Licht als een veertje en zo hard als een rots: zo vinden ingenieurs het juiste materiaal

Als het gaat om het selecteren van de juiste materialen, stellen we steeds hogere eisen aan ingenieurs. Aan de ene kant is duurzaamheid belangrijker dan ooit, maar aan de andere kant moeten de componenten zo goedkoop mogelijk zijn. Dit is een evenwichtsoefening die we vaak bij productontwikkeling zien. Aspecten van het materiaal die hierbij een essentiële rol spelen zijn de fysische eigenschappen, belastingsfactoren of uiteindelijke toepassingsdoeleinden. Het vinden van de gulden middenweg is een dagelijkse uitdaging voor ontwikkelaars. Frank Gerwarth van reichelt elektronik legt uit wat ingenieurs kan helpen in hun besluitvormingsproces met het oog op hun doelstellingen.

Type materialen

Materialen worden tijdens het productieproces verwerkt en het gebruik van bepaalde materialen heeft daarom grote invloed op de eigenschappen van het eindproduct. Hoewel heel wat materialen vaak nog moeten worden getest op hun toepasbaarheid voor nieuwe ontwerpen, zijn er ook materialen die zich door hun functionaliteit al hebben bewezen. Zo is lithium, als licht metaal en uitstekende opslag voor elektrische energie, zeer geschikt voor batterij- en accumulatortechnologie. Daarom wordt dit materiaal gebruikt in apparaten zoals mobiele telefoons of laptops.

Een eigenschap die naast gewicht een belangrijke rol speelt, is de stabiliteit van materialen. IJzer en staal zijn materialen van metaal die gemakkelijk verkrijgbaar, goedkoop en bijzonder sterk zijn. Daarom worden ze bijvoorbeeld gebruikt in de machinebouw. Naast deze twee metalen spelen echter nog veel meer metalen een rol in de moderne industriële productie. Aluminium, bijvoorbeeld, wordt al lang beschouwd als een substituut voor ijzer. Hoewel het minder weegt dan ijzer, is het wel hoger geprijsd.

Nieuwe hoogwaardige polymeren worden momenteel steeds populairder, en met name composieten zoals koolstofvezels zullen in de toekomst een belangrijke rol spelen. Zij concurreren met de gevestigde metalen lichtgewicht materialen die in de voertuigbouw worden gebruikt. Composietmaterialen zijn bijzonder geschikt voor additive manufacturing. Hier worden vezelversterkte composieten gebruikt, waarin twee willekeurige materialen worden gecombineerd. In de meeste gevallen wordt hier een mengsel van polymeren en versterkende materialen gebruikt. Polymeermaterialen worden bij 3D-printen vaak gebruikt om complexe driedimensionale objecten te produceren. Door hun buitengewone sterkte zijn ze onder meer geschikt als constructiemateriaal voor mechanische onderdelen.

Verscheidenheid aan materialen in de elektronica-industrie neemt toe

Zodra de eisen voor het eindproduct duidelijk zijn, is de volgende stap het kiezen van het juiste materiaal. Ingenieurs profiteren van het feit dat de verscheidenheid aan materialen de laatste decennia is toegenomen. Een van de redenen is het voortdurende onderzoek naar nieuwe combinaties van materialen. Daarom moeten ingenieurs nog steeds afwegen welk materiaal geschikt is, maar idealiter zijn zij minder beperkt.

De overvloed aan gegevens van materialen vereist echter veel kennis van de ontwerpers. Het gebruik van materialen waar de ontwerper minder ervaring mee heeft, gaat meestal gepaard met risico’s, aangezien de effecten eerst moeten worden getest.

Trends in materiaaltechniek

Innovaties op het gebied van materiaalontwerp ontstaan vaak uit de behoeften van sectoren of markten. De huidige ontwikkelingen spitsen zich dan ook toe op de thema’s grondstoffen- en energie-efficiëntie, waarbij het vooral gaat om slimme materialen. Met slimme materialen wordt beoogd nieuwe functionele materialen van vaste stoffen, vloeistoffen of zelfs gassen te ontwerpen die zich kunnen aanpassen aan veranderingen van de omgeving, zoals temperaturen of lichtomstandigheden.

Elektroreologische vloeistoffen behoren bijvoorbeeld tot deze groep van intelligente materialen en worden al in de auto-industrie gebruikt. In voertuigen wordt het adaptieve materiaal gebruikt om de dampeigenschappen te regelen, waardoor bijvoorbeeld het geluid voor de inzittenden wordt verminderd. Dit gebeurt door aanpassing aan de snelheid van de motor en is vooral voordelig in het ambulancevervoer. Daarnaast kunnen elektroreologische vloeistoffen zich ook aanpassen aan de omstandigheden in de ondergrond, waardoor gevoelige goederen zoals schakelapparatuur of hightech machines dankzij demping veilig hun bestemming kunnen bereiken.

Altijd op zoek naar het perfecte materiaal

Van het brainstormen en het selecteren van het juiste materiaal tot het eindproduct, de elektrische industrie vertrouwt op innovaties in materiaalonderzoek om de wereldwijde druk sneller aan te kunnen. Er bestaan al opleidingen gericht op materiaalonderzoek en deskundigen op het gebied van materiaalontwerp betreden straks de arbeidsmarkt. De toenemende verscheidenheid aan gebruikte materialen helpt ingenieurs om het juiste materiaal te vinden. En ook distributeurs kunnen een belangrijke bijdrage leveren door als integrerende partners op te treden en ingenieurs een breed scala aan moderne materialen aan te bieden om ze te helpen met het vinden van de beste materiaal voor het productieproces.