Leerboek Materiaalkunde voor technici

Docentenhandleiding
Versie april 2010
Leerboek Materiaalkunde voor technici
Marcel Kooijman en Marc Pallada
978 90 395 2466 D
Deze docentenhandleiding hoort bij:
Titel:
Leerboek Materiaalkunde voor technici
Auteur:
Marcel Kooijman en Marc Pallada
Druk:
1e druk, juni 2009
Uitgegeven door: Sdu Uitgevers bv, Den Haag
ISBN:
978 90 395 2466 4
Copyright © 2010 Sdu Uitgevers
Academic Service is een imprint van Sdu Uitgevers bv.
ISBN 978 90 395 2466 D
Hoewel deze docentenhandleiding met zeer veel zorg is samengesteld, aanvaarden auteur(s) noch uitgever
enige aansprakelijkheid voor schade ontstaan door eventuele fouten en/of onvolkomenheden in deze
handleiding.
Inhoud
Woord vooraf .................................................................................................................................................................... 1
3
Materiaaleigenschappen .......................................................................................................................................... 2
Opgaven ..................................................................................................................................................................... 2
4
Materiaalkeuzemethoden ........................................................................................................................................ 9
Opgaven ..................................................................................................................................................................... 9
5
Modelvorming bij materiaalkeuze ........................................................................................................................ 14
Opgaven ................................................................................................................................................................... 14
6
Keuze van de productietechniek ........................................................................................................................... 20
Opgaven ................................................................................................................................................................... 20
Opdrachten ............................................................................................................................................................... 25
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
–1–
Woord vooraf
Voor u ligt een uitdraai van een groot aantal antwoorden bij het Leerboek Materiaalkunde voor technici.
Materiaalkundedocenten zijn altijd druk, vandaar dat wij naast onze baan niet altijd de tijd vinden om te
schrijven. De docenthandleiding is daardoor vertraagd.
We hopen een platform van gebruikers van het boek te kunnen vinden, waarbij we terugkoppeling kunnen
verwachten over hoe we boek, opgaven en collegestof nog beter kunnen afstemmen op de lespraktijk. Mocht
U dus vragen of commentaar hebben, dan horen we dat graag.
Leerboek Materiaalkunde voor technici is een lesboek, en wordt dus voor een deel gedragen door de
opgavenverzameling, die als probleemgestuurd onderwijs bijdraagt aan het ontwikkelen van kennis, inzicht
en communicatievaardigheid. De opgaven zijn dan ook niet louter bedoeld om kennis van de lesstof te
toetsen, maar eerder om inzicht en toepassingsvaardigheid te testen. Antwoorden op de opgaven staan dan
ook niet letterlijk in de tekst, maar kunnen ook door afleiding, methodisch werken, of uit andere bronnen
gevonden worden.
Daarnaast is er bij dit soort vraagstukken zelden één antwoord het enig juiste. Veel hangt af van de weging
van de argumenten, welke steeds zeer verschillende inhoudelijke achtergronden kennen. Smaak, gevoel,
praktijkervaring en economische argumenten worden bovendien vaak anders ingebracht dan rationeel
wetenschappelijke eisen. Vandaar dat de antwoorden die U in deze verzameling aan zult treffen wellicht op
punten kunnen afwijken van Uw eigen beste antwoord. We hopen dat dit net als bij onze lespraktijk
aanleiding zal geven tot een dialoog.
Bijgaand document is een groeidocument. Naast ontbrekende antwoorden zullen nieuwe inzichten ten
aanzien van de vraagstukken met geïnteresseerden worden gedeeld.
Naast antwoorden zullen er later ook didactische tips en sheets worden toegevoegd, deels gebaseerd op onze
eigen ervaringen met verschillende werkvormen en doelgroepen. Ook hierin hopen we op een open dialoog.
Dit zal mede bijdragen in bijstellingen van het boek, waardoor het ook meer en meer een product van U zelf
wordt.
Marcel Kooijman en Marc Pallada
April 2010
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
3
–2–
Materiaaleigenschappen
Opgaven
3.1.
1.
Geef van de volgende producten of materialen een of meer van de meest karakteristieke
eigenschappen:
a) elastiek
elastisch, hoge wrijvingscoëfficiënt met ander mat., dun rond, plat
b) schoolplein
bij school, betegeld, met speeltoestellen, uitgestrekt, vlak
c) waterleidingbuis
rond, hol, waterdicht, langwerpig, stijf, van koper
d) zand
kristallijn, klein, zandkleurig, korrelig, aan strand, steenachtig
e) klaslokaal
schoolbord, tafels, stoelen, in school,
f) verse stopverf
stinkt naar „verf‟, plastisch, hardt uit
g) surfplank
drijft net, lang ovaal 3m, bol, hydrodynamisch, kan mast op
h) beton
grijs, uit water/cement/kalk/grind, lage soortelijke massa
i) aluminium
licht voor een metaal (zwaarder dan beton!), buigzaam, zilverkleurig
j) sluisdeur
waterdicht, draaibaar of open te schuiven, in waterloop, groot genoeg om schepen door te laten
2.
