29/04/2021
Door Ad Spijkers
Een nieuw proces maakt de productie van hybride buizen uit een combinatie van roestvast staal (RVS) en met glasvezel versterkt kunststof (GVK) mogelijk.
Voor toepassingen in extreem hoog vacuüm worden meestal (dure) buizen van roestvast staal gebruikt. Een onderzoeksteam van het Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in Aken heeft een hybride buis ontwikkeld die alleen een dunne functionele laag van roestvast staal bevat. De vereiste stabiliteit wordt verzekerd door omwikkeling met glasvezel versterkte kunststof. De basis hiervoor is een fabricageproces voor serieproductie in de auto-industrie.
De hybride buizen bestaan uit een composietmateriaal van met vezels versterkte kunststof en roestvast staal. Ze zijn ontwikkeld voor het III. Physikalische Institut B van de RWTH Aachen als onderdeel van onderzoekswerk voor een Einstein-telescoop. Met een systeem van gevoelige detectoren, die met elkaar zijn verbonden door drie ondergrondse leidingen van ruim 10 km lang, willen natuurkundigen zwaartekrachtgolven detecteren en nieuwe kennis opdoen over het ontstaan van het heelal.
Productieproces
De hybride buizen, die voor de gravitatiegolfdetector tot 300 m onder de grond moeten worden geïnstalleerd, moeten stabiel zijn vervaardigd. Het binnendringen van gassen, met name waterstof moet worden voorkomen omdat er tijdens het gevoelige experiment binnenin een extreem vacuüm heerst. Hiervoor moeten de buizen zijn voorzien van een functionele binnenlaag van roestvast staal.
Bij de productie van het composietmateriaal bewerken de Akense wetenschappers eerst het oppervlak van de dunne roestvaststalen buis. Dat gebeurt met een proces dat ze oorspronkelijk ontwikkelden voor de grootschalige productie van multimateriaal-componenten in de auto-industrie.
Met een laser maken de onderzoekers gerichte verdiepingen en structuren van 20 µm tot 40 µm diep in het metaal om de hechting van de twee materialen aan elkaar te verbeteren. Vervolgens omwikkelen ze de stalen buis in met tapes uit met vezels versterkte kunststof. Hiervoor worden zogenaamde towpregs gebruikt, lange en goedkope tapes van glasvezels die zijn geïmpregneerd met een stroperige epoxyhars. Het wikkelproces is volledig geautomatiseerd en wordt uitgevoerd met de speciaal bij FraunhoferIPT ontwikkelde PrePro 3D-systeemtechnologie. Ten slotte wordt de omwikkelde buis uitgehard in een oven.
Hybride onderdelen
De PrePro 3D-systeemtechnologie van Fraunhofer IPT maakt het mogelijk in een wikkelproces hybride componenten te produceren uit met vezels versterkte, unidirectionele tapematerialen, zogenaamde UD-tapes. Kenmerkend voor de technologie is dat verschillende soorten materiaal kunnen worden verwerkt. De relatief goedkope towpregs bieden een alternatief voor conventionele UD-tapes met thermoplastische en thermohardende matrix, die wel een nauwkeurigere maatnauwkeurigheid hebben.
Behalve kostenvoordelen ten opzichte van puur metalen buizen, zoals die gebruikt worden in de hoogvacuümbuis voor de Einstein-telescoop, zijn er nog andere toepassingen. Een voorbeeld is de productie van mediabestendige lichtgewicht buizen voor de olie- en gasindustrie of de chemische industrie. Daarnaast kan de technologie worden gebruikt voor het goedkoop vervaardigen van druktanks, bijvoorbeeld voor voertuigen op waterstof.
Foto: Fraunhofer-IPT