 



Eigenschappen Blow Molding: 

dikte: 0,4 – 3 mm 


economische batch grootte: 500 - 50.000.000 

vorm hollow 3-D mogelijk: ja 




Aluminium Alloys: 

Figuur: Sheet stamping, drawing and blanking Figuur: Die Casting 


dikte: 0,2 - 5 mm 


economische batch grootte: 1000 – 100.000.000 

vorm hollow 3-D mogelijk: nee 



Eigenschappen Die casting: 

dikte: 0,5 – 12 mm 



vorm hollow 3-D mogelijk: ja 



We zullen nu uit de overgebleven materialen een definitieve oplossing kiezen. 


Materiaal 

PET: 

PET heeft goede mechanische eigenschappen tot een temperatuur van 175 ºC. PET is 

transparant, wat een voordeel is bij een drinkwatertank. Het is taai, sterk en makkelijk te 

vervormen. Het is goed bestendig tegen vermoeiing en behoudt zijn flexibiliteit bij lage 

temperaturen. 


ABS: 

ABS is taai en eenvoudig kneedbaar. Het is verkrijgbaar in zowel een transparante als een 

ondoorzichtige vorm. 

Aluminium Alloys: 

Heeft een grote sterkte ten opzichte van zijn dichtheid. Het nadeel is dat bij het maken van 

aluminium, enorm veel energiekosten moeten worden gemaakt. Verder is het niet doorzichtig 

wat bij een drinkwatertank wel handig kan zijn. 

Gezien de hierboven genoemde materiaaleigenschappen kiezen we voor PET. 

Fabricage 

Voor de fabricage van PET hebben we de keuze uit: 

Sheet stamping, drawing and blanking 

Die casting 

Vorm 

Om de vorm van een drinkwatertank te kunnen maken, hebben we alleen de mogelijkheid om 

dit te doen met Die casting. 


4.10 Aanvullende eisen drinkwatertank 

Zoals in de inleiding al te lezen is moet de drinkwatertank nu aan een aantal aanvullende eisen 

voldoen. De tank moet bestand zijn tegen hoge en lage gebruikstemperaturen (-50 tot +50 ºC) 

en moet bestand zijn tijdens het steriliseren tot 120 ºC. 

Materiaal Maximum service temperatuur 

PET 66,85 – 86,85 

ABS 61,85 – 76,85 

Aluminium 120 - 210 

Conclusie 

Tabel: gebruikstemperaturen materialen 

Wat te zien is in bovenstaande tabel, dat alle gekozen materiaalsoorten bestand zijn bij een 

gebruikstemperatuur van +50 ºC . 

In de data van CES is echter geen minimum service temperatuur opgenomen, waardoor we 

geen conclusie kunnen trekken over de keuze van het materiaal. 




In deze opdracht is het de bedoeling om de functie-eisen van een reflectiekapje van een 

huiskamerspot te definiëren. 

Een huiskamerspot is een lampje die een specifiek onderdeel van de ruimte kan belichten, men 

kan denken aan een schilderij of een kunstvoorwerp. De spot kan ook gebruikt worden als 

bijverlichting tijdens het lezen. 

Een spot kan worden onderverdeeld in zogenaamde inbouw- en opbouwspots. Voor deze 

opdracht zullen we uitgaan van een opbouwspot. 

De opbouwspots zijn in verschillende uitvoeringen te verkrijgen, men kan denken aan: 

Plafond spots 

Verstelbare spots 

Vloerspots 

Spots op een poot 

Omdat het voor de reflectiekap niet uitmaakt om welke spot het gaat zullen we voor het gemak 

kiezen voor een plafondspot. 

Het type spot en de bijpassende lichtbron is wel van belang, een spot kan als lichtbron een 

halogeenlamp hebben of een gloeilamp. 

Figuur: plafondspot met halogeen verlichting Figuur: plafondspot met gloeilamp 

We kiezen bij deze opdracht voor een spot met halogeenverlichting (bij het toepassen van een 

gloeilamp als lichtbron wordt vaak een speciale gloeilamp gebruikt met ingebouwde reflectie) 

Samengevat valt de keuze op: 

Een opbouwspot 

Montage aan het plafond 

Halogeenverlichting 


De opdracht zal bestaan uit: 

1. De vervaardigingmethode en de eventuele eindbehandeling van dit product 

2. Het op grond van functie-eisen en fabricage-eisen kiezen van een materiaal waaruit het 

reflectiekapje vervaardigd kan worden 


Een reflectiekapje zoals dit vaak toegepast wordt moet aan een aantal randvoorwaarden 

voldoen. Een spot wordt zoals eerder gezegd gebruikt om bepaalde delen extra te verlichten, 

het reflectiekapje moet de lichtstralen dus gebundeld naar die plaats reflecteren. Bij 

halogeenverlichting wordt de elektriciteit omgezet in licht, maar net zo belangrijk in heel veel 

warmte. Het reflectiekapje moet dus goed bestand zijn tegen “hoge” temperaturen. 

Omdat veel mensen de verlichting vaak zien als designelement zal het uiterlijk van de totale 

lamp van belang zijn, een heel klein spotje is een mogelijkheid. 

De functie- en fabricage eisen zijn samengevat in de onderstaande tabel: 

Functie eisen Fabricage eisen 

- Lichtstralen gebundeld reflecteren 

- Afvoeren van de warmte 



- Fabricage uit één stuk mogelijk 

- Lage stuksprijs/massafabricage 

De discriminerende eigenschappen voor het reflectiekapje zijn: 

reflecterend 

bestand tegen hoge temperaturen (150ºC) 

Goed warmte afvoeren 

mogelijkheid tot oppervlaktebehandeling (aanbrengen van een reflectielaag) 


De dimensionerende eigenschappen voor het reflectiekapje zijn: 

prijs 

verouderingsgevoeligheid (gedurende lange tijd reflecterende eigenschappen bezitten) 




kosten 

een mooi uiterlijk 

een lange levensduur 

5.5 Zoeken van materialen en fabricagemethoden 



materialen. 

Om de eerste materialen te selecteren zullen we eerst gaan kijken welke materialen een 

temperatuur van minmaal 150ºC kunnen hebben. Deze discriminerende eigenschap zetten we 

in CES uit in een zogenaamde bar-chart. 

Figuur: bar-chart 


We hebben in CES een zogenaamde box selection gemaakt, de maximale temperatuur hebben 

we zodoende begrenst tussen 150ºC en 200ºC. De materialen die overblijven zijn: 

Polyester 

Magnesium legeringen 

Epoxies 

Aluminium legeringen 

Polyamides 

Polycarbonate (PC) 


CFRP 

GFRP 

Koper legeringen 

Glas 

Rigid polymer foam (LD, MD en HD) 

Omdat we niet alleen willen dat het materiaal bestand is tegen hoge temperaturen maar ook de 

warmte goed moet afvoeren zullen we in CES deze eigenschap invoeren. Dit geeft de 

onderstaande bar-chart: 

Figuur: bar-chart 

Ook hier passen we een box selectie toe tussen de gewenste maximale service temperatuur en 

of het materiaal goed of slecht geleid. Zoals te verwachten vallen de kunststoffen en het glas 

af, deze materialen geleiden (zeer) slecht de warmte. 



Wat overblijft zijn een 3-tal materialen namelijk: 

Magnesium legeringen 

Koper legeringen 

Aluminium legeringen 

Al deze 3 metalen geleiden de warmte zeer goed. 


5.8.1 Fabricage 

We zullen nu op basis van een aantal criteria de voorlopige keuze beoordelen. Al deze 

materialen kunnen door middel van sheet stamping of die casting geproduceerd worden. 

Figuur: sheet stamping drawing and blanking Figuur: Die casting 


dikte: 0,2 - 5 mm 






Eigenschappen Die casting: 

dikte: 0,5 – 12 mm 







Ook het eventueel aanbrengen van een reflecterende laag is bij geen van de drie materialen een 

probleem alhoewel bij sommige manieren van aanbrengen eerst het moedermateriaal een 

oppervlaktebehandeling moet ondergaan. 

We zullen nu in CES gaan bekijken wat de beste manier is voor het aanbrengen van een 

reflectielaag. Ook moeten we gaan bekijken of deze reflectielaag aangebracht kan worden op 

een gebogen oppervlakte (een reflectiekapje is tenslotte veelal gebogen, en heel vaak rond van 

vorm) 

Bovenstaande ziet er in CES als volgt uit: 

Figuur: reflectie versus het aanbrengen van een laag op een gebogen oppervlakte 

We zien hier dat er 8 manieren zijn om een goede reflecterende laag aan te brengen op een 

gebogen oppervlakte, als we hierop klikken zien we de volgende mogelijkheden: 


Omdat de prijs ook een belangrijke rol speelt zullen we deze fabricagemogelijkheden 

beoordelen op een aantal kostenbepalende eisen. Een en ander is te zien in onderstaande 

tabellen: 

Type oppervlakte 

behandeling 

Anodizing 

Chemical polishing 

Electro-polishing 


costs 


costs 

Labour intensity 

Low Medium Low 

Low Low Low 

Low Medium Low 

Organic solvent-based 

painting Low Medium Medium 

Pad printing 

Low Low Low 

Polymer powder 

coating Low Medium Low 

Vitreous enameling 

Water-based painting 

Low Medium Medium 

Low Medium Medium 

Figuur: oppervlaktebehandeling versus kosten 


Als we aan bovenstaande tabel waardes toekennen dan ziet dit er als volgt uit: 

Oppervlakte 

behandeling 

Anodizing 


Electro-polishing 

Relative 

tooling costs 

Relative 

equipment costs 

Labour intensity Totaal 

2 1 2 5 

2 2 2 6 

2 1 2 5 

Organic solvent-based 

painting 2 1 1 4 

Pad printing 

2 2 2 6 

Polymer powder 

coating 2 1 2 5 

Vitreous enameling 

Water-based painting 

2 1 1 4 

2 1 1 4 

Figuur: waardetabel oppervlaktebehandeling versus kosten 

Zoals we kunnen zien komen er 2 oppervlaktebehandelingen uit die uiteindelijk in aanmerking 

komen voor de uiteindelijke keuze, dit zijn: 


Pad printing 

Figuur: chemical polishing Figuur: pad printing 


Pad printing is zeer geschikt voor het aanbrengen van figuren op glas, golfballen, aanstekers 

etc. Het is minder geschikt voor het aanbrengen van een reflectielaag op een metalen 

ondergrond. 

5.8.2 Materiaal 

Alle 3 de overgebleven materialen zijn geschikt voor de in 5.8.2 beschreven fabricagemethode. 

We zullen nu met behulp van de waardetabellen gaan bekijken welk materiaal het meest 

geschikt is voor het reflectorkapje. 

Materiaal 

Magnesium 

legeringen 

Koper 

legeringen 

Aluminium 

legeringen 

Maximale toelaatbare 



Embodied energie 

120 - 200 2,50 – 2,75 63 - 70 

180 - 350 2,90 – 3,50 356 - 394 

120 - 210 1,40 – 1,70 184 - 203 

Figuur: tabel materiaaleigenschappen 

We zullen nu afzonderlijk aan ieder item een waarde toekennen, dit ziet er als volgt uit: 

Materiaal 

Magnesium 

legeringen 

Koper 

legeringen 

Aluminium 

legeringen 

Maximale toelaatbare 


Prijs 

(€/Kg) 

Embodied 

energie 

Totaal 

1 2 3 6 

3 1 1 4 

2 3 2 7 

Figuur:waarde tabel materiaaleigenschappen 

Zoals we kunnen zien komt aluminium er hier op basis van materiaaleigenschappen en prijs er 

het beste uit. 


Materiaal 

Aluminium legeringen: 

Aluminium heeft een goede weerstand tegen de hoge temperaturen die ontstaan bij het gebruik 

van een spot. Het is makkelijk in de juiste vorm te brengen en is relatief goedkoop. Een 

oppervlakte behandeling is geen enkel probleem. 


Magnesium legeringen: 

Magnesium is een zeer licht materiaal wat weinig energie vraagt bij het produceren, ook bij dit 

materiaal is een oppervlakte behandeling geen probleem. Magnesium is bijna twee keer zo 

duur als aluminium. 

Koper legeringen: 

Koper geleidt uitstekend warmte en elektriciteit, een oppervlaktebehandeling is geen probleem. 

Koper is van de drie overgebleven materialen het duurst en vraagt de meeste energie tijdens 

productie. 

Gezien de hierboven genoemde materiaaleigenschappen kiezen we voor Aluminium 

Fabricage 

Voor de fabricage van Aluminium hebben we de keuze uit: 

Sheet stamping, drawing and blanking 

Die casting 

Vorm 

Gezien de hoge kosten voor gereedschap- en machinekosten, en de hoge aantallen waarbij die 

casting pas interessant wordt kiezen we voor sheet stamping, drawing and blanking 


7 Bronnenlijst 

De literatuur die voor dit verslag gebruikt is, bestaat uit: 

Software Granta CES 2006 Edupack 

Handleiding Granta CES 2006 Edupack 

Boek Materiaalkunde voor Ontwerpers door P. van Mourik en J. van Dam 

Presentaties Materiaalkunde 5 van Otto Veninga 

www.gerard.nl/afdicht/technisch/omrekenen/omrekenen

Verslag Materiaalkunde 4 Opdracht 1

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?