Schuimen

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Schuimen
Schuim.jpg
Eigenschappen
Categorie: Technieken
Originele auteur: Peter Braakhuis en Joep Heijs
Jaar: 2009
Wikipedia link: Schuim

Inhoud

Beschrijving

De meest algemene definitie van schuim is “een mengsel van verschillend gasbellen in een vloeistof of vaste stof.”

Kunststof schuimen

Geschuimd kunststof wordt geproduceerd doordat men een gebruik maakt van een schuimmiddel of een chemische reactie die tot vergassing leidt. De belangrijkste redenen om gebruik te maken van kunststof schuimen zijn de gewicht en materiaalbesparing tegenover een relatief hoge sterkte van het materiaal. Daarnaast zorgen deze materialen voor een goede isolatie.

De meest gangbare technieken om kunststof schuim te produceren zijn thermoplastisch schuim gieten (TSG), Reaction Injection Moulding (RIM), Slabstock Foaming en In-situ schuimen. TSG en RIM worden gebruikt voor de productie van zogenaamde integraalschuimen. Dit zijn kunststof schuimen met een poreuze kern en een massief gesloten oppervlak. Slabstock foaming wordt gebruikt voor de productie van grote blokken schuim die daarna bewerkt worden tot kleinere eenvoudige producten. In-situ spuiten is het aanbrengen van schuim doormiddel van een spuitpistool of spuitbus.

Kunststof schuim wordt al zeer breed toegepast in een wijd scala van producten. Onder andere in de auto-industrie, de scheepvaart, luchtvaart, ruimtevaart en in consumentenproducten maakt men al gebruik van de grote voordelen die kunststof schuimen bieden.

Metaalschuimen

Metaalschuim is metaal opgebouwd uit een duidelijke cellenstructuur, vaak geproduceerd uit aluminium of een legering hiervan. De voornaamste reden om een dergelijk schuim te gebruiken is de sterk gereduceerde dichtheid van het materiaal terwijl de stijfheid behouden blijft. Dichtheden kunnen worden gereduceerd tot 5-25% van de originele dichtheid. Naast het feit dat de dichtheid van metaalschuim lager is en het materiaal dus een lager gewicht heeft staat het ook bekend om zijn hoog energieabsorberend vermogen en de excellente warmtegeleiding.

Metaalschuim wordt meestal gemaakt door metaalpoeder te mengen met een schuimgenerator, dit mengsel wordt in een matrijs of tijdens een extrusieproces samengedrukt. Door de verhoogde druk stijgt de temperatuur van het metaal tot boven het smeltpunt van de schuimgenerator, hierdoor komt een gas vrij dat voor de celstructuur in het materiaal zorgt.

Metaalschuim wordt momenteel onder andere toegepast in de ruimtevaart, constructietoepassingen, hitteschilden, filters, katalysatoren en crash constructie elementen. Door zijn grote energieabsorberende vermogen en lage dichtheid wordt het materiaal ook steeds meer toegepast in de automotive industrie en consumenten producten. Doordat er nog weinig documentatie beschikbaar is over hoe het materiaal zich gedraagt in de praktijk blijven producenten terughoudend. Audi was de eerste autofabrikant die onderdelen in hun nieuwe Q7 uit metaalschuim heeft geproduceerd, zij hebben hiermee bewezen dat het materiaal wel degelijk in grote aantallen toegepast kan worden.

Keramiekschuimen

Keramiekschuim bestaat net als alle andere schuimen uit een celstructuur, in dit geval geproduceerd uit een keramisch materiaal. Ten opzichte van de overige schuimen wordt het materiaal een stuk minder toegepast in consumentenproducten maar voornamelijk in de professionele sectoren. Gewichtsbesparing is voor dit materiaal een stuk minder interessant, het materiaal wordt vooral toegepast om zijn goede filterende eigenschappen en grote aanhechtingsoppervlak. Deze schuimen worden onder andere toegepast in vijverfilters, biomedische toepassingen, heating filters, dieselkatalysatoren en boilers. Een enkele keer wordt het toegepast als decoratie in interieurproducten. Keramisch schuim wordt onder andere geproduceerd doormiddel van replicatie, sponzen worden gedoopt in een slurry van keramiek, water en een organische binder. Deze substantie zuigt zich in de spons waardoor dezelfde vorm wordt aangenomen en uiteindelijk een open celstructuur ontstaat.

Proces

Metaalschuim op basis van poedermetallurgie

  • Het verhogen van de viscositeit door het toevoegen van Calcium metaal, hierdoor ontstaat een stabiele substantie waarin de gasbellen zich netjes kunnen verdelen.
  • Titanium Hybride wordt toegevoegd als schuimgenerator, deze zorgt uiteindelijk voor het ontstaan van de celstructuur in het materiaal.
  • De temperatuur wordt uiteindelijk tot boven het smeltpunt van Titanium Hybride gebracht. Wanneer deze temperatuur wordt bereikt reageert deze stof en ontstaat er waterstofgas dat uiteindelijk voor de specifieke celstructuur zorgt.

Metaalschuim op basis van poedermetallurgie

In de bovenstaande omschrijving wordt er uitgegaan van het samenvoegen van de diverse stoffen tijdens het productieproces. Het is ook mogelijk om de poeders voorafgaand aan het proces al te mengen en te extruderen of in een matrijs te gieten. Door alsnog de temperatuur te verhogen tot boven het smeltpunt van de Titanium Hybride ontstaat ook hier gasvorming. Tevens is het mogelijk om bij deze productietechniek gebruik te maken van “complexere” vormen in matrijzen en is men niet gebonden aan grove vormen en nadrukkelijk meer nabewerking als hierboven schematisch is weergeven.

Metaalschuim op basis van gasinjectie

  • Bijvoorbeeld aluminium wordt in een groot bassin tot smelttemperatuur gebracht, ook bij dit proces worden stoffen bijgevoegd om de viscositeit te verhogen en de gasvorming te bevorderen.
  • Achter een permeabel schot wordt gas in het aluminium bassin geblazen waardoor duizenden bellen ontstaan in het nog vloeibare aluminium. Doordat de temperatuur en de dichtheid van het aluminium afneemt naarmate deze naar het oppervlak stijgt ontstaat er de gewenste vaste stof. Het materiaal wordt in grote blokken afgevoerd en zal naderhand nabewerkt worden.

Metaalschuim op basis van gasinjectie

Voordeel van deze productietechniek is dat er grote volumes geproduceerd kunnen worden in korte tijd tegen relatief lage kosten. Daarin tegen is er veel nabewerking achter af nodig en zijn complexe vormen beperkt mogelijk.

Keramiekschuim door middel van replicatie

  • Allereerst wordt er een slurry van keramiek, water en een organische binder gevormd in een groot bassin waar de sponsen in zullen worden gehangen.
  • De substantie zal in de spons trekken waardoor dezelfde vorm wordt aangenomen. Na polymerisatie van de keramische substantie wordt de spons uitgebrand en het keramiek gesinterd waardoor een vast materiaal met een open celstructuur ontstaat.

Keramiekschuim door middel van replicatie Tevens is keramiek te schuimen door middel van gasinjectie, dit proces is vergelijkbaar met de variant voor metalen, zie metaalschuim op basis van gasinjectie.

Integraal schuimen

Integraalschuimen zijn kunststof schuimproducten met een poreuze kern en een gesloten oppervlak. Het voordeel hiervan is dat er zowel gewicht als materiaal bespaart wordt terwijl de sterkte van het product relatief hoger wordt. De twee meest gangbare technieken voor de productie van integraalschuim zijn thermoplastisch schuim gieten (TSG) en reaction injection moulding (RIM). Beide technieken zijn afgeleidt van het standaard spuitgietproces. Het verschil is dat TSG gebruik maakt van een blaasmiddel vermengd met het kunststofgranulaat. Waar RIM daarentegen uitgaat van een chemische reactie tussen vloeistoffen waarbij een schuimreactie ontstaat.

Thermoplastisch Schuim Gieten
  • Thermoplastisch Schuim Gieten. Bij thermoplastisch schuim gieten wordt een schuim- of blaasmiddel toegevoegd aan het kunststofgranulaat. Het schuimmiddel zal gaan vergassen wanneer het kunststof de verwerkingstemperatuur heeft bereikt. Doordat het kunststof uitzet in de mal kan het kunststof onder lage druk in de mal worden gespoten. Dit heeft als voordeel dat er gebruik gemaakt kan worden van een aluminium of kunststof mal maar zorgt daarentegen wel voor een langere cyclustijd. Een belangrijk kenmerk van integraalschuim is de poreuze structuur van de kern in combinatie met een massief gesloten oppervlak. Dit heeft te maken met de temperatuur van de mal. Doordat de mal verhit wordt ontstaat er een temperatuurverschil in het gespoten product. Omdat de temperatuur aan de buitenkant van het product te hoog is voor het schuimmiddel om te kunnen werken zal de structuur van het oppervlak gesloten blijven.
  • Reaction Injection Moulding. In het geval van Reaction Injection Moulding, kortweg RIM, wordt gebruik gemaakt van de chemische reactie tussen twee vloeibare stoffen waarbij vergassing optreedt. Meestal wordt een mengsel gebruikt van polyolen, isocyanaten en freon. Dit mengsel wordt onder druk in een mal gespoten waarbij vergassing optreedt met als gevolg dat het materiaal begint te schuimen. Het materiaal zet uit en zal zich vormen naar de mal. Evenals bij thermoplastisch schuim gieten heeft dit als voordeel dat door de lage druk gebruik gemaakt kan worden van een kunststof of aluminium mal.
Bestand:RTM process.png
Reaction Injection Moulding

Het verschil met TSG is dat RIM voornamelijk gebruikt wordt voor de productie van thermoharde schuimen. Daar waar TSG uitsluitend gebruikt kan worden voor thermoplastische kunststoffen zoals de naam ook al aangeeft.

Slabstock foaming

Slabstock foaming
Slabstock foaming

Deze techniek wordt gebruikt voor de productie van grote aantallen eenvoudig gevormde schuimproducten zoals bijvoorbeeld matrassen, sponzen, verfrollers en verpakkingsprofielen. Bij slabstock foaming worden grote blokken schuim geproduceerd tot wel 90 meter lang die daarna versneden en bewerkt worden tot kleinere producten. Er zijn twee gangbare technieken om op deze manier schuim te produceren; horizontaal en verticaal schuimen.

Bij horizontale productie wordt een mengsel van polyol, isocyanaat, water en een katalysator in vloeibare vorm op een lopende band gespoten. Zo goed als onmiddellijk reageren de vloeistoffen met elkaar en beginnen ze op te schuimen. De opschuimende polyurethaan wordt door de transportband meegetrokken. Na een aantal meter bereikt het schuim zijn definitieve hoogte en structuur. Om te voorkomen dat het schuim een bolle bovenkant krijgt moet het schuim doormiddel van een folie of een plaat aangedrukt worden. Een andere optie is het achteraf wegsnijden van dergelijke onregelmatigheden.

Bij verticale productie wordt het vloeibare mengsel onderaan een silo gespoten. Door het opschuimen en door een verticale transportband wordt het reagerende schuim mee naar boven getrokken. Momenteel wordt dit principe nog zelden toegepast maar het heeft als voordeel dat er geen externe kracht nodig is of nabewerking benodigd is om vierkante blokken te produceren.

Nadat de blokken uitgehard zijn worden deze verwerkt naar kleinere producten doormiddel van verschillende snij- en verwerkingstechnieken. Hieronder staat een overzicht gegeven van de verschillende technieken. Tabel Slabstock foaming.jpg

In-situ schuimen

In-situ schuimen is het plaatselijke aanbrengen van schuim met behulp van een spuitpistool of spuitbus. Het bekendste voorbeeld hiervan zijn de pur-schuim spuitbussen. Deze variant van schuimen wordt vooral toegepast als voor isolatiedoeleinden. Bekende voorbeelden hiervan zijn de dakpanelen met houten buitenlagen en een kern van schuim. Hierbij wordt het schuim bij de productie van de panelen tussen de twee houtlagen in gespoten. Andere voorbeelden van het gebruik van in-situ schuim zijn modelbouw en verpakkingen voor breekbare producten.

Materialen

Kunststof schuimen

  • Thermoplastisch Schuim Gieten
    • Alle gangbare thermoplasten
  • Reaction Injection Moulding
    • PUR
    • PA
    • Acrylaten
  • Slabstock schuimen
    • Polyurethaan
    • Polyether
    • Polyesther
    • Polyehtyleen
    • PVC
    • Melamine

Metaalschuimen

  • Meest gangbare materialen
    • Aluminium
    • Staal
  • Overige materialen
    • Brons
    • Koper
    • Nikkel
    • Magnesium
    • Tin
    • Titanium
    • Zink

Keramiekschuimen

  • Porselein
  • Siliciumoxide (SiO)
  • Siliciumcarbide (SiC)
  • Boornitride (BN)
  • Yttrium-Barium-Koperoxide (YBCuO)
  • Hydroxyapatiet (HA)

Toepassingen

  • Kunststofschuimen: Automotive (interieur), meubilair, scheepvaart, lucht/ruimtevaart, machinebehuizing, verpakking, isolatie, comfortverhoging, matrassen, filters, dakpanelen
  • Metaalschuimen: Automotive, crash constructie elementen, katalysatoren, ruimte- en luchtvaart, biomedische toepassingen, interieur, hittegeleiders, vlamkerende schotten.
  • Keramiekschuimen: Filters, biomedische toepassingen, automotive, heating, boilers, interieur, vijverfilters, katalysatoren, botprotheses.

Voordelen

  • Hogere sterkte
  • Gewichtsbesparing
  • Materiaalbesparing
  • Drijfvermogen creëren
  • Warmteabsorptie/isolatie
  • Hoger energie absorberend vermogen
  • Geluidsisolatie
  • Goedkopere mal (aluminium of kunststof mal in plaats van staal)
  • Dikwandig construeren mogelijk (kunststof)
  • Grotere producten spuitgietbaar (kunststof)
  • Weinig spuitkracht nodig (kunststof)

Nadelen

  • Vloeilijnen zijn zichtbaar naar afloop (kunststof)
  • Oppervlaktebehandeling noodzakelijk (kunststof)
  • Schuimmiddel niet milieuvriendelijk (Freon)
  • Veel snij afval (slabstock)
  • Minder ontwerpvrijheid

Milieuaspecten

De belangrijkste milieuaspecten bij de productie en verwerking van schuimen zijn het ontstaan van reststromen en de emissie van blaasmiddelen naar de lucht. Reststromen ontstaan onder andere door de snijresten en afgekeurd productieschuim. De emissie van blaasmiddelen bij de productie hangt voornamelijk af van de celstructuur en de toegepaste hoeveelheid blaasmiddel. Schuim met open cellen verliest het blaasmiddel een korte tijd na de productie, terwijl schuim met gesloten cellen het blaasmiddel veel langer vasthoudt. Gevaarlijk afval ontstaat vooral in de vorm van spoelmiddel en vervuilde emballage van gevaarlijke stoffen.

Leveranciers en kenniscentra

Leveranciers

Bronnen

Literatuurlijst

  • Metal Foams, A Design Guide, Michael F. Ashby, ISBN: 0750672196
  • Verwerkingstechnieken voor kunststoffen, Steven Tan, TU Delft
  • Masterproef - PU trim foam Recycling, Pieterjan Hantson
  • Materiaalkunde voor technici, Budinski, ISBN: 9789039520970
Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen