Specialisatieproject Vacuum Assisted Resin Transfer Molding De Kajak

Specialisatieproject

Vacuum Assisted Resin Transfer Molding

De Kajak

IO2040 | Industriële Productie | Groep 26 Joost Prins 20 januari 2009

Querien van Casteren 1270354 Lisa van Mastbergen 1329707 Dorine van Meeuwen 1368443 Lotte de Reus 1267957 Pauline de Valk 1313851 Anouk Zeeuw van der Laan 1305727

Voorwoord 1 Taxonomie Productieprincipe Probleemstelling NPSP Een dagje NPSP 2 Productiedriehoek Functie Kosten Kwaliteit 3 Ontwerpfase Ontwerp Krachtenspel Materiaal Mallen Afwerking en assemblage Kostenplaatje Conclusies Aanbevelingen Bronnen

3 4 4 8 9 11 14 14 16 19 21 21 23 29 31 34 36 40 41 42

Vacuüm Assisted Resin Transfer Molding De Kajak | Groep 26 | 01/20/09

Inhoudsopgave

2

In opdracht van het bachelorvak Industriële Productie IO2040 is door ons, groep 26, een specialisatieproject gedaan. Dit project had ten doel kennis te vergaren over een specifieke productiemethode. Deze kennis werd opgedaan door een bezoek aan een bedrijf dat gespecialiseerd is in desbetreffende productiemethode. Het bedrijf waar wij mee hebben gewerkt is NPSP. NPSP is gespecialiseerd in de productiemethode VA-RTM en werkt met een specifieke materiaalsoort, namelijk composieten. Door de koppeling aan NPSP werd voor ons dus niet alleen een productiemethode vastgelegd, maar ook een materiaalsoort. Na het bezoek was de opdracht een product, wat eerder in het project al bedacht was, te ontwerpen en te onderzoeken. Onderzocht moest worden hoe het product met de VA-RTM methode geproduceerd zou worden en met welke composieten. Dit alles heeft geleid tot een kajak geproduceerd van een composietmateriaal met de productiemethode VA-RTM.


Voorwoord

3

Dit hoofdstuk geeft een beeld van het bedrijf NPSP en het productieprincipe dat zij toepassen. Bovendien gaan we in op de probleemstelling.

Productieprincipe

VA-RTM staat voor Vacuum Assisted Resin Transfer Molding. Dit is een vorm van vervaardigen die bij composieten wordt toegepast. Het materiaal (de hars) wordt met behulp van een vacuum pomp door de mal (gevuld met vezels) heen geleidt. Op die manier wordt de mal gevuld en ontstaat er een stevig product gemaakt van composiet materiaal. Zie ook afbeelding 1-1. De producten worden dus gemaakt van composieten. Dat zijn samengestelde materialen bestaande uit een vezelsoort (zoals glasvezel maar ook hennep) en een hars. De hars kan zowel een thermoharder als een thermoplast zijn. NPSP gebruikt vooral thermoharders. Het bedrijf maakt gebruik van veel verschillende soorten natuurlijke vezels, zoals glasvezel, hennep en linnen. Op afbeelding 1-2 is te zien hoe groot de variatie aan materiaal is.

Afbeelding 1-1

Afbeelding 1-2


1 Taxonomie

4

staal. Ze zijn alleen lichter. Een ander vooroordeel is dat VA-RTM niet geschikt zou zijn voor grote oplages. De kosten van de mal zijn echter niet zo groot.

Afbeelding 1-3

Afbeelding 1-4

De mallen

De gebruikte mallen kunnen van verschillend materiaal gemaakt worden. Dit is voornamelijk afhankelijk van de seriegrootte van het product, maar ook bijvoorbeeld van de afwerking. Bij NPSP worden bijvoorbeeld ook de wegwijzer paddenstoelen van de ANWB gemaakt. Omdat dit een grote oplage is, is een deel van de mal van aluminium vervaardigd, zie afbeelding 1-3 en 1-4. Dit ontwerp vraagt dus om een mal die langdurig gebruikt kan worden, maar hierdoor gaan de prijzen omhoog omdat deze mal een stuk duurder is.


Het voordeel van composiet materiaal is dat het zeer lichtgewicht is. Er is weinig onderhoud nodig aan het materiaal, en dat scheelt in de kosten. Het materiaal met bijhorende productietechnologie geeft mogelijkheid om vrij makkelijk inserts van andere materialen toe te voegen. Ook kan visueel gezien veel met het materiaal. Er kan bijvoorbeeld kleur en relief toegevoegd worden aan het ontwerp, terwijl het ook transparant gehouden kan worden. Bijvoorbeeld bij de productie van een campingdouche is er voor gekozen om de vezels zichtbaar te houden. Zo kunnen de gebruikers zien dat het product uit natuurlijke materialen is geproduceerd. Er bestaan ook vooroordelen over composieten, namelijk dat ze nooit zo sterk zouden zijn als staal. Dit is niet waar, composieten kunnen even sterk zijn als

5

afbeelding 1-5. Uiteindelijk moet het het product uitharden, afbeelding 1-6, en kan het, na ca. 1,5 à 2 uur, uit de mal gehaald worden. Als het product volledig is uitgehard, na ongeveer twee weken, kunnen eventuele nabewerkingen gedaan worden.

Uitstraling

Het productieproces zelf bestaat uit een aantal fases. De eerste fase is het knippen van de vezels. Deze moeten op maat geknipt worden voor iedere mal. Hierna worden de vezels in de mal gelegd, waar ze op hun plaats blijven met een speciale oplosbare lijm. Vervolgens worden de vezels geïmpregneerd met hars. Door de vacuümzuiger wordt de lucht uit de mal gezogen, zoals in

Wanneer een klant wil dat het product een bepaalde kleur heeft moet dit in de beginfase gebeuren, nog voor de vezels in de mal gelegd worden. Allereerst wordt er in de mal een kleurcoating gespoten. Daarna wordt het proces op de normale manier hervat. Ook kan bijvoorbeeld een gelcoat toegevoegd worden, een dun laagje dat voor het plaatsen van de vezels en de hars in de mal wordt aangebracht. De composiet hecht zich aan deze laag, met als resultaat een composiet met een verflaagje.

Afbeelding 1-5

Afbeelding 1-6

Productiestappen


Ten tweede kunnen ook veel mallen voor kleine oplages uit composiet gemaakt worden. Met behulp van een positief in schuim, wordt een negatief in composiet gemaakt. Zo is het andere deel van de mal van de wegwijzer gemaakt, afbeelding 1-3. Dit is het geval met het andere deel van de mal van de wegwijzer. Deze composieten mal gaat niet zo lang mee als de aluminium mal, maar is wel een stuk goedkoper om te maken.

6

Ook kunnen er eventueel meerdere lagen worden aangebracht, bijvoorbeeld voor versteviging op plekken die zwaar belast zullen worden. Een sandwichpaneel kan zo’n extra versteviging bieden. Doordat twee (buiten)lagen met een tussenlaag aan elkaar verbonden zijn wordt het traagheidsmoment vergroot. Dit gebeurd wanneer hier een grote kracht op komt te staan en wordt het dus steviger. Hoe dikker deze tussenlaag hoe sterker het materiaal. Voor ontwerpers heeft dit productieproces ook gevolgen. Er zijn een aantal ontwerpregels waar de ontwerper zich aan moet houden. Hier is door het bedrijf NPSP een ezelsbruggetje voor bedacht, namelijk het wordt ‘Creating’. Hieronder staat deze term nog eens toegelicht aan de hand van de designers guidelines.

Corners: de hoeken moeten niet te spits zijn. Daar kan de vezel niet komen waardoor het product minder sterk zal zijn op die plaatsen. Repeatable: maak gebruik van zo min mogelijk mallen, door bijv symmetrie in het ontwerp aan te brengen. Extractable: maak het ontwerp lossend Angle: een lossingshoek hoek van 3° is minimaal T* Integrate inserst: integreer inserts in je product N* G*


Sterkte

7

Wij gaan met onze groep uitzoeken bij het bedrijf NPSP hoe een kajak gemaakt kan worden met de vacuüm injectietechniek. Een kajak is een eenpersoonsvaartuigje, oorspronkelijk ontworpen door de Eskimo’s voor visvangst. Wij richten ons echter op de kajakken die worden gebruikt voor de wedstrijdsport, afgeleid van het wildwatervaren. De verwachte jaarproductie van de kajak is 200 stuks. Vacuüm injectie is geschikt voor kleine producties, dus zal een goede techniek zijn om dit product te produceren. Aan de kajak zijn een aantal hoge eisen gesteld. Zo is bijvoorbeeld de afwerking erg belangrijk, omdat het product gestroomlijnd moet zijn, zodat het zich snel door het water kan bewegen. Bovendien is comfort en veiligheid voor de bestuurder van de kajak noodzakelijk, gezien de wedstrijden en de wateren erg ruw zijn. Ten derde moet de kajak een lichtgewicht zijn, zodat er geen extra snelheid wordt verloren op het gewicht van de boot. Het materiaal van de kajak moet dus licht zijn. Uiteraard is het van belang dat de kajak waterdicht is. Verder zijn toleranties van onderdelen die aan de boot bevestigd moeten worden hoog. Het is belangrijk dat deze goed aansluiten

en dat de onderdelen niet tijdens een wedstrijd van de boot vallen. Toleranties betreffende de kajak zelf, zijn laag.


Probleemstelling

8

NPSP Composieten maakt duurzame, vezelversterkte kunststoffen voor bouw, design, mobiliteit en industrie. Samen met haar opdrachtgevers realiseert NPSP verrassend mooie oplossingen voor technische vraagstukken. Esthetisch, technisch en duurzaam. NPSP loopt voorop in het verduurzamen van de branche. Ze maakt producten die langer mee gaan en goed zijn voor mens en milieu.

Afbeelding 1-7

Ambitie

“Een inspiratiebron zijn voor ingenieurs en vormgevers bij het ontwikkelen van mooie oplossingen in vezelversterkte composieten. Hightech productietechnologie beschikbaar maken voor steeds weer nieuwe alledaagse oplossingen in vezelversterkte kunststoffen. Een leidende rol spelen in het verduurzamen van de leefomgeving door het terugdringen van de milieubelasting en het bieden van deskundig advies.”

Strategie

NPSP werkt mee aan industrieel en toegepast onderzoek naar alternatief materiaalgebruik en nieuwe toepassingen voor vezelversterkte composieten. NPSP adviseert, doet technisch, economisch en organisatorisch onderzoek en doet experimenten in eigen laboratorium.

Engineering

NPSP is gespecialiseerd in productengineering; het traject van vraag of productidee tot werkend prototype. NPSP kan de constructieve eigenschappen en de produceerbaarheid van producten bepalen en advies geven in composiet materiaalgebruik, waarbij hun kennis en kunde verder gaan dan het composietmateriaal alleen. NPSP heeft een eigen apparatuur om sterktes en stijfheden van constructies te meten. Relatief lage opstartkosten maken het daarna mogelijk om prototypes en unieke exemplaren op ware grootte te ontwikkelen. Pas als het prototype aan alle eisen voldoet wordt de definitieve mal gebouwd en kan de serieproductie van start. Oplage, van één tot enkele duizenden per jaar.


NPSP

9

Nature Based Composites

NPSP is koploper van de sector in het verduurzamen van composieten. Ze werkt op alle fronten om de milieubelasting steeds verder terug te dringen. Natuurlijke grondstoffen, productietechnieken die vooruitlopen op de wetgeving, producten die langer meegaan en minder afval genereren en dat voor een goede prijs-kwaliteitverhouding. Alle milieuvriendelijke composieten van NPSP zijn aan het Nabasco®-label te herkennen, afbeelding 1-8. Het Nabasco®-label garandeert dat het product op een zowel milieuvriendelijke als markttechnische manier haalbaar is vervaardigd is. Als enige in Nederland gebruikt NPSP, naast glasvezels, ook natuurlijke grondstoffen zoals vlas, jute, kokos en hennep. Natuurlijke vezels vergen minder energie om te produceren en minder chemicaliën om te hechten zich aan de hars. Natuurlijke vezels zijn meestal lichter dan glasvezel, wat bij toepassingen in bijvoorbeeld treinen of auto’s aanzienlijke besparingen in brandstof en CO2-uitstoot oplevert. Daarnaast produceert NPSP

Milieu voordelen

Het unieke van de Nabasco producten is hun lage impact op het milieu. Dit komt door: • De zeer lage hoeveelheid (zonne) energie om de vezels te produceren in tegenstelling tot de energie-intensieve processen voor glasvezel en met name koolstofvezel • Het vermijden van gebruik van chemische middelen om de vezels te etsen om ze beter te laten hechten aan de hars • De zeer lage uitstoot van styreen (95% lager) bij het uitharden van de hars met het dubbele malprocédé • Het herbruikbaar-zijn of verbrandbaarzijn na de gebruiksfase van de producten. Dit in tegenstelling tot glasvezelcomposieten waarmee na de gebruiksfase weinig kan worden gedaan door het vigerende Europese stortverbod en het verstoppen van de ovens indien er glasvezelcomposieten worden verbrand.


Afbeelding 1-8

haar producten op een duurzame wijze door voor 100% gebruik te maken van groene stroom. Natuurlijke vezelversterkte composieten kunnen na de gebruiksfase door verbranding in groene stroom worden omgezet.

10

Met natuurlijke vezels versterkte kunststoffen kunnen dezelfde mechanische eigenschappen als glasvezel versterkte kunststof worden behaald, terwijl het gewicht tot 10% lager kan zijn. Er wordt een hogere stijfheid behaald, omdat er met natuurlijke vezels dikker gebouwd wordt (bij gelijkblijvend gewicht). Naast de hogere stijfheid zijn het de akoestische en elektromagnetische en vooral de esthetische eigenschappen die het materiaal bijzonder maken.

Een dagje NPSP

Met enige voorkennis vertrokken wij op dinsdag 16 december met onze hele groep naar het bedrijf NPSP in Haarlem om daar het productieproces ‘vacuum assisted resin transfer molding’, (VA-RTM), van dichtbij te kunnen bekijken. Tijdens een gastcollege een week eerder hadden wij van een werknemer van NPSP de basis van dit productieproces al uitgelegd gekregen. Wat ons zeer aansprak tijdens dit college was de nadruk op Nabasco®, een natuurlijk composiet. Wij hadden als product een kajak gekozen en vonden deze natuurlijke vezels hier perfect bij aansluiten.


Technische voordeel

Bij NPSP aangekomen kregen we eerst een PowerPoint presentatie te zien over NPSP, VA-RTM en de eigenschappen van een composiet. Een deel van de vragen die wij van te voren hadden opgesteld, werden hier al beantwoord. Ook ‘vooroordelen’ die over het proces bestaan, bleken niet waar te zijn. Vervolgens mochten we de grote ruimte in waar alles gebeurde. Wat ons meteen opviel was de indeling van deze ruimte; wij hadden verwacht dat het proces hier gestructureerd ingedeeld zou zijn, maar dit bleek niet zo te zijn. Op voor ons ‘willekeurige’ plekken in de ruimte werden verschillende stappen van

11

Producten die op het moment dat wij NPSP bezochten daar geproduceerd werden, zijn onder andere:

Fietspaddenstoel

Op initiatief van NPSP kiest de ANWB er voor om de ‘oude’ fietspaddenstoelen te vervangen door milieuvriendelijker exemplaren. De nieuwe paddestoelen, afbeelding 1-9, worden vervaardigd met natuurvezels. Volgens de Life Cycle Analysis (LCA) methode levert dit een milieubesparing op van 40%. Door het dubbele mal procedé zijn de nieuwe paddenstoelen ook nog eens aanzienlijk fraaier en sterker dan hun voorganger. De productie vindt plaats in gesloten malsysteem (VA-RTM), aangesloten op actieve koolfilters, waardoor de uitstoot van styreen tot een minimum beperkt wordt. Materiaal: vlas- en hennepvezels in combinatie met polyesterhars. Oplage: 300-400 per jaar

Afbeelding 1-9


het productieproces voor verschillende producten toegepast. Wel was er een aparte ruimte waar afwerking en handlaminatie werd gedaan. Ook hadden wij niet verwacht dat er zo veel met de hand zou worden gedaan. Als in een stoffenwinkel lagen de rollen vezels opgestapeld. Voor de productie van een product wordt eerst het juiste materiaal gekozen, deze wordt handmatig uit de rol geknipt en vervolgens met de hand in de mal verdeeld. Daarnaast moet het product gedurende het proces van de ene plek naar de andere plek worden gebracht. VA-RTM is dus een zeer arbeidsintensief productieproces, waarbij naast de prijs van de mal, arbeidskosten een van de meest bepalende kosten zijn.

12

De nieuwe neuzen voor Nedtrain, afbeelding 1-10, worden gemaakt van een sandwich van glasvezel-schuimglasvezel, dat lichter en goedkoper is dan de voorheen deels stalen neuzen. Ontwerp en productietechniek zorgen voor besparingen in installatiekosten, energieverbruik, CO2-uitstoot en onderhoud. De bevestigingspunten zijn in de mal opgenomen, waardoor de toleranties op de verbindingen wordt gewaarborgd. Behalve sterk en stijf is de nieuwe neus bestand tegen alle weersinvloeden. Doordat er wordt gewerkt met meerder mallen, kunnen meerdere panelen tegelijk worden gerealiseerd.

Afbeelding 1-10


Sluitplaat treinstel

13

De functie-kwaliteit-kosten driehoek wordt bekeken vanuit zowel product als proces. Afbeelding 2-1 laat de driehoek zien.

Functie

Welke productvormen en -groottes kan het proces realiseren, welke materialen kan het verwerken? Welke seriegroottes zijn haalbaar, welke kleuren en grafieken, welke textuur en uitstraling?

Productvormen en – groottes

Afbeelding 2-1

Het proces VA-RTM kan producten in een grote variatie aan vormen produceren. Zolang de vorm lossend is – zodat de mal nogmaals gebruikt kan worden – is de vorm mogelijk. Wat betreft de groottes is er ook veel mogelijk. Het proces laat toe grote en kleine afgietsels te produceren. Eventueel kunnen meerdere mallen op elkaar worden afgestemd om een groter product te realiseren. Als een product zijn stijfheid dreigt te verliezen, wordt er soms een ‘sandwichpaneel’ toegevoegd: een dun laagje van een licht materiaal, waartussen de hars zich verspreid zodat de dikte, en daarmee de stijfheid toeneemt.


2 Productiedriehoek

Materialen

VARTM maakt gebruik van composieten; verschillende componeneten vormen samen het materiaal. In principe kunnen alle soorten vezels en harsen worden gebruikt om een goede composiet te maken. Maar bij dit proces worden voornamelijk natuurlijke composieten

14

Seriegroottes

Het proces is niet geautomatiseerd. Veel stappen binnen het proces gebeuren handmatig. De seriegroottes zijn dus niet heel erg groot. De productiesnelheid is afhankelijk van het aantal mallen, het materiaal van de mal, de afkoelsnelheid van de composiet en de grootte van het product. Voor de kajak verwachten we een afname van 200 stuks per jaar. De kajaksport is op professioneel gebied binnen Nederland niet erg groot. Het aantal professionele beoefenaars is beperkt.

Kleuren, grafieken, textuur en uitstraling

Het is mogelijk om het product een kleur te geven tijdens het proces. Voordat de composiet de mal in gaat, wordt de mal gevuld met een speciale coating. Dit dunne verflaagje hecht zich aan de composiet. Hierbij zijn alleen grotere oppverlakken mogelijk en kleinere grafieken zijn niet op deze manier te maken. Wel kan het product later nog bewerkt worden met verf of stickers. Het is ook mogelijk om de hars – afhankelijk van het soort hars – doorzichtig te laten, zodat de vezels ook zichtbaar blijven. Aan deze textuur is duidelijk op te merken dat de composieten zijn opgebouwd uit natuurlijke componenten. De kajak kan het beste een kleur hebben. Tijdens de sport is het belangrijk dat de bestuurder van de kajak ziet waar de boot in het water ligt en of hij niet te dicht op rotsen stuurt. Indien de kajak teveel de kleuren van de natuurlijke omgeving heeft, kan het tijdens ruwe momenten goed misgaan tijdens het wedstrijdkajakken. Voor het vergaren van sponsoring is het ook belangrijk dat de boot een nette en strakke uitstraling heeft. De sponsor wil met zijn stickers goed uit de verf komen.


gebruikt, dat wil zeggen natuurlijke vezels en harsen. Met de vele verschillende soorten vezels die er bij het bedrijf aanwezig zijn kunnen verschillende maten van hard- en stijfheid bereikt worden. Bovendien kan een sandwichpaneel worden toegevoegd om de kajak stijver te maken. Wedstrijdkajakken is een sport in de natuur. De beoefenaars van deze sport zullen dan ook natuurliefhebbers zijn. Het feit dat hun kajak opgebouwd wordt door natuurlijke composieten, past goed bij dit beeld.

15

Wat bepaalt de stuksprijs van een product dat met dit proces wordt geproduceerd, wat bepaalt de investeringen? Welke doorlooptijd heeft het proces, zowel in productie (van belang voor de seriegrootte!) als in de ontwikkeling? Welke veiligheidsaspecten zijn er en wat is de druk op het leefmilieu?

Seriegrootte

Er zijn bepaalde kosten die over de gehele serie worden verdeeld. Zo worden de kosten van het maken van het model en vervolgens de kosten van de productie van de mal over de gehele serie verdeeld. Hoe groter de serie hoe goedkoper het model en de mal worden per product. Bij een kleine serie wordt het model en de mal dus relatief duurder. Er komt hierbij ook nog kijken hoe nauwkeurig het model en de mal zijn gemaakt. Als een model en dus de mal onnauwkeurig zijn is er veel afwerking aan het product nodig. Hoe groter de serie is hoe tijdsintensiever en duurder het wordt. Bij een grote serie wordt er daarom meestal wat meer tijd en geld gestoken in het maken van het model en de mal zodat er nauwlijks afwerking nodig is. Bij een kleine serie wordt meestal weinig tijd gestoken in het maken van het model en de mal en wordt het product perfect gemaakt met de afwerking.

Matriaal

Voor de basis van het maken van vezel versterkte composieten heb je vezels en hars nodig. Er zijn veel verschillende soorten vezels en hars die allemaal verschillende prijzen en eigenschappen hebben. Bij vezels is de manier waarop het geweven is erg van belang. Zo kunnen de matten ‘Random’ (afbeelding 2-2) zijn, waarbij de vezels kriskras door elkaar liggen. Dit is de goedkoopste variant maar ook de minst sterke, omdat de vezels gemakkelijk uit elkaar te trekken zijn.


Kosten

Afbeelding 2-2

De tweede optie is ‘Uni-directional’matten, afbeelding 2-3, waarbij de vezels allemaal indezelfde richting liggen en worden verbonden door een aantal vezels die daar dwars op geweven zijn. Deze zijn iets duurder.

16

Afbeelding 2-3

De duurste en tevens sterkste matten zijn ‘Cross ply’ matten, zie afbeelding 2-4, waarbij komt kijken hoe dichter en strakker vezels geweven worden, hoe hoger de prijs. Dus hoe kleiner of fijner het vlechtwerk hoe duurder de mat. Een strakkere mat heeft als voordeel dat het oppervlak gladder wordt. Ook het type hars brengt kosten met zich mee. De ene hars is harder dan een andere soort. Bij een product waarvan er een hoge oppervlakte kwaliteit verwacht wordt, bijvoorbeel glad en krasbestendig, worden duurdere harsen gebruikt. Hierbij zijn hoeken een zwak punt omdat de vezel matten niet helemaal tot in de hoeken komen en deze dus gevuld worden met hars, zonder dat ze goed met vezels versterkt worden.

Afbeelding 2-4

De cyclustijd en het aantal manuren die daarvoor nodig zijn, hebben natuurlijk ook invloed op de kosten. Bij een groot of ingewikkeld product kost het meer tijd om de matten op maat te knippen. Als het een grootte serie is dan kan het knippen ook deels worden overgenomen door een stans. Hiervoor moet er wel een stans gemaakt worden, maar bij een grote serie worden deze kosten gecompenseerd met de arbeidskosten. Ook de uithardtijd heeft invloed op het aantal manuren en de productietijd. Het duurt ongeveer twee weken voordat een product geheel gedroogd is. Bij een grootte serie is dit niet altijd gewenst, omdat de gehele productietijd dan erg lang wordt. Dit probleem kan worden opgelost door gebruik te maken van meerdere ondermallen. De producten kunnen dan uitharden op de ondermal, ondertussen kan met een andere ondermal een nieuw product worden geproduceerd.


Productietijd en Arbeidsuren

Inserts

Bij het produceren van grote series is het soms gewenst om de mal zo aan te passen dat er latere handelingen in de mal al verwerkt zijn. Zo kunnen bevestigings gaatjes al in de mal verwerkt worden zodat er naderhand geen gaatjes meer geboord hoeven te worden. Ook andere delen van het uiteindelijke product kunnen

17

Afbeelding 2-5

Milieu en veiligheid

Producten gemaakt van composieten hebben over het algemeen een lange levens- en gebruiksduur. Tijdens de productie van composietproducten worden echter twee totaal verschillende materialen, vezel en hars, stevig met elkaar verbonden. Dit zorgt ervoor dat recycling tot nog toe beperkt mogelijk is. Wanneer producten gemaakt worden van biologische materialen (bijvoorbeeld natuurvezels) kunnen deze producten na de gebruiksfase als biomassa worden verwerkt. Daarnaast is het zo dat wanneer geproduceerd wordt in gesloten malsystemen, de uitstoot van oplosmiddelen met 95% wordt verlaagd.

Vergeleken met andere kunststoffen zijn producten gemaakt van een composietmateriaal relatief goed bestand tegen UV-belasting. Om verkleuring te voorkomen moeten wel bepaalde maatregelen getroffen worden. Welke maatregelen dit zijn, hangt af van de gebruikte hars: door de mogelijkheid om verschillende UV-werende toevoegingen toe te passen, kunnen producten van composietmateriaal goed in de buitenlucht worden gebruikt. Dit komt goed van pas bij onze kajak. Het hangt af van de soort hars en de soort vezel, hoe brandveilig een product is. Er zijn meerdere opties voor toevoegingen mogelijk om de brandveiligheid te vergroten.


worden mee gegoten zodat deze niet later nog aan de composiet bevestigd hoeven te worden. Voorbeelden hiervan zijn LEDjes en scharnieren. Afbeelding 2-5 laat een voorbeeld zien van zo’n insert.

Extra’s

Om bepaalde wensen te vervullen zijn er nog extra mogelijkheden bij het gieten. Bijvoorbeeld de eerder genoemde gelcoats. De kosten gaan dan niet alleen in de aanschaf van de gelcoat zitten, maar ook in de arbeidsuren. Bij producten met een dikke wand kan het product zwaar worden, als dit ongewenst is, kan er gebruik gemaakt worden van sandwichmateriaal zoals balsahout. Dit is een licht opvulmatriaal. Kosten gaan in de aanschaf van het matriaal liggen, omdat er in een sandwichpaneel minder hars en vezels

18

Kwaliteit

Welke (maat)toleranties zijn haalbaar, welke ruwheid? Is het product homogeen en stabiel, d.w.z. houdt het ook op langere tijd zijn vorm? Welk niveau van afwerking is mogelijk met dit proces?

Tolerantie

Op een aantal plaatsen van onderdelen is de tolerantie van het product belangrijk. Dit is vooral het geval waar de twee delen van de kajak in elkaar gezet worden, bij de verbinding. Op deze manier verkrijgt de kajak zijn stijfheid. De tolerantie van het deel waar de onder- en de bovenkant op elkaar moeten aansluiten moet hoog zijn. Met VA-RTM is dit mogelijk. Er is hoge mate van tolerantie +/- 0,5mm. De krimp van een composiet is nihil.


gebruikt worden en het transport wordt minder zwaar en dus goedkoper. Om een bepaalde sfeer van het product te creëren zijn er ook nog mogelijkheden om vezels te kleuren, stof met een print of aluminium voor een diepte effect mee te gieten. Er moet dan rekening worden gehouden met extra kosten voor materiaal en manuren.

Ruwheid

De onderkant van een kajak moet een lage ruwheid hebben, zodat de kajak zo min mogelijk wrijving heeft met het water. De ruwheid van het product wordt bepaald door de ruwheid van de mal. Met een aluminium mal is een lagere ruwheid te behalen dan mallen die van een composiet gemaakt zijn. Mallen van aluminium zijn wel duurder, maar gaan ook langer mee.

19

Composieten hebben over het algemeen een zeer lange levens- en gebruiksduur. In de composieten waarmee NPSP werkt zit een thermoharder, de hardheid van het product is dus zeer hoog. Door het gebruik van speciale harsen en nabewerking van producten, kan de hardheid nog verder worden verhoogd. Ook kunnen de meeste composieten veel energie opnemen en zijn daarmee zeer slagvast en impactbestendig. Composieten zijn relatief goed bestand tegen UV-belasting vergeleken met andere kunststoffen en ze kunnen goed tegen vocht. Het product zal zeker lange tijd zijn vorm behouden. Het product bestaat uit een vezel en een hars, wanneer de vezelmat gelijkmatig in de mal verdeeld is, zal het product homogeen zijn. Er treedt bij de composieten nauwelijks krimp op, daardoor kan er ook gezegd worden dat het product stabiel is.


Homogeen en stabiel

Afwerking

De mallen sluiten nooit geheel op elkaar aan, waardoor tijdens het productieproces hier hars instroomt. Wanneer het product uit de mal gehaald wordt, zal er dus een klein randje om het product zitten, deze wordt er afgezaagd en vervolgens netjes afgewerkt.

20

Dit deel van het verslag betreft het ontwerpen van de kajak. Hierbij maken wij gebruik van een bestaande kajak en diens afmetingen. Verder gaan we in dit hoofdstuk in op het krachtenspel op de kajak, geschikte materialen, het maken van de mallen en uiteindelijk een kostenplaatje van het geheel.

Afbeelding 3-1

Ontwerp

Als model voor de kajak hebben we een bestaand ontwerp genomen. Namelijk de ‘Freestyle Project52’ van het merk ‘Wavesport’, zie afbeelding 3-1 en 3-2.

Project52

De Project52 is een hedendaagse wedstrijdkajak. Het bedrijf Wavesport is gespecialiseerd in het produceren van kajaks. Deze kajak hadden wij ook tot onze beschikking tijdens de opdracht. Daardoor konden we ons verdiepen in het materiaal, productietechnieken en andere specifieke kenmerken van de kajak.


3 Ontwerpfase

De Project52 wordt gemaakt door middel van rotatiegieten. De kajak wordt in een keer gegoten. Het materiaal dat hiervoor wordt gebruikt is Polyethyleen, PE. Dit kunststof is een thermoplast, het is vervormbaar bij verwarmen.

Ontwerp Afbeelding 3-2

Voor onze eigen kajak hebben we de afmetingen van de Project52 gebruikt. Van daaruit hebben we tekeningen en doorsnedes kunnen maken, afbeeldingen 3-3 en 3-4, die ons meer inzicht konden geven in de productie van een kajak.

21

Afbeelding 3-3

Afbeelding 3-4

22


Belasting op een kajak

De kajak is gemaakt van een composiet, welke heel stijf en sterk zijn, dit komt vooral door de vezels. De vezels hebben een treksterkte tussen de 250-4800 MPa. Dit vergeleken met de treksterkte van HSLA staal die een treksterkte heeft tussen de 600-1000 MPa.

Afbeelding 3-5

Maar in een composiet kunnen de vezels niet zonder de kunststof. De hars is nodig om de vezels op hun plaats te houden en om de belastingen in te leiden. In het algemeen wordt bij VARTM producten zo’n 50% van het volume van een composiet door de hars ingenomen. De hars zorgt voor een lagere sterkte en stijfheid van het composiet, hars heeft namelijk een treksterkte tussen de 50-70MPa. Ook geldt dat de treksterkte van de vezels alleen gelden in de langsrichting. Dwars op de vezels moet

de hars vrijwel alle belastingen opvangen. Er moet dus goed gekeken worden uit welke richting de belastingen komen en de vezels moeten in die richting gelegd worden om de belastingen op te vangen. Zoals in afbeelding XIII goed te zien is, zijn er verschillende vezelmatten. Wanneer de belasting uit één richting komt, kan de belasting gemakkelijk opgevangen worden door alle vezels in die richting te leggen, dit is de unidirectioneel mat. Bij meerassige belastingen moeten de vezels verdeeld worden over de verschillende richtingen, de ‘cross ply’ mat. Ook is er nog de random mat, hier liggen de vezels allerlei kanten op. De kajak wordt door verschillende zaken belast, het wordt door de persoon belast die in de kajak zit (afbeelding XIV), door de druk van het water en door de golven.


Krachtenspel

De kajakker

De persoon die in de kajak zit, zit in het midden van de kajak. In het midden wordt dus een grote kracht uitgeoefend. Hierdoor wordt de aan de onderkant op trek belast en aan de bovenkant van de kajak op druk. Deze belasting kan goed opgevangen worden door de vezels in de lengterichting van de kajak te leggen.

Afbeelding 3-6

23

Afbeelding 3-7

Ook wordt de kajak enigszins in de dwarsrichting belast door buiging. Om deze belasting op te vangen moeten er vezels in de dwarsrichting gelegd worden. Al met al moet er een ‘cross ply’ mat gebruikt worden om de belasting, die veroorzaakt wordt door de persoon die in de kajak zit, op te vangen.

Druk van het water

Een kajak in het water vaart vooruit. De voorkant van de kajak duwt het water aan de voorkant weg, het water drukt hierdoor tegen de kajak aan. Deze tegendruk kan opgevangen worden door

Afbeelding 3-8

Golven

Golven zorgen ervoor dat de kajak belast wordt door torsie. Wanneer en golven tegen de zijkant van de kajak aanslaan, zoals in het plaatje hiernaast goed te zien is, ‘draait’ de kajak. Deze belasting kan opgevangen worden door vezels in de lengterichting te leggen. Doordat er vezels in de lengterichting liggen met een hoge treksterkte kan de kajak niet makkelijk ‘draaien’.

Afbeelding 3-9


vezels in de lengterichting. De zijkant van de kajak duwt ook water weg, en de tegendruk die het water aan de zijkant geeft kan opgevangen worden door vezels in de dwarsrichting te leggen. Dus ook hier is een ‘cross ply’ mat een juiste vezelmat op de belasting, veroorzaakt door het water, op te vangen.

24

Belasting op de naad van de kajak

Afbeelding 3-10

Een kajak bestaat uit twee delen die op elkaar gezet moeten, de kajak is in tweeën gedeeld in de lengterichting. Er is een onderkant en een bovenkant die dan op elkaar gezet moeten worden. Op de naad die dan ontstaat komen ook veel belastingen te staan.

het onderdeel. Voor het onderste deel van de kajak geldt dus een drukbelasting waar de twee onderdelen op elkaar worden gezet. Deze drukbelasting kan opgevangen worden door vezels in de lengterichting. Op het bovenste deel van de kajak wordt geen kracht uitgeoefend door het gewicht van de persoon, hierdoor ontstaan geen druk- of trekbelastingen. Het onderste deel levert een drukbelasting op de verbinding tussen de onderdelen en als reactie levert het bovenste deel een trekbelasting op deze verbinding. De persoon die in de kajak zit levert dus alleen een belasting op het onderste deel van de kajak. Hij levert een grote neerwaartse kracht waardoor de onderkant van de kajak naar beneden wordt gedrukt. Het bovenste deel van de kajak blijft erop zitten door de zwaartekracht. Wanneer de kajak heftig op golven heen en weer beweegt, ontstaan er ook trekkrachten op de naad. Daarom moeten de onderdelen stevig aan elkaar vastzitten.


Al met al kan er geconcludeerd worden dat een ‘cross ply’ mat een juiste vezelmat is om alle belastingen die op de kajak werken op te vangen.

De kajakker

Zoals hierboven al vermeld, zorgt het gewicht van de persoon die in de kajak zit voor een trekbelasting aan de onderkant en drukbelasting aan de bovenkant van

Afbeelding 3-11

25

Door de druk van het water wordt zowel de onderkant als de bovenkast belast. Op de verbinding tussen beide onderdelen heeft dit dus geen speciale gevolgen waar wij tijdens de ontwerpfase rekening mee moeten houden.

Golven

De golven zorgen ervoor dat de kajak belast wordt op torsie. Door de torsie ontstaan er verschuivingen op de deelnaad ten opzichte van de twee onderdelen. De verbinding moet deze verschuiving dus verhinderen.

Afbeelding 3-12

Afbeelding 3-13

De verbinding

De verbinding tussen de boven- en onderkant van de kajak moet sterk zijn, omdat alle bovengenoemde belastingen op te vangen. We hebben verschillende verbindingsconcepten ontworpen, die wij hieronder nader zullen toelichten.

Verbindingsprincipe 1 Zoals in onderstaand plaatje goed te zien is, wordt het bovenste deel op het onderste deel geschoven. Deze verbinding wordt vastgemaakt met lijm. Om het raakvlaak te vergroten zijn de randen schuin afgevlakt, zodat het lijmoppervlakte groter wordt en de verbinding dus sterker. Nadeel van deze verbinding is dat de vezel niet tot in de punten van de rand kan komen, waardoor hier alleen maar hars zit en dit de verbinding minder sterk maakt (zie afbeelding 3-13). De bovenkant schuift in de onderkant, omdat vooral de onderkant belast wordt door de druk van het water. Op deze manier drukt de onderkant dus tegen de bovenkant aan.


Druk van het water

26

Dit verbindingsprincipe is redelijk vergelijkbaar met verbindingsprincipe 1, ook bij dit principe wordt gebruik gemaakt van lijmen, maar het voordeel van dit principe is dat hier het wel mogelijk is de vezels tot in de punten te laten reiken. Daardoor is deze verbinding een stuk sterker. Naast het lijmen kan deze verbinding ook nog verstevigd worden door middel van een popnagel. Ook in dit geval is gekozen voor soortgelijke positionering van ‘uitstekende’ delen, door de druk van het water.

Verbindingsprincipe 3 Dit verbindingsprincipe heeft ten aanzien van verbindingsprincipe 3 het voordeel dat de onderkant en de bovenkant in de dwarsrichting niet van elkaar kunnen bewegen. Ook hier kan de verbinding door middel van een popnagel worden versterkt. Een afweging die je bij dit principe moet maken is hoe dik de boot maximaal mag worden. Om de verbinding sterk te maken, is het gunstig dat de vezels tot in de punten zitten. Het snijden van deze dunne reepjes vezel kan echter maar tot een bepaalde dikte. Om ervoor te zorgen dat de toleranties niet heel hoog hoeven te zijn bij de

verbinding tussen de twee onderdelen, kan er gebruik worden gemaakt van rubber. Hierdoor wordt de verbinding in ieder geval nauwsluitend. Bij het VA-RTM proces zijn zonder veel problemen en hoge kosten hoge toleranties mogelijk en is zojuist genoemde mogelijkheid van het gebruik van rubber niet nodig.

Verbindingsprincipe 4 Dit verbindingsprincipe is redelijk vergelijkbaar met 1 en 2, maar bij dit verbindingsprincipe is rekening gehouden met de dikte van het materiaal. Een composiet heeft de minimale dikte van 5 mm, wanneer je kiest voor de voorgaande verbindingsprincipes wordt de dikte van de boot minstens 10 mm. Om de verbinding mooi af te werken is het buitenste deel afgerond, hier zit alleen hars. Waar de sterkte van de verbinding van belang is zitten de vezels. Nadeel van dit principe is dat je een randje krijgt dat een beetje uitsteekt aan de buitenkant van de boot.


Verbindingsprincipe 2

Verbindingsprincipe 5 Het verschil tussen verbindingsprincipe 4 en 5 is de plaatsing van de ‘verstevigingswand’. Bij verbindingsprincipe 4 zit deze aan de onderkant van de kajak en bij principe 5 aan de bovenkant. Bij beide principes is

27

Om ervoor te zorgen dat de toleranties niet heel hoog hoeven te zijn bij de verbinding tussen de twee onderdelen, kan er gebruik worden gemaakt van rubber. Hierdoor wordt de verbinding in ieder geval nauwsluitend. Bij het VA-RTM proces zijn zonder veel problemen en hoge kosten hoge toleranties mogelijk en is zojuist genoemde mogelijkheid van het gebruik van rubber niet nodig.

Conclusie

Wij hebben uiteindelijk gekozen voor verbindingsprincipe 5. Bepalend voor deze beslissing is de wanddikte van de kajak. Een belangrijke eis van de kajak is dat hij licht is. Om dit te realiseren wil je dus een zo dun mogelijke wanddikte. Naast het feit dat een kajak bij een dunnere wanddikte lichter wordt, wordt hij ook veel goedkoper. De wanddikte bij verbindingsprincipe 4 en 5 is zeker twee keer zo klein als bij de andere principes. Alleen bij de verbinding zelf hebben wij een verdikking ontworpen, zodat de verbinding sterk genoeg is om alle krachten op te vangen. Wij verwachten dat deze verbinding sterk genoeg is om dit daadwerkelijk te realiseren. Het voordeel van verbindingsprincipe 5 ten opzichte van principe 4 is de positionering van deze verstevigingswand. In principe 5 zit deze aan de binnenkant, terwijl hij bij principe 4 aan de buitenkant zit.


rekening gehouden met de druk van het water, die voornamelijk op de onderkant van de boot werkt. Dit is de rede dat bij principe 4 de verstevigingswand aan de buitenkant van de boot is geplaatst en bij 5 aan de binnenkant. Het voordeel van verbindingsprincipe 5 is dus dat je het uitstekende randje (dat ontstaat door de extra wand) niet hoeft weg te werken, omdat deze in dit principe aan de binnenkant zit.

28

NPSP produceert producten met natuurlijke composieten. In de natuurlijke composieten zitten natuurlijke vezels, maar nog geen natuurlijke harsen. NPSP is hier al wel mee aan het experimenteren. Wij zullen de kajak wel produceren met een natuurlijke vezel, maar nog niet met een natuurlijk hars, omdat hier nog te weinig over bekend is. Het maken van de kajak met een natuurlijk vezel, is beter voor het milieu en duurzamer. De treksterkte van natuurlijk vezel is wel veel lager dan glasvezel. De kajak die wij als voorbeeld hebben genomen is geproduceerd van polyethyleen. PE heeft een treksterkte van 32.75 MPa. Wanneer je de kajak produceert met hennep en epoxyhars, dan wordt de treksterkte 0.5*300+0.5*70=185MPa, hierbij is de treksterkte nog vele malen hoger dan PE. Wat wel geconcludeerd kan worden, is dat de breukrek veel lager is dan die van PE. PE kan veel meer rekken Materiaal Polyethyleen (PE) Vlas Hennep Epoxyhars Polyesterhars

Treksterkte (MPa) 32,75 244 300 70 50

dan het composiet dat uit hennep en epoxyhars bestaat. Dit komt omdat PE een thermoplast is en in de epoxyhars zit een thermoharder. Uit deze tabel is te concluderen dat een composiet voor een wedstrijdkajak niet het ideale materiaal is. Een wedstrijdkajak botst vaak tegen allerlei dingen op, zoals rotsen, en wordt daarom geproduceerd mt een thermoplast.Een thermoplast heeft een heel grote breukrek en kan botsingen goed opvangen. Een composiet is heel sterk en stijf, en gaat heel lang mee. Een composiet is gemaakt met een thermoharder, hierdoor is het minder geschikt voor het opvangen van de botsingen. Wanneer de kajak tegen rotsen en dergelijke zal aanbotsen, zal de kajak snel breuken vertonen. Ook is uit de tabel op te maken dat het gewicht van de kajak zo’n 25% hoger zal liggen dan de voorbeeldkajak. Een optimale wedstrijdkajak is echter licht, zodat de persoon in de kajak de kajak makkelijk kan besturen en goed

E-modulus (GPa) 0,758 5,7 6,5 3,2 1,5

Dichtheid (kg/dm3) 0,96 1,48 1,5 1,00-1,15 1,0


Materiaal

Breukrek (%) 200-800 0 0 5-7 2-4

29

Herziening ontwerpdoel

Aangezien binnen dit project het bedrijf en daarmee de productiemethode en het materiaal niet variabel zijn, is het nodig de keus voor het ontwerpen van een wedstrijdkajak nog eens te herzien. Het ontwerpen en produceren van een recreatiekajak met het gekozen materiaal en productiemethode leek ons meer geschikt. Een recreatiekajak wordt op een andere manier gebruikt dan een wedstrijdkajak. Ten eerste maakt de inzittende tijdens recreatiekajakken een rustigere tocht dan tijdens wedstrijdkajakken en hoeft de boot dus minder heftige vormveranderingen te ondergaan als gevolg van botsingen en dergelijke. Ten tweede is het bij recreatiekajakken ook niet nodig dat de kajak heel licht is, aangezien er niet zulke scherpe bochten gemaakt hoeven te worden waardoor een grote wendbaarheid vereist zou zijn. En ten derde is de duurzaamheid bij recreatiekajakken wel belangrijk. Met de productiemethode

VA-RTM is het mogelijk producten zo te produceren dat de vezels na afloop te zien zijn. Hiervoor wordt een hars gebruikt waar geen pigment inzit en er wordt van te voren geen (gekleurde) gel-coat in de mal aangebracht. Wanneer de vezels bij het product te zien zijn, geeft dit het product een heel natuurlijke uitstraling. Een dergelijke uitstraling past goed bij producten zoals recreatiekajakken die in natuurrijke gebieden gebruikt worden.


wendbaar is. Ook wordt de duurzaamheid van het materiaal nu niet optimaal benut, wedstrijdkajakken ontwikkelen heel snel en elk jaar zijn er wel nieuwe modellen. Wanneer de kajak van het natuurlijk composiet wordt gemaakt, wordt het duurzame voordeel niet benut.

Afbeelding 3-14

Wedstrijdkajakkers zullen niet zoveel geven om een natuurlijke uitstraling van hun kajak. Zij willen een kajak die snel is, een snelle uitstraling creëer je door de boot een felle kleur en een gestroomlijnde vorm te geven, niet door natuurlijke vezels te tonen. Natuurliefhebbers daarentegen zullen het juist kunnen waarderen wanneer producten, gebruikt in de natuur, ‘één’ lijken met de natuur, zoals bijvoorbeeld in afbeelding 3-14. Voor het verdere proces hebben

30

Mallen

De mal wordt bij NPSP zelf gemaakt. Van het product dat geproduceerd moet worden, wordt eerst een model gemaakt van MDF of schuim. Het maken van een model doet NPSP niet zelf, maar wordt uitbesteed. Hoe fijn het model is afgewerkt is van belang voor de ruwheid van de mal. MDF is een harder materiaal dan schuim en fijner afgewerkt worden. Nu het gaat om een recreatiekajak is de gladheid van de onderkant van minder groot belang. Het model zal nog steefs fijn afgewerkt moeten worden, maar in zekere mate. Nadat het model gemaakt is wordt bij NPSP de mal gemaakt. De mallen worden ook gemaakt van een composiet. Dit gebeurt met handlamineren. Op het model worden vezelmatten gelegd en met een soort van verfroller wordt de hars erin gerold. Dit moet uitharden en wanneer het droog is kan het model eruit gehaald worden. Nu heb je de mal. De mallen worden op het deelvlak voorzien van een rubberen strip, zodat de mallen goed op elkaar passen en luchtdicht zijn. Dat de mal luchtdicht is, is van belang voor het vacuüm trekken van de mal. Voor het maken van de kajak hebben we gekozen voor verbindingsprincipe 5, afbeelding 3-15. Aan de hand van dit verbindingsprincipe hebben we de mal ontworpen.


we dus besloten verder te gaan met een recreatiekajak. Deze kajak zal geproduceerd worden van hennep met epoxyhars. Epoxyhars is net iets minder ‘hard’ dan polyesterhars, wanneer de boot botst tegen de kant breekt het minder snel. Hennep heeft een hogere treksterkte dan vlas, en om alle belastingen op te vangen is het dus voordeliger om voor hennep te kiezen. Om het niet te gecompliceerd en onhaalbaar te maken binnen de tijd die er voor dit vak staat, is ervoor gekozen de vorm van de recreatiekajak hetzelfde te laten als de vorm die we voor de wedstrijdkajak bedacht hadden. Naast dezelfde vorm streven we ook naar hetzelfde volume, dus dezelfde wanddiktes, voor de recreatiekajak. Het zal nog blijken of dit mogelijk is met het materiaal Nabasco. Zoals hierboven al genoemd zal het gewicht wel variëren.

31

In afbeelding 3-16 in de bovenmal van de bovenkant van de kajak weergegeven. In de bovenmal zit het verbindingsprincipe verwerkt. De oranje omlijning stelt de rubberen rand voor. Het rondje in het

Afbeelding 3-16


Afbeelding 3-15

midden is om een gat in de bovenkant te krijgen, zodat er een persoon in kan gaan zitten. De verhoging van het rondje is 5 mm, zodat de bovenmal van de onderkant er precies op aansluit en de wanddikte van de bovenkant van de kajak overal 5mm is, behalve dan bij het verbindingsprincipe. De groene stipjes zijn de aanspuitingen en de blauwe stipjes zijn de vacuümpompen. Op deze manier wordt de hars van de ene kant naar de andere kant getrokken en wordt de hele kajak gevuld. Omdat de afwerking de binnenkant van de kajak niet uitmaakt, zitten hier de aanspuitingen, afwerking is dus niet noodzakelijk.

32

In afbeelding 3-17 is de ondermal van de bovenkant weergegeven. Hierin wordt de bovenmal gelegd. In de ondermal zitten geen aanspuitingen en dergelijke, zodat de buitenkant van de kajak al gebruiksklaar is.

Afbeelding 3-18


Afbeelding 3-17

In afbeelding 3-18 is de bovenmal van de onderkant van de kajak te zien. Dit is eigenlijk hetzelfde principe als afbeelding 3-16, waar de oranje omlijning de rubberen rand voorstelt, die ervoor zorgt dat de mal luchtdicht blijft. De blauwe en de groene stip zijn respectievelijk ook weer de vacuümpomp en de aanspuiting. Deze zitten ook weer aan de binnenkant, omdat daar de afwerking niet belangrijk is.

33

Afbeelding 3-19

In afbeelding 3-19 is de ondermal van de onderkant van de kajak weergegeven, hierin wordt de bovenmal gelegd. In de ondermal zitten geen aanspuitingen en dergelijke, zodat de buitenkant van de kajak al gebruiksklaar is. De ruimte tussen de ondermal en de bovenmal is 5 mm, zodat de wanddikte van de kajak 5 mm wordt.

Wanneer de twee delen gegoten en uitgehard zijn, moeten ze nog enigszins afgewerkt worden. De rubberen rand zorgt ervoor dat er ruimte tussen de twee mallen blijft, daarom stroomt hier ook wat hars in. Er ontstaat dan een dunne uitstekende rand, en deze moet afgezaagd en daarna afgeschuurd worden. Hierna moeten de randen van de mallen gelijmd en op elkaar gezet worden. En om de verbinding te verstevigen worden er gaten in de rand van de kajak geboord, waar vervolgens popnagels ingezet worden.


Afwerking en assemblage

Afbeelding 3-20

34

Op afbeelding 3-22 is een mogelijk design voor de kajak weergegeven. In het ontwerp is gezocht naar combinatie tussen verschillende eigenschappen van de kajak en de recreatie kajakker. De kleur moet niet opvallen en één zijn met de natuur. De strepen staan voor de sportiviteit van de kajakker. Bovendien hebben deze strepen geen gelcoating zodat de textuur van de vezelmatten te zien is. Deze textuur laat zien dat de kajak van natuurlijk composiet is gemaakt en benadrukt nogmaals de kajakker’s liefde voor de natuur.

Afbeelding 3-22

Afbeelding 3-21


Design

35

Kostenplaatje

Bij het fabriceren van de kajak komen verschillende kosten kijken. In dit hoofdstuk proberen we een schatting te maken van de kosten voor de productie van de kajak.

Machinekosten

De machine die verantwoordelijk is voor het VA-RTM principe, is op iedere mal te zetten. Deze mal moet op zijn beurt zo ontworpen worden dat hij aansluit op de VA-RTM machine. De machinale bewerking gebeurd dus op standaard machines uit de werkplaats van NPSP. De machinekosten zijn afhankelijk van het gebruik van de machine. Er moet gekeken worden naar het aankoopbedrag en de levensduur van een dergelijke machine. In onderstaande tabel zijn de kosten te zien voor het gebruik van machine en werkplaats. Machine Aanschafprijs Financiële levensduur Rente Huisvestkosten Onderhoudskosten Energiekosten Gereedschap/ hulpmateriaal Hulpstoffen

VA-RTM

Jaarrente Huisvestinggrondslag, (per m2) Verzekeringen

12 % € 125,€ 0,00

Ook de omstandigheden spelen een rol bij het berekenen van de kosten voor de machine. Bovenstaande tabel geeft de juiste gegevens weer. Jaarlijkse vaste kosten Afschrijving Rente jaar 1 Huisvesting Onderhoud Energie Gereedschap/ hulpmateriaal Totaal

Per jaar € 5.000 € 320,€ 1875,€ 600,€ 500,-


Omstandigeden

0 € 5,295,-

Vervolgens kijken we naar de vaste kosten per jaar.

€ 10.000 5 jaar 3,2 % 15 m2 6,00 % 5,00 % 0,00 % 0

Wanneer we uitgaan van een nuttige gebruiksduur per jaar van 3120 uur (12 uur per dag, 5 dagen per week, 52 weken per jaar) komen de machine kosten uit op € 1,70 per uur. Dit terwijl de machine zelf per product geen uur nodig heeft. Deze kosten zijn zo laag dat ze verwaarloosbaar zijn. Vandaar dat de machinekosten van NPSP bij de malkosten zijn inbegrepen.

36

Voor het product moeten twee verschillende matrijzen worden ontworpen. Een voor de onderkant van de boot en een voor de bovenkant van de boot. Algemene matrijskosten Matrijs bodem Matrijs dek Totale kosten Kosten per kajak

1m

2

€ 3,000,-

4m 4 m2

€ 12,000,€ 12.000,-

2

€ 30,000,€ 120,-

Deze twee matrijzen zijn zeer groot. De boot zelf is namelijk al 1,86 meter lang. Dit vergroot de kosten van de mal. Voor een oplage van 200 stuks per jaar is geen aluminium matrijs nodig, maar een composiet matrijs. Met composieten matrijzen kunnen 200 stuks geproduceerd worden. Dit scheelt veel in kosten ten opzichte van een aluminium matrijs. De kosten van de matrijs is € 3000,- per m2. Dit zijn echter de kosten van alleen een onder- of bovenkant van de matrijs. De kosten van de mal van de onderkant van de boot zou dan bijvoorbeeld 4x3000 euro zijn, € 12.000,dus. Deze kosten zijn hetzelfde voor de bovenkant van de boot omdat die even lang is. Voor 200 kajaks zijn de matrijskosten en de machinekosten

2x12.000 euro, wat neerkomt op 24.000 euro. Per kajak is de prijs € 120,- aan matrijskosten. Het materiaal moet 2 uur uitharden in de onderkant van de matrijs. Daarna moet het nog eens 2 weken drogen voordat het echt uitgehard is. Het is niet noodzakelijk om meerdere ondermallen te hebben, wanneer we een productie van 200 kajaks per jaar willen bereiken.

Afwerking

De kajak zal nog een assemblage en nabewerking moeten ondergaan. De kosten hiervan zitten vooral in personeelskosten. Er zal vooral mankracht in worden gestoken om de onderdelen aan elkaar te maken en er zijn niet veel extra materiaalkosten. Per product zal ongeveer een uur tijd worden gestoken in de assemblage van de onderdelen.


Matrijskosten

Materiaal

De voorbeeldkajak is gemaakt van polyethyleen (PE). PE is een thermoplast. De kunststof is erg waterwerend, zowel voor zoet als voor zout water en wordt ook vaak gebruikt voor verpakkingsmaterialen van voedsel. Polyethyleen is gemakkelijk te gieten en fabriceren. Polyethyleen (PE) Dichtheid (kg/dm3) USD/kg

0,96 1,95

37

epoxyhars-composiet is: 1,37 kg/dm3 Deze dm3 van de hennep/epoxyharscomposiet kost: 2,63 $

14/0,96 = 14,6 dm

3

Voor de recreatiekajak gebruiken we een natuurlijk composiet. Het composiet is een mengsel van hennepvezels en epoxyhars. Dit materiaal is een heel duurzame thermoharder. Het volume van de kajak bestaat voor 50% uit hennep en voor 50 % uit epoxyhars. Hennep: 1 /2 dm3 = 1/2 * 1,48 = 0,74 kg 3,40 * 1,55 = 1,15 $

De minimale wanddikte bij het gebruik van een composiet is 5 mm. Van het huidige ontwerp is de wanddikte 3 mm. Het volume moet daarom worden vergroot en wel als volgt: 14,6 dm3 * 5/3 = 24,33 dm3

Hennep Dichtheid (kg/dm3) USD/kg

Met de volgende wisselkoers: 1 EUR = 1.295 USD, betaal je voor de hennep/epoxyhars-composiet € 2,03 per dm3.


Het is een goedkoop materiaal met vele mogelijkheden qua uitstraling, zoals kleur en textuur. Aangezien het ideale gewicht van de boot bekend is (14 kg) kunnen we uitrekenen wat het volume van het materiaal van de boot is.

1,48 1,55

De totale kosten voor het materiaal per kajak worden dan: 24,33 * 2,03 = € 49,39

Epoxyhars 1 /2 dm3 = 1/2 * 1,26 = 0,63 kg 0,63 * 2,35 = 1,48 $ Dus de dichtheid van de hennep/ Epoxyhars Dichtheid (kg/dm3) USD/kg

1,26 2,35

38

Met werkdagen van 8 uur zouden er 4 kajaks per dag gemaakt kunnen worden. Wanneer we hier vanuit gaan, zou er 50 dagen gewerkt moeten worden aan de productie van 200 kajaks. Er is één persoon nodig om de kajaks te maken. Voor de assemblage van de verschillende onderdelen zal ongeveer een uur nodig zijn. Dit betekend dat er nog eens 25 dagen nodig zijn om de onderdelen te assembleren.

Totaal

In onderstaande tabel staat de berekening van de totale kosten van de kajak.

Loon Brutoloon per jaar Overige werkgeverskosten Menskosten

€ 20.000 € 6,200,€ 26,200


Arbeid

Aantal werkuren 52 weken * 5 dagen Af; vakantie-, ADV- en feestdagen Af: ziekteverzuim

260 dagen 50 dagen 20 dagen Totale kosten per kajak

Werkdaagen per jaar Werkuren per dag Werkuren per jaar Werkuren kajak

190 dagen 8 uren 1520 uren 600 uur

Kosten Mensuurtarief Mensuurtarief met toeslagen Totale kosten Kosten per kajak

€ 17,€ 23,50 € 14,100,€ 70,50

Machinekosten Matrijskosten Arbeid Afwerking Materiaal Kosten per kajak

Inbegrepen matrijskosten € 120,€ 70,50 Inbegrepen arbeid € 49,39 € 239,89

39

Het bedrijf NPSP is een bedrijf waarin het goed mogelijk is om een kajak te maken met de gebruikte productiemethode. De productiemethode Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding biedt goede uitkomsten voor het produceren van een kajak. Hierin moet wel onderscheid gemaakt worden tussen een wedstrijdkajak en een recreatiekajak. We zijn begonnen met een ontwerp voor een wedstrijdkajak maar later overgestapt op het ontwerpen van een recreatiekajak. Gedurende het proces zijn we een aantal discussiepunten tegen gekomen waardoor we deze overstap gemaakt hebben. De redenen hiervoor waren verschillend. Ten eerste sloten de materiaaleigenschappen van composiet beter aan op de eigenschappen van een recreatiekajak. Een wedstrijdkajak moet bestand zijn tegen een heftige omgeving en moet harde klappen op kunnen vangen. Omdat de hars van composieten bestaat uit een thermoharder, zou dit kunnen betekenen dat de boot eerder scheuren vertoont of breekt dan wanneer geproduceerd uit een thermoplast. Bovendien wordt de boot zwaarder waardoor hij minder wendbaar is voor de bestuurder. Vaak zijn mensen die van recreatiekajakken dan wel wedstrijdkajakken houden, mensen

die veel van de natuur houden. Zo bieden natuurlijke composieten een milieuvriendelijke oplossing en een grote (commerciële) voorsprong op de bestaande PE kajaks. Een bijkomend voordeel is dat deze productiemethode ook lage machinekosten heeft. Voor de wedstrijdkajak zijn meer mallen nodig dan bij de recreatiekajak, omdat deze geen spatdek nodig heeft. Deze keuze in functie levert een reductie in matrijskosten. Doordat het product echter wel uit meerdere delen bestaat, zit er een deellijn in het product wat een zwak punt in het ontwerp kan zijn. Doordat de oplage niet hoog is, hoeft er geen aluminium mal gemaakt te worden wat heel veel scheelt in de kosten. Doordat een kajak een redelijk robuust product is, worden aan de ruwheid van de mal en aan de afwerking niet heel hoge eisen gesteld. Gedurende het gebruik zal het product zeker krassen en beschadigingen oplopen. Hier is rekening mee gehouden tijdens het maken van de keuze over de ruwheid. Dit scheelt wederom in de matrijskosten en afwerkingskosten. Al met al is NPSP met het materiaal Nabasco en productiemethode VA-RTM een goede keuze om een recreatiekajak bij te laten produceren. De functie van de kajak maakt het mogelijk om met deze


Conclusies

40

Aanbevelingen

NPSP biedt goede mogelijkheden tot het maken van een kajak bestaande uit composiet. Maar als je op grote schaal wil produceren is dit een zeer arbeidsintensief traject en dus niet de beste keus. Het materiaal moet 2 weken uitharden, wat dus zeer lang duurt. In de huidige situatie zullen er nooit (bijvoorbeeld) 100.000 stuks per jaar geproduceerd kunnen worden. Ook is de keuze van hars bij een composiet beperkt. Voor een recreatiekajak is een thermoharder een geschikt materiaal, terwijl dit niet voor alle producten zo is. NPSP werkt alleen maar met thermoharders als hars terwijl voor een product als een wedstrijdkajak een thermoplast een betere uitkomst is.


productiemethode en dit materiaal aan de juiste kwaliteit te voldoen en de kosten beperkt te houden.

41

Digitaal www.npsp.nl http://blackboard.tudelft.nl, Werkdocument 5.2 www.nkb.nl www.sp-bac.nl/?id=63 http://finance.yahoo.com/currency-converter http://www.canoeicf.com/, Provisional CSL Rules with Congress changes

Literatuur Ashby, M. & Johnson, K, Materials and Design, Amsterdam : Elsevier, 2002 Eyres, D.J., Ship construction, 6th ed., Amsterdam : Elsevier, 2007 Dokkum, K.van, Scheepskennis, Delfzijl, Dokmar, 2003 Plessis, H. du, Fibreglass boats, 4th ed., London : Adlard Coles Nautical, 2006 Plessis, H. du, Fibreglass boats, London, Coles, 1996


Bronnen

42

Specialisatieproject Vacuum Assisted Resin Transfer Molding De Kajak

Recommend Documents