Schrijf voor jezelf een definitie op van de volgende eigenschappen:
a) sterk
kan veel kracht hebben
b) permeabel
doorlaatbaar
c) krasbestendig
geeft geen beschadiging bij glijden tegen harde scherpe punten
d) lichtdoorlatend
transparant
e) taai
kan veel rek hebben
f) roestbestendig
vergaat nauwelijks meetbaar onder invloed van omgevingsmilieu
g) vast
heeft sterk gebonden atomen, sterker dan van vloeistof.
h) warm
relatief hoge temperatuur
i) luid
relatief groot geluidsvolume in dB
j) groot
relatief grote afmetingen
3.
Op grond van welke eigenschappen (geef er minstens drie) is het logisch dat ijzer, zink lood en
aluminium bij elkaar horen in de groep metalen?
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
–3–
goed stroomgeleidend, goed plastisch te vervormen, goed warmtegeleidend, relatief zwaar (t.o.v.
kunststoffen, keramiek)
3.2.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
3.3.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Welke producteigenschappen heeft een elektrisch aangedreven handboormachine? Maak
onderscheid tussen consumenteigenschappen, functionele eigenschappen, technische eigenschappen
en materiaalgebonden eigenschappen.
Op productniveau krijg je ongeveer de volgende eigenschappen:
consumenteigenschappen: handvorm, textuur, kleur, gewicht, balans, prijs, merk,
functionele eigenschappen: L/R, toerental, boormaatopname, lengte, klopmechaniek
technische eigenschappen: vermogen, voltage
materiaalgebonden eigenschappen: isolatie, stijfheid, sterkte,krasvastheid,
Bedenk drie producttesten om de sterkte van veiligheidsgordels voor auto‟s te testen.
essentie: massa moet vertraagd worden door gordel (1) dummy in auto bij botsproef, (2) “galg”
valgewicht valt over afstand x en wordt gestopt door gordel (3) trekproef met hoge snelheid
Beschrijf nauwkeurig een goede test om de opwarmcapaciteit van een waterkoker te testen.
essentie: tijd, temperatuur, volume en vermogen bepalen op productniveau, dus in toepasselijke
omgeving testen.
Beschrijf een goede test om de vormgeving van een tafel te beoordelen.
essentie: esthetische, tactiele en toepassingseigenschappen. gebruikersforum, testpanel, enquêteren
Teken het gebruik van een vork en bepaal de meest waarschijnlijke manier waarop de vork kan
bezwijken.
essentie: bij bijvoorbeeld het prikken in taai vlees treedt buiging op. goedkope vorken kunnen dan
afbreken bij het plastic handvat, of verbuigen zodanig (wegwerpbestek) dat ze disfunctioneel
worden.
Teken het gebruik van een schroevendraaier en bepaal de meest waarschijnlijke manier waarop deze
kan bezwijken.
essentie: bij gebruik treden torsie en druk op. Door torsie kunnen de contactvlakken met de schroef
indeuken of afbreken, door druk kan knik optreden. Veel schroevendraaier gaan kapot door verkeerd
gebruik (beitel, breekijzer)
Beschrijf nauwkeurig hoe je het gebruiken van een scheerapparaat kunt testen.
essentie 5 of meer personen uit beoogde doelgroep selecteren, bij voorkeur grensbepalende
gebruikers, en beoogd gebruik laten plaatsvinden. Analyseren van sensorische, fysieke en cognitieve
aspecten van het gebruik. Resultaat zijn uitspraken over hanteerbaarheid, kunnen vinden van
bedieningsorganen en begrijpelijkheid van werking.
Noem vijf factoren die de grip op een product bepalen.
handkracht, materiaal, vorm, natte/droge handen, ruwe/gladde handen
Noem vijf factoren die de tactiele warmte van een product bepalen.
warmtegeleidingcoëfficiënt, producttemperatuur, hardheid, kleur, stemming, buitentemperatuur
Ga voor jezelf na wat het hardste materiaal is, waarvan je met je hand nog de hardheid kunt meten.
essentie: verschilmeting tussen twee materialen mogelijk zodat een waarde van de hardheid kan
worden toegekend. Materiaal wordt iets van polypropeen of grenenhout
Matrasschuim is tactiel zacht en warm. Verklaar dit.
kleine kracht geeft grote indrukking, warmtegeleidingcoëfficiënt is laag door aanwezigheid van
ingesloten lucht.
Waarom kun je niet spreken van “de wrijvingscoëfficiënt van beukenhout”?
een wrijvingscoëfficiënt is een eigenschap van twee materialen ten opzichte van elkaar, gegeven
oppervlaktegesteldheid en smering (of geen smering)
Gegeven: de wrijvingscoëfficiënt van een elastomeer op gelakt hout is 1, die van een polyetheen op
gelakt hout is 0,4 en die van een polycarbonaat op gelakt hout is 0,2. Stel dat we een laptop met een
behuizing van polycarbonaat en een gewicht van 2 kg willen uitvoeren met pootjes van elastomeer,
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
8.
9.
3.4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
–4–
polyetheen, of zonder pootjes. Bereken het verschil in wrijving en ga na of de pootjes noodzakelijk
zijn.
met behulp van Fw=*Fn waarbij Fw de maximale wrijving is,  de wrijvingcoëfficiënt en Fn de
kracht normaal (loodrecht) op het wrijvingoppervlak. Met elastomeer pootjes is de wrijving van de
laptop maximaal 18,6N, met polyetheen pootjes 7,4N en zonder pootjes 3,7N. Op een hellend vlak
van hout zal de elastomeer niet weglijden, de poletheen voetjes als de hoek groter is dan 21,8 graden
en zonder voetjes zal de laptop bij een hoek van 11.3 graden wegglijden. Bij het typen op een vlakke
tafel kunnen de poletheen voetjes voldoen, zonder voetjes zal de laptop wegglijden.
Waarom voelt het stalen onderstel van een tafel warmer aan dan het kunststoffen bovenblad?
model: warmtestroom w=(TH-TL). Met TH de handtemperatuur en TL de temperatuur van blad en
onderstel zit het verschil in de warmtegeleidingcoëfficiënt van staal (bijlage A3, ca 47W/mK) en van
kunststoffen (bijlage A1, ca 0,2W/mK), scheelt een factor 250 in warmtestroom van de hand de tafel
in.
Er zijn kuipstoeltjes van polyetheen op een stalen onderstel voor in de kantine en eveneens
stapelbare stoeltjes met een zitting en een rugleuning van gebogen beukenmultiplex. Beschrijf het
verschil in tactiele ervaring
warmtegeleiding en stijfheid van beuken zijn hoger dan van PE, wrijvingcoëfficiënt is met huid en
kleding ook hoger. Beuken voelt dus steviger en kouder aan en geeft meer grip.
Rangschik de volgende producten op de mate van gewenste vormgevingsvrijheid ofwel
vormcomplexiteit: handvat van koekenpan, kast van polshorloge, kap van lantaarnpaal, euromunt,
kerstbal, cilinder van cilinderslot, motorkap automobiel, behuizing televisie, deurpost, kraanarmatuur
van verwarmingsradiator, vel papier, koffiemok, beschuitbus.
vel papier, beschuitbus, deurpost, kerstbal, motorkap automobiel, euromunt, koffiemok, kast van
polshorloge, handvat van koekenpan, behuizing televisie, kap van lantaarnpaal, kraanarmatuur van
verwarmingsradiator, cilinder van cilinderslot
Rangschik de volgend productiemethoden op volgorde van vormgevingsvrijheid: walsen, boren,
gieten, smeden, dieptrekken, buigen, frezen, boetseren, zagen, draaien, schuren.
boren, zagen, walsen, draaien, dieptrekken, smeden, buigen, schuren, gieten, frezen, boetseren,
Waarom kun je niet zeggen dat de gietbaarheid van een materiaal met de smelttemperatuur
samenhangt?
gieten gaat niet altijd samen met smelten, maar vindt soms plaats in een andere toestand dan de
eindtoestand van een materiaal. Keramiek wordt gegoten in poeder vorm of in slurry vorm,
thermoharders als nog niet uitgeharde vloeistof, rubber als nog niet elastische niet uitgeharde
pasta.
Staalplaat, vlakglas, hardboard, huishoudfolie. Allemaal vlak, glad. Geef de verschillende
productiemethodes en ga na of de productiemethode van het ene product voor een van de andere
producten gebruikt kan worden.
staalplaat: gieten gevolgd door vele walsstappen gevolgd door snijden of knippen
vlakglas: gieten en strekken, gevolgd door snijden
hardboard: pulp gieten en persen gevolgd door drogen en zagen
huishoudfolie: metaal: gieten gevolgd door vele walsstappen gevolgd door snijden
huishoudfolie: kunststof: extrusieblazen gevolgd door snijden en strekken en weer snijden. Kan ook
met vlakglas. De andere methoden zijn niet uitwisselbaar.
Waardoor wordt de lasbaarheid van een materiaal bepaald?
door de moeite die je moet doen om door middel van lassen een verbinding te maken. Die moeite
heeft met name betrekking op eventuele voorbereidingen (schuren, desoxideren, voorverwarmen) of
nabehandelingen (spanningsarmgloeien, opnieuw harden, slijpen, passiveren)
Hoe kan het lassen door middel van warmte tot spanningen leiden?
door warmte zetten producten uit, door stollen krimpt de las, door afkoelen krimpt een product, door
structuurtransformaties ontstaan spanningen in kristallen. Als de constructie niet in staat is om de
vervormingen als gevolg van de krimp vrij te laten plaatsvinden, zullen spanningen onstaan.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
3.5.
1.
2.
3.
–5–
Schrijf voor jezelf een definitie op van de volgende eigenschappen: sterk, taai, slap, stug, bros, stijf,
zwak, met bijbehorende grootheden en bedenk van ieder twee voorbeelden van een materiaal dat de
betreffende eigenschappen heeft.
sterk, hoge treksterkte, titanium, hogesterkte staal
taai, grote rek na breuk, polyetheen, dieptrekaluminium
slap, lage E-modulus, rubber, elastomeer
stug, hoge rekgrens, titanium, roestvast staal
bros, lage rek na breuk, rubber, keramiek, polystyreen
stijf, hoge E-modulus, keramiek, staal
zwak, lage treksterkte, polyetheen, lood
Plaats de eigenschappen uit de vorige vraag per twee tegengestelde bij elkaar (bv sterk-zwak) sterkzwak, stijf-slap, bros-taai, stug-week
Stel dat gegeven is uit een trekproef, de volgende kromme met meetwaarden: Leg uit waarom de
kracht - verlengingskromme een maximum heeft, dus waarom deze omlaag loopt naar het eind toe.
de kracht, gemeten bij de proef loopt omlaag, omdat de staaf op een plaats dunner wordt, waardoor
het minder kracht vergt om de staaf verder op te rekken.
Fmax
Kracht
F
Uitgangslengte l0 = 50 mm
Uitgangsdiameter D0 = 10 mm
Fmax = 46000 N
Verlenging na breuk opgemeten: l =2,75 mm
Kleinste diameter na breuk: 7,2mm
Verlenging l
a) Bepaal de treksterkte van dit materiaal.
met T=Fmax/A0 = 46000/(/4*102)=585,7N/mm2 (=585,7MPa)
b) Bepaal de breukrek, dus de rek na breuk van dit materiaal
br=lbr /l0 in de figuur vanuit het breekpunt evenwijdig aan de moduluslijn omlaag, lbr aflezen,
delen door l0. Wordt 2,75/50=5,5%
Kracht
F
Verlenging l
c) Bepaal de rek vóór breuk van dit materiaal
vanuit breekpunt recht omlaag, lmax aflezen, corrigeren met de 2,75mm van aflezing bij b)
levert correcte schaal voor l. lmax wordt 29/22 maal 2,75 (opmeten in boek) dus 3,625 mm
max=lmax / l0, = 7,25%
Kracht
F
Verlenging l
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
–6–
d) Bepaal de elastische terugvering in mm na breuk van deze trekstaaf
uit c en d: lmax-lbr 3,625-2,75=0,875mm
e) Bepaal de lengte van de staaf net vóór het breken
aflezen uit d, l0 erbij optellen: 3,625+50=53,625mm
f) Vertaal de assen van de kromme naar waarden voor de spanning en de rek.
je weet max (treksterkte uit a) en max (rek voor breuk uit d)hiermee kun je de assen voor  en 
uitzetten.
Spanning

585MPa
400
300
200
100
1
2
3
4
5
6
7
Rek 
g) Bepaal aan de hand van deze kromme de proportionaliteitsgrens
aflezen bij f: p= 490MPa (488MPa)
h) Bepaal aan de hand van deze kromme de 0,2 rekgrens
bij f =0,2 intekenen, van hieruit evenwijdig aan moduluslijn omhoog, bij snijpunt met
trekkromme de spanning aflezen: 510 MPa (508MPa)
i) Bereken aan de hand van deze kromme de E-modulus van dit materiaal
lees eerst de bij de proportionaliteitsgrens behorende rek af (=p):0,0175 bepaal E:
E=p/p=27885MPa
j) Bepaal de insnoering van de staaf
dit is de procentuele doorsnede oppervlakte afname:

2
A0  Aeind D02  Deind
100  7,2 2


 48,16%
A0
100
D02
k) Bepaal de ware spanning ter plekke van de breuk op het moment van breken
aflezen uit F-l-diagram (zie opgave) wat de kracht is op het moment van breken. Neem aan dat
de terugvering in de dikte verwaarloosbaar is en dat de doorsnede op het moment van breken
gelijk is aan de dunste doorsnede na breuk.  w,breuk 
l)
4.
5.
Fbreuk
38333

 941,5MPa
2

Aeind
4 7,2
Stel dat we na 1,5 mm plastisch oprekken een nieuwe trekproef doen. Bepaal de
werkversteviging, dus de nieuwe rekgrens en treksterkte. Ga er voor de berekening van de
nieuwe AŌ van uit dat l0A0 = lŌAŌ
ga in het F-l diagram bij 1,5mm verlenging evenwijdig aan de moduluslijn omhoog naar de
trekkromme. Lees de kracht bij het snijpunt af. Deze kracht gedeeld door de nieuwe AŌ levert de
nieuwe rekgrens op. Fmax/ AŌ levert de nieuwe treksterkte op. Deze komen nagenoeg overeen
omdat de 1,5 mm plastische rek vlak bij het maximum zit.
AŌ= l0A0/lŌ=50*100*/4/51,5=76,25mm2 waarmee de nieuwe rekgrens 603MPa wordt.
Geef een voorbeeld van een materiaal dat taai en tevens week is. Licht toe.
(hint: taai wil zeggen grote breukrek, week wil zeggen lage rekgrens. Dit kunt je per materiaal
opzoeken in de tabellen) polyetheen, polypropeen
Geef een voorbeeld van een materiaal dat slap en sterk is. Licht toe. (hint: schets de trek-rekkromme)
lage E, maar toch hoog einde, is karakteristiek voor rubbers
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6.
–7–
Gegeven de hiernaast getekende trek-rekkrommes van een viertal materialen. Het gaat om een
technische kunststof, twee staalsoorten en een aluminiumlegering.
500

1
400
[MPa]
300
2
3
4
200
100
c.
d.
5
10
4
15
20
25
30
35
 [%]
40
45
Geef aan:
a. welke kromme hoort bij welk materiaal?
1 en 2 staal, 3 aluminium en 4 de kunststof
b. op grond van welke eigenschap en waarom? De beide staal soorten hebben de
zelfde E, aluminium heeft een lagere E en kunststof heeft geen rechtlijnig gebied.
c. Geef de rek ná breuk van materiaal nr. 2. Laat dit zien in de trekkromme!
11%
d. Geef de rekgrens van materiaal nr.4. Laat dit zien in de trekkromme!
Overweging: bij kunststoffen is het moeilijk uit de kromme de grens te halen tot
waar je een constructie mag belasten. In deze kromme is te zien dat het
materiaal naar een maximale spanning toegaat, dus hier zal een bezwijkgedrag
optreden. Het verdient aanbeveling de spanning lager te houden. Ook als dit een
rubber was geweest, is dit aan te bevelen voor langdurige belastingen. Vandaar
de aanname: ca 65MPa
Als gevolg van de een of andere belasting, bijvoorbeeld warmte-uitzetting, wordt
een constructie opgerekt met 5%. De constructie is gemaakt van materiaal nr. 1.
Er treden steeds scheuren op.
e. Laat in trekkromme zien dat er inderdaad scheuren optreden.
De maximale rek voor breuk van materiaal 1 is ca 3,5%. Als de constructie 5%
oprekt, wordt dit overschreden.
f. Is het een goed idee om de constructie van het zwakkere materiaal 2 te maken?
Licht een en ander toe. Geef eventueel randvoorwaarden.
Materiaal 2 kan meer rek hebben. Maar komt met 5% ruim in het plastische
gebied. Dus niet aan te bevelen
3.6.
1.
2.
Teken het lichtverloop van opzij gezien bij het gebruik van een metaalmicroscoop, voor een
preparaat met korrelgrensetsing. (Teken dus de op het preparaat vallende en weerkaatsende
bundel)essentie: ter plekke van de korrelgrenzen zitten groeven in het materiaal als gevolg van het
etsen.
Beredeneer of je een metaalmicroscoop zinvol kunt gebruiken voor het bestuderen van een blokje
kunststof.essentie: kunststof reflecteert niet, en het licht raakt verstrooid in het materiaal. Eventueel
kan de volumevezelfractie van vezelversterkte kunststoffen worden bestudeerd, of de topografie van
donkere kunststofoppervlakken. In het algemeen is deze vorm van onderzoek niet toepasbaar voor
kunststoffen.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
3.
4.
3.7.
1.
2.
3.
4.
5.
–8–
Leg uit aan de hand van een theorie over de opbouw van materialen waarom de sterkte van een
materiaal afneemt als de temperatuur van dat materiaal toeneemt. Als de afstand tussen de atomen
toeneemt, zal de bindingssterkte afnemen. Door verwarming zet een materiaal uit, wat inhoudt dat
de afstand tussen de atomen groter geworden is.
Stel dat in een ontwerp van een koffiezetapparaat het warmhoudplaatje ingeklemd zit tegen het
kunststof huis, dat van polystyreen gemaakt is. Bepaal de maximale temperatuur die het
warmhoudplaatje mag hebben. Aflezen in tabel in bijlage A1 pagina 261: maximaal 60C
Wat maakt dat veel metalen gaan corroderen?De metaalbinding is chemisch gesproken niet stabiel:
metaalatomen zullen aan de buitenkant van producten blijven proberen om een stabiele ionbinding
aan te gaan met niet-metaal. Hierbij ontstaan oxiden, sulfaten, chlorides etcetera, in feite
steenachtige ertsen.
Waarom leidt de aanwezigheid van vocht vaak tot corrosie
vocht biedt metaalionen de gelegenheid om op te lossen. Een potentiaalverschil is dan voldoende om
corrosie in te leiden
Geef drie manieren van corrosiebescherming, welke elk een andere corrosievoorwaarde uit het rijtje
van drie teniet doet.
verf houdt de elektrolyt weg, kunststof isolatieringen kunnen een metallisch contact opheffen
waardoor het potentiaalverschil vervalt, legeren kan leiden tot het ontstaan van een passieve in
plaats van een actieve corrosielaag.
Stel dat gegeven is dat de corrosiesnelheid van een Aluminiumlegering in leidingwater 0,2 m per
jaar bedraagt, maak dan een schatting van de hoeveelheid Aluminium die een gezin binnenkrijgt als
er elke dag gekookt wordt met twee liter water in een pan uit dat materiaal met een diameter van 23
cm.
aannames: de twee liter wordt geheel geconsumeerd, en kookt in tien minuten en de corrosiesnelheid
geldt minimaal ook voor kokend water. Diameter 23 cm bij 2 liter dus het water staat
H=V/A=2000/(/4*232)=4,813cm hoog. Totale oppervlakte van water/aluminiumcontact wordt
437,8+415,5=853,3cm2=853,3*10-4m2 . contacttijd wordt 365*10 minuten = 1/(24*6)=1/144 jaar,
dus volume aan aluminium wordt 1/144*853,3*10-4*0,2*10-6m3 =1,18*10-10m3 , maal soortelijke
massa 2730kg/m3 wordt 3.235*10-7kg ofwel 0,32mg.
Welk van de kunststoffen uit bijlage A1 mag gebruikt worden voor bekledingsmaterialen of panelen
in vliegtuiginterieurs?
letten op brandgedrag, met bijlage C5! HB en V-2 mogen niet, met behulp van Matweb.com kan
worden bepaald dat thermoharders als EP en UP kunnen en van der thermoplasten PEI, PI,
PAI,PSU. PTFE en PVC vallen alsnog af wegens giftige dampen.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
4
–9–
Materiaalkeuzemethoden
Opgaven
4.1.
1.
1 a.
1b
2.
3.
4.
5.
4.2.
1.
a.
b.
c.
d.
2.
Kies een materiaal voor de behuizing van een wekkerradio, op grond van het gevoel dat het net zo
iets wordt als van een koffiezetapparaat.
je kiest dan op vorm, apparaattype binnenshuisgebruik, glans kleur. PS en ABS zijn mogelijk
interessante uitkomsten
Wat gaat er goed en wat gaat er fout bij deze benadering?
Ondanks dat de warmtebestendigheid en de waterbestendigheid geen rol spelen bij een wekkerradio,
kan dit toch goed gaan vormbaarheid kleurbaarheid en spuitgietbaarheid van beide producten zijn
vergelijkbaar. Het kan echter zijn dat een te dure kunststof wordt gekozen. ABS is wat overdreven
voor een wekkerradio.
Kies op grond van je gevoel een materiaal voor de propeller van een tafelventilator, als deze een
„jaren vijftig chroom look‟ moet hebben. Beschrijf je keuzeroute.
vorm, glans en kleur leiden tot twee mogelijke denkrichtingen: gepolijste omgevormde metaalplaat
en gemetalliseerde gespuitgiete kunststof. De uiteindelijke keuze hangt af van toelaatbare prijs en
seriegrootte
Denk je dat hout een geschikte materiaalgroep is om frame buizen voor een fiets van te maken?
Beschrijf je denkroute aan de hand van eigenschappen.
ja want licht, sterker en stijver dan veel kunststoffen. Minder geschikt vanwege de variatie in
eigenschappen van deze groep materialen door knoesten. Ook weerbestendigheid is ongunstig.
Bewerkingskosten zijn hoog alleen niet denken in termen van buizen (behalve bamboe) liever met
massieve stokken of plaatframe van multiplex.
Denk je dat beton een geschikt materiaal is om roeiboten van te maken? Beschrijf je denkroute aan
de hand van eigenschappen.
ja, zo is beton begonnen als industrieel materiaal! Zie http://www.concreteships.org/history/ het is
lichter dan aluminium, niet veel zwaarder dan sommige kunststoffen, waterbestendig en goed en
goedkoop te vormen.
Wat zijn de belangrijkste eigenschappen die een handboormachine moet hebben? Schrijf eerst op wat
je kunt bedenken en kijk welke eigenschappen je er bij krijgt als je de materiaalkeuzechecklist erbij
pakt.
denk op productniveau! Goede handligging, voldoende vermogen, geschikte toerentallen,
links/rechtsdraaiend, wel of geen klopmechaniek, wel of niet snoerloos, lichtgewicht, duurzaam,
voldoende range aan boormaten te gebruiken, niet te duur. Voor de materiaalkeuze komen zaken als
soortelijke massa, elektrische geleiding, stugheid, stijfheid, slijtvastheid, kleurbaarheid,
vormbaarheid en grip (wrijvingscoëfficiënten) voor de verschillende onderdelen naar voren.
Kies uit elke materiaalgroeptabel uit bijlagen A1 t/m A11 twee materialen en plaats deze op volgorde
van:
Sterkte
dus kijk naar treksterkte als eigenschap polypropeen - siliciumnitride
Taaiheid,
dus kijk naar breukrek aluminium - polyetheen
Soortelijke massa
dus polystyreen - staal
Warmtegeleidingscoëfficiënt
dus aluminiumoxide - aluminium
Teken in één figuur de trekrekkromme van twee metalen, twee, keramieken, twee kunststoffen en
twee composieten op grond van de tabelwaarden uit bijlage …
logisch is ook hier uit bijlagen A1 t/mA11 . zet uit op de y as de spanning van 0 – 1000MPa en teken
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
– 10 –
af waar de gegeven rekgrens en treksterkte zich bevinden van acht materialen, twee per groep. Zet
uit op de x –as de rek van 0-100 % en bereken met de E-modulus en de rekgrens E wat de rekgrens
E in rek uitgedrukt wordt, volgens
E = E / E. Hiermee kun je het globaal verloop van de moduluslijn schetsen. Zet de breukrekken op
de x-as uit en teken evenwijdig aan de moduluslijn een lijn vanaf de breukrekwaarden op de x-as,
hier ligt globaal het breekpunt van de curven. Nu is het mogelijk globaal verschillende curven te
schetsen, waarbij de kunststofcurven krom beginnen en de keramieken en metalen met een rechte
moduluslijn.
4.3.
1.
2.
3.
4.4.
1.
a.
b.
c.
2.
3.
4.
5.
Welke twee eigenschappen bepalen de materiaalkeuze voor de kop van een hamer? Maak zichtbaar
door te kiezen aan de hand van prioriteiten hoe het materiaalkeuzeproces kan verlopen en welke
materialen dan geschikt blijken.
slagvastheid en vormvastheid (eventueel soortelijke massa). Op grond van slagvastheid vallen
keramiek, de meeste thermoplasten en thermoharders uit, en blijven rubbers enige acrylaten, en de
metalen over. Op grond van vormvastheid vallen de meeste zachte metalen af, en kom je op
ijzerlegeringen, koperlegeringen en dus rubber en acrylaat uit.
Welke twee eigenschappen bepalen de materiaalkeuze voor de ruiten van een trein? Maak zichtbaar
door te kiezen aan de hand van prioriteiten hoe het materiaalkeuzeproces kan verlopen en welke
materialen dan geschikt blijken.
Dit is typisch een voorbeeld van een materiaalkeuzevraag die in aanvang met de prioriteitenmethode
moet worden opgelost. Eerste prioriteit is namelijk de doorzichtigheid. Dit verkleint de groep
materialen enorm! Je komt dan op de glasachtige keramieken en een aantal kunststoffen zoals
PE,PP,PS,PMMA,PC,PA. Op grond van de kwaliteit van de doorzichtigheid vallen PE,PP en PA er
ook uit. De tweede prioriteit is de slagvastheid, op grond hiervan vallen de meeste glassoorten uit,
terwijl de kunststoffen niet krasvast genoeg zijn (derde prioriteit) Voor een voorruit moet daarom
voor een kunststof/glas laminaat worden gekozen dat de eigenschappen slagvast en krasvast
combineert. Voor de zijruiten kan worden volstaan met een minder slagvast glas, dat bovendien in
verband met noodsituaties ook nog ingeslagen kan worden.
Welke twee eigenschappen bepalen de materiaalkeuze voor de kan van een koffiezetapparaat? Maak
zichtbaar door te kiezen aan de hand van prioriteiten hoe het materiaalkeuzeproces kan verlopen en
welke materialen dan geschikt blijken.
Ook hier is er meteen een tweetal eerste prioriteiten: warmtegeleiding en corrosiebestendigheid. Je
ziet dit terug in oplossingen als kunststof, glas en de combinatie van RVS met vacuüm.
Bereken de elektrische weerstand van een draad van 1 km lengte met een diameter van 2 mm, als de
draad van zuiver koper, dan wel van aluminium gemaakt is.
Bereken het gewicht van een draad van 1 km lengte met een diameter van 2 mm, als de draad van
zuiver koper, dan wel van aluminium gemaakt is.
Bereken uit de antwoorden bij a en b de weerstand per gewichtseenheid van de beide draden
Bereken de warmtestroom door een caravanwand van kurk met een oppervlak van 50m2 en een
wanddikte van 80mm bij een binnentemperatuur van 22°C en een buitentemperatuur van -5°C
Bereken hoe dik een gipsblokkenwand (pleisterkalk) moet worden om net zo goed te isoleren als de
wand uit opgave 14.2, van 80mm dik kurk
Laat zien aan de hand van een tabelletje, hoe een vezelversterkt kunststof, een aluminiumlegering en
een cementblok zich verhouden voor de toepassing van het vliegwiel uit §4.4. Reken dus de
 E  uit, aan de hand van de tabellen in bijlagen A t/m E.
Een wielenfabriek wil fietsspaken gaan maken die super licht moeten zijn, en die per spaak 140 kg
kunnen dragen. Als je uitgaat van de tabellen en rekent met een spaaklengte van 300 mm, leidt dan
af aan de hand van gewicht en spanning welk materiaal het meest geschikt is.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6.
De wiek van een ventilator ondergaat als gevolg van het ronddraaien een centrifugale spanning,
waardoor er een trekspanning aan de voet van de wiek ontstaat. De grootte van de centrifugaal
spanning is afhankelijk van het gewicht G van de wiek, de afstand r ten opzicht van de as waarop het
zwaartepunt ligt en het toerental  van de ventilator, volgens:
c 
a.
b.
c.
d.
e.
f.
4.5.
1.
a.
b.
1.
2.
3.
4.6.
1.
2.
– 11 –
G 2 r
Ar
Stel dat we een ventilator hebben van twee meter diameter en met wieken, die aan de voet een
rechthoekige doorsnede hebben met een breedte van 100 mm en het windoppervlak van de
ventilatorwiek 106 mm2 groot is. Neem aan dat het zwaartepunt van de wieken op r = 750 mm van de
as ligt. Bepaal dan:
Een formule voor het volume van de wiek als functie van de dikte
Een formule voor het gewicht van de wiek als functie van de dikte
Een formule voor de centrifugaalkracht als functie van toerental en gewicht
Een formule voor de optredende spanning aan de voet van de wiek als functie van het toerental en
van het gewicht
Een formule voor de minimale benodigde voetoppervlakte Av als functie van de rekgrens 0,2.
Een formule voor het minimale gewicht van de wiek als functie van de rekgrens 0,2 en de soortelijke
massa .
Lees af in het stijfheid <> soortelijke massa diagram wat de specifieke stijfheid is van eikenhout
(loodrecht op de nerf), nylon en lood
(lees af: E en , bereken E/) eikenhout (loodrecht op de nerf)0,555 , nylon 1,9 , en lood 1,5.
Als je het goed hebt gedaan zijn de waarden die je bij a. gevonden hebt gelijk. Wat wil dat zeggen?
Helaas zijn er meerdere diagrammen van Ashby in omloop. De opgave is gemaakt aan de hand van
een ouder E/ diagram... Als de waarden gelijk zijn, hebben de drie materialen dezelfde specifieke
stijfheid en zullen dus hetzelfde gewicht geven bij dezelfde stijfheid, gemeten op trek, al zal lood
dunner uitgevoerd worden dan eikenhout  vezel. In dit geval heeft lood zelfs een hogere specifieke
stijfheid dan het eiken. Overigens heeft Eiken in de lengte belast dus parallel aan de vezel een veel
hogere stijfheid en daarmee ook een hogere specifieke stijfheid (20)
Lees af in het diagram stijfheid <> soortelijke massa wat de soortelijke massa is van de kunststof
Teflon (PTFE) en van het metaal Beryllium.
Teflon: aflezen op de -as: 2Mg/m3=2000kg/m3. Beryllium: Helaas zijn er meerdere diagrammen
van Ashby in omloop. De opgave is gemaakt aan de hand van een ouder E/ diagram... Beryllium
heeft dezelfde soortelijke massa als teflon.
Als je met Teflon of met Beryllium zou gaan construeren, met welk kun je dan waarschijnlijk de
lichtste constructie maken? Verklaar je antwoord.
Met beryllium omdat deze een hogere stijfheid heeft kun je hiermee dunner construeren.
Sommige carbonvezel versterkte kunststoffen hebben dezelfde stijfheid als titanium. Met welke kun
je waarschijnlijk lichter construeren? Verklaar je antwoord.
De kunststoffen: je mag even dik construeren op basis van de stijfheid, maar ze hebben wel een
lagere soortelijke massa.
Hout, evenwijdig belast aan de nerf, heeft dezelfde specifieke sterkte als verschillende staalsoorten.
Je kunt dus twee constructies maken (één van hout en één van staal) met dezelfde sterkte, die even
zwaar zijn. Hoe verhouden zich de volumes van die twee constructies?
als het omgekeerde van de verhouding van de soortelijke massa: Vh:Vs=15:1
Technisch keramiek is duidelijk één van de sterkste materiaalgroepen. Afgezien van de geringe
taaiheid en slagvastheid, waarom kun je toch niet uit het sterkte <> soortelijke massa diagram
concluderen dat je misschien wel rijwielspaken van keramiek zou kunnen maken?
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
3.
4.
5.
6.
7.
a.
Het sterkte tegen soortelijke massa diagram zegt natuurlijk niets over productieaspecten. Stel echter
dat het inderdaad mogelijk is een dunne draad te maken, dan geeft het diagram alleen de druksterkte
weer in het geval van keramiek. Een fietsspaak wordt in de gebruikelijke vorm op trekspanning
belast.
Verklaar waarom de poreuze keramieken maar 1 procent van de sterkte halen van de sterkte van
technische keramiek.
De poriën werken als kerven voor scheurgroei en kunnen daarnaast de effectieve
materiaaldoorsnede met wel 60% doen afnemen.
Verklaar waarom de specifieke sterkte toeneemt met de specