Materialen, kenmerkende eigenschappen

Materialen, kenmerkende
eigenschappen
Groepsleden
Handtekening
Paul Geurts
Rick v. Erp
Niek Willems
Roy Steenbakkers
Richard v. Wissen
Richard Weyts
Remco v.d. Wassenberg
Peter Tops
M-ENG1n
Opdracht 1.5
Datum: 13 sept. 2006
Vakdocent: Cornellisen
Tutor: Theo van Eijk
1
Inhoudsopgave
Onderwerp:
Blz.
Voorblad
1
Inhoudsopgave
2
Inleiding en Leerdoelen
3
Materialen
4
As
6
Stelling van de pitch
6
Eigenschappen overzicht van belangrijke stoffen
7
Rotorbladen
8
Kop
9
Conclusies
10
Bronnen:
10
Bijlage ( o.a. tabellen )
vanaf 12
2
Inleiding
Bij deze PGO opdracht gaan we bekijken welke materialen het beste bruikbaar zijn
om van een bepaald onderdeel van de windturbine een functie te vervullen. We zijn
bij de brainstorm op het idee gekomen om met metaforen te brainstormen. Dit wil
zeggen dat we een “verhaaltje” verzinnen bij een onderdeel in de vorm dat jij het
onderdeel bent. Hierbij krijg je een goed beeld van alle omstandigheden. Uit de
omgevingsomstandigheden en de functie hebben we een eisenpakket opgesteld.
Hierin bekijken we waar een onderdeel aan moet voldoen en wat dan de opties zijn.
Aan de hand van het eisenpakket wordt een schema gemaakt waarin alles makkelijk af
te wegen is. Hieruit komt dan een stof dat het meest bruikbaar is om een bepaald
onderdeel van te vervaardigen. De conclusie die we uit het schema kunnen trekken is
dus de uiteindelijke stof waar wij op uit komen.
Probleemomschrijving en leerdoelen
In deze opdracht is het de bedoeling om aan de hand van bestaande tabellen en
indelingen een keuze te maken voor een materiaal dat het meest geschikt is. De
leerdoelen die we hierbij hebben zijn:
-Onderscheiden (aan de hand van eisen) van materialen
-Het herkennen van materialen aan de hand van eigenschappen.
-Toepassingen van materialen leren herkennen.
3
Verschillende soorten materialen
Metalen en legeringen
(Ferro en non-ferro)
Ferro metalen zijn metalen met ijzerlegeringen zoals bijvoorbeeld staal.
Ijzerlegeringen kunnen dus bijvoorbeeld bestaan uit ijzer en zink,ijzer en chroom,
ijzer en nikkel. Non ferro metalen hebben dus geen ijzerlegeringen. (aluminium,
magnesium, titaan, messing,koper)
errometalen bevatten dus ijzer, non-ferro bevatten dit dus niet
Staal:
Staal bestaat uit 3 belangrijke soorten:
Ongelegerd staal
Laaggelegerd staal
Hooggelegerd staal
Ongelegerd staal:
Is het staal dat maximaal 1,5% aan legeringselementen bevat. De belangrijkste
legeringselementen hierin zijn mangaan en silicium. Mangaan en silicium worden
gebruikt om de sterkte en hardheid te verhogen en silicium zorgt er tevens ook
voor dat er tijdens de bereidingsproces zuurstof word onttrokken.
Dit staal is het meest bruikbare staal omdat hij goedkoop is en goed bewerkbaar
Laaggelegerd staal:
Is het staal dat tussen de 1,5 en 5% legeringselementen bevat. Net als bij
ongelegeerd staal zijn mangaan en silicium veel voorkomende legeringselementen.
Maar bevat ook andere soorten elementen zoals chroom vanadium en nikkel.
Chroom zorgt er voor om staal oxidatie- en corrosiebestendig te maken. Ook van
de harde en slijtvaste eigenschappen van chroom wordt veel gebruik gemaakt .
Vanadium maakt het staal een stuk taaier. En nikkel heeft invloed op staal bij hoge
en lage temperaturen
Hooggelegerd staal:
Is het staal dat meer dan 5% aan legeringselementen bevat. De belangrijkste
legeringselementen zijn chroom en nikkel. De bekenste die hieronder valt is
roestvrijstaal. Chroom die zorgt ervoor voor de roestvastigheid bij RVS.
Ijzer - staal - koper - aluminium - brons - tin - messing.
Gietijzer:
De 2 belangrijkste soorten gietijzer zijn nodulair gietijzer en lamellair gietijzer (
ook wel grijs gietijzer genoemd). Omdat er tussen deze 2 een groot verschil van
treksterkte zit.
Nodulair gietijzer is sterker en taaier en heeft ook betere mechanische
eigenschappen dan lamellair gietijzer. Verder is lamallair gietijzer
corrosiebestendig, slijtvast en beschikt over goede verspanende
4
Kunststoffen
Plastic - bakeliet - polyetheen - nylon - teflon
Thermoharders - Thermoplasten
Samengestelde materialen
Kunststof versterkt met glasvezel - Glare - spaanplaat - gewapend beton
Composieten:
Hout - Keramiek
Eigenschappen van de materiaalen:
Mechanische eigenschappen zijn:
Elasticiteit (stijfheid)
Treksterkte
Druksterkte
Buigsterkte
Hardheid
Kruip
Brosheid, taaiheid
Thermische eigenschappen
Smeltpunt
Verwekingspunt
Glastemperatuur (voor rubber)
Warmtegeleidbaarheid
Soortelijke warmte
Uitzettingscoëfficiënt
Thermische stabiliteit (hittebestendigheid) (koudebestendigheid)
Chemische eigenschappen
Chemische stabiliteit (reactiviteit)
Zuurbestendigheid, en dergelijke
Corrosiebestendigheid
Vochtbestendigheid
Definities:
Treksterkte:
Onder treksterkte van een materiaal verstaan we de spanning bij de maximale
belasting tijdens de trekproef
Hardheid:
Onder de hardheid van een materiaal verstaan we de weerstand die het biedt tegen
blijvende vervorming door indrukking, veroorzaakt door een voorwerp met een
bepaalde vorm waarop een bepaalde kracht werkt.
Stijfheid (elasticiteit):
Onder de stijfheid van een materiaal verstaan we de weerstand die het biedt tegen
elastische vormgeving.
5
Taaiheid:
De taaiheid is de mate waarin een materiaal plastisch vervormd kan worden voor een
breuk optreedt
As
We moeten gaan bedenken welke krachten allemaal op de as werken en in welke
richting. Ook moeten we nagaan of er nog andere invloeden zijn die invloed hebben
op de as. Als we dit gedaan hebben kunnen we gaan uitzoeken wat voor
eigenschappen we nodig hebben, en welke materialen daar geschikt voor zouden
kunnen zijn.
De as zit bevestigd aan de generator en aan de hub. De hub is het onderdeel dat de
rotorbladen aan de as bevestigd. Er werken verschillende krachten op de as. Zo is er
een kracht die de as wil buigen vanwege het gewicht van de rotorkop. Ook is er een
torsiekracht, de kracht die de as wil verdraaien. Dit komt door de generator die de
draaibeweging van de as door de rotorbladen tegenhoudt. Dus als er bij de rotorbladen
moet worden geremd werkt er een grote torsiekracht in de as.
Het volgende wat we moeten gaan doen is uitzoeken welke materialen voldoen aan de
eisen die wij stellen.
De eisen zijn:
- De as mag niet of weinig doorbuigen.
- De as moet de torsiekracht kunnen weerstaan.
- De as moet weersbestendig zijn. ( Corrosie, vocht, zand, stof )
Eigenschappen die het materiaal van de as moet hebben:
- Het materiaal moet van een sterk materiaal zijn.
- Het materiaal moet een heel klein beetje elastisch zijn, stel dat hij dit niet zou zijn
dan zou de as kunnen breken.
- Het materiaal mag geen corrosie vertonen.
- Het materiaal moet bewerkbaar zijn.
- Het materiaal moet recyclebaar kunnen zijn
- Het materiaal moet niet magnetiseerbaar zijn
De verstelling van de pitch
Er is een hydraulisch systeem/mechanisme nodig om de pitch te verstellen. Op dit
systeem werken enorme krachten, dus er zijn ook sterke materialen nodig. Verder
mag de arm niet te groot zijn omdat er weinig ruimte beschikbaar is. De
materiaaleigenschappen die de stang van de pitch control moet hebben zijn:
 het moet een grote trekkracht aan kunnen zonder te rekken
 het moet hoge hardheid hebben want het mag niet slijten door de wringkrachten
 het moet stijf zijn omdat er geen onnauwkeurigheden optreden bij het verstellen
van de pitch
 het moet bestand zijn tegen corrosie
 het moet een hoge taaiheid hebben want er komen verschillende windsterktes op,
en daarbij mag het niet te veel vervormen
 er mag geen metaalmoeheid optreden in het metaal, want dan kan het de krachten
niet meer aan
 het moet niet te moeilijk bewerkbaar zijn want anders wordt de productie te duur.
6
Eigenschappen overzicht van belangrijke stoffen
metaal
eigenschappen
1. ijzer
Corrosie gevoelig
Makkelijk te lassen
Zet uit en krimpt door temperatuur wisselingen
2.
gietijzer
Elasticiteit zelfde als staal
Geen permanente vervorming
Corrosie bestendig
Stabiel
3.
staal
4.
koper
Hardheid hoog
Recyclebaar
Hoge treksterkte
Uitstekend bewerkbaar
taaiheid
Goed bewerkbaar
Corrosie bestendig
Duurzaam
Niet magnetisch
Zacht
Goed geleidend
Licht: Met een dichtheid van 2,7.10 kg/m
Sterk
Weersbestendig
Goed bewerkbaar
Kostbaar
Milieuonvriendelijk
Moeilijk soldeer / lasbaar
Lage stijfheid
Corrosie bestendig
Zie staal
Hard
Hoge vloeistofgrens
Slijtvast
Hittebestendig
Niet plastisch
Snel bezwijken
Bros
5. aluminium
6.
roestvrijstaal
7.
keramiek
8.
tin
9.
polyamides
10. beton
Buigzaam
Kneedbaar
Oplosbaar
Slijtageweerstand
hoge mechanische sterkte, stijfheid, hardheid en taaiheid
goede weerstand tegen vermoeiing
Hoge druksterkte.
Buigtreksterkte laag
Bros
7
Rotorbladen:

eigenschappen die de rotorbladen moeten hebben:
Mechanische eigenschappen:
 licht, zodat de belasting op de molen zo laag mogelijk is.
 Sterk, nog uit kunnen houden bij een windkracht van 12
 Elastisch, zodat ze bij een stoot niet meteen bezwijken.
 Hard, zodat de vorm altijd behouden blijft
 heel taai, dat er geen plastische vervorming zal optreden
 glad oppervlak, zo min mogelijk wrijving
 wit geverfd, zodat het zo min mogelijk warmte opneemt
Chemische eigenschappen
 temperatuur van -80 tot 80 graden aan kunnen, bij wind kan hij snel
afkoelen en bij de as kan de temperatuur snel oplopen.
 Slecht brandbaar, bij bliksem inslag mag het niet afbranden
 Lage corrosiegevoeligheid, hij moet een hoge levensduur hebben en
niet gaar corroderen.
 Goede zuur bestendigheid, hij moet tegen zure regen kunnen
Technologische eigenschappen:
 Door de grote omvang is het lastig om deze te fabriceren.
8
Kop:
Eigenschappen die de kop moeten hebben:
Mechanische eigenschappen:
 Sterk, er komt namelijk een grote kracht op te staan door de bladen.
 Stijf, de rotorbladen mogen niet bewegen op de kop.
 Taai, als hij bros is breekt hij af.
 Hard, zodat hij zijn gladde oppervlak behoud.
Chemische eigenschappen:
 Temperatuursbestendig, omdat er veel warmte wordt overgegeven door de as.
 Lage corrosiegevoeligheid, hij moet een hoge levensduur hebben en niet gaar
corroderen.
 Goede zuur bestendigheid, hij moet tegen zure regen kunnen
Technologische eigenschappen
 Door de moeilijke vorm komen er veel bewerkingen aan te pas of hij moet
gegoten worden.
Milieuaspecten:
 De onderdelen van de rotor moeten lang mee gaan, deze zouden namelijk een
grote bedreiging vormen voor het milieu als deze vaak vervangen zouden
moten worden.
 Materialen als: polyester en epoxi, vormen een grote bedrijging voor het
milieu deze kunnen namelijk niet gerecycled worden. Doordat deze materialen
lang mee gaan is dit toch wel te compenseren.
Beschikbaarheid en kostprijs van het materiaal:
 Als we een materiaal voor een onderdeel gaan zoeken is ook de
beschikbaarheid van groot belang. Materialen waar je moeilijk over kunt
beschikken zijn vaak heel duur en dit wil je natuurlijk niet hebben je wil een
materiaal dat zo goed koop mogelijk is
Sterkte: De grootste belasting tot het bezwijkt
Taaiheid: Mate van plastische vervorming tot het breekt
Elasticiteit: tijdelijk verlenging per eenheid van kracht
Hardheid: weerstand tegen blijvende indrukking in het oppervlak
sterk
taai
stijf
hard
▬
▬
▬
▬
zwak
bros
slap
zacht
9
Conclusies
Rotorblad
De Rotorbladen worden van glasvezel met epoxyhars gemaakt. Door deze
samenstelling heeft een rotorblad met weinig gewicht een hoge sterkte, om de
middelpuntvliedende kracht en de centrifugaal krachten op te vangen. De epoxyhars is
gemakkelijk verwerkbaar tot grote gladde vorm. In tegenstelling tot kunststof. Dit is
door zijn slechte scheidbaarheid, slecht tot een rotorblad te vormen. Ook is kunststof
corrosie gevoelig, en slecht tegen de verschillende weersomstandigheden kan. Er
komen sterke centrifugale krachten op komen, en kunststof een laag breukrek punt
heeft, is deze stof niet geschikt voor een rotorblad. Plastic is ook niet geschikt, omdat
het een slechte taaiheid heeft, en de rotorbladen, door soms harde wind hevig heen en
weer geschud worden. Als deze van plastic zijn zullen ze daardoor snel kunnen
breken.
As
Ons lijkt een stalen as de beste oplossing. Staal is in staat om de krachten van het
gewicht van de rotorkop te kunnen dragen. Staal is in tegenstelling tot gietijzer ook
nog in staat het buigende effect te weerstaan. Omdat de as ronddraait en het gewicht
van de rotorkop buigt de as de hele tijd om als het ware. Omdat de windkracht meestal
bestaat uit rukken zullen de torsiekrachten variabel zijn. Een as van gietijzer is veel
minder elastisch en zal hier dus minder geschikt voor zijn.
Verstelling van de pitch
Voor de verstelling van de pitch is staal de beste oplossing. Dit omdat staal in staat is
grote krachten op te vangen, en je kunt het nauwkeurig bewerken. Verder buigt het
niet snel. Staal is ook betaalbaar. Wel heeft staal een nadeel, namelijk dat het
corrosiegevoelig is. Maar hier is natuurlijk iets aan te doen zoals een legering of een
laagje verf.
Nawoord
Als laatste toevoeging willen we nog kwijt dat we eigenlijk meer getallen wilde
verwerken in de opdracht in de vorm van de tabellen. Echter hebben wij het boek dat
we hiervoor nodig hadden (Materiaalkeuze in de werktuigbouwkunde) niet kunnen
krijgen. We hebben veel navraag gepleegd om aan dit boek te komen maar helaas
waren 2 exemplaren uitgeleend in Explora en 2 exemplaren verdwenen. Hierdoor
hebben we alleen op internet kunnen zoeken naar de mechanische eigenschappen in
cijfers.
Bronnen:
http://www.vink.com
http://www.lr.tudelft.nl/highlights/glare_nl.asp
http://nl.wikipedia.org/wiki/
http://www.kennislink.nl/web/show?id=106025
http://www.polyservice.nl/produkten.htm
http://nl.wikipedia.org/wiki/Hout
http://www.kuhlkamp.nl/index2.php?p=algemeen/materiaaleigenschappen&language
=NL
http://www.windpower.org/en/tour/design/index.htm
10
Bijlagen:
Metalen
Taaiheid treksterkte
(σ UTS)
(MPa)
Druksterkte Elasticiteit Buigsterkte Hardheid Bewerkbaarheid Slijtvastheid
(GPa)
Thermische
Chemische
eigenschappen eigenschappen
Ijzer
+
+
+
+
+
+
+
-
+
-
Aluminium
0
+
+
+
+
+
+
+
69
+
10
+
100
-
0
Brons
455
+
120
170-
0
0
+
+
+
0
+
+
+
+
+
+
400
+
250
220
860
++
+
+
+
+
+
0
+
-
0
-
+
0
+
0
+
+
0
+
0
0
+
0
+
++
+
-
0
+
0
++
+
+
Gietijzer (4,5
% C)
+
Staal
+
Messing
0
Koper
0
Roestvrijstaal +
0
+
11
Composieten
Taai
heid
Trek
sterkte
Druk
sterkte
Elasti
citeit
Buig
sterkte
Hout
Epoxy met
glasvezel
Polyester met
glasvezel
Glare
Gewapend
beton
+
+
0
+
0
+
+
+
+
+
+
+
+
++
+
+
0
+
+
++
--
Hard
heid
thermische
eigen
schappen
Chemische
Eigen
schappen
Kosten
Duurzaam
heid
gewicht
+
+
+
+
-
-+
+
+
+
+
+
-
+
+
++
--
+
+
++
--
++
-
-+
++
0
++
--
12
Kunststoffen
Taaiheid Treksterkte Druksterkte Elasticiteit Buigsterkte Hardheid thermische
Chemische
Kosten Duurzaamheid Gewicht
(N/mm²)
(%)
(N/mm²)
(Shore
eigenschappen eigenschappen
g/cm³
D)
Thermoplasten
PVC >
+
polyvinylchloride
50
0
20
80
85
-
-
+
+
1.41
PS >
polystyreen
PE >
polyetheen
+
36
-
40
57
72
-
0
-
+
1.02
+
27
0
>800
25
60
-
+
-
+
0.95
Thermoharders
UP >
onverzadigde
polyesters
EP >
epoxyharsen
+
+
+
+
+
+
+
+
-
+
+
+
220
+
+
350
+
+
+
-
+
1.9
13
Notulen
1
er zijn geen moeilijke woorden of onduidelijke begrippen.
2
de keuze van het materiaal maken aan de hand van bestaande tabellen en
indelingen met belangrijke materiaal eigenschappen.
3
- eigenschappen materiaal opzoeken
- mechanische eigenschappen
- beste materiaal eigenschappen voor een functie
- eisen opstellen
- Duurzaamheid
- rekbaarheid/ buigbaarheid
- corrosie
- (trek) sterkte
- gewicht
- kosten
- dichtheid
- bewerkbaarheid
- toepasbaarheid
- geleiding
- hardheid
- weersbestendig
- recyclebaar
- milieu vriendelijk
- trek en duw kracht
- smeltpunt
- welk materiaal waarvoor het beste
-
Kunststof
Staal
RVS
Aluminium
Beton
Legering
IJzer
Keramiek
Goud
Zilver
Koper
Tin
Hout
- Welke eisen zijn belangrijk voor het goed functioneren
- Materialen, schema, keuze
- Beoordelings schema
- Invloed (omgeving)
- metafoor (inleven)
zongevoelig / verkleuren / stuifzand/ veroudering/ uitdroging
4 eigenschappen / materialen / eisen
 indeling
5 leerdoelen:
-
- onderscheiden (aan de hand van eisen) van materialen
wat voor materialen
vaak toegepast
eigenschappen
indeling
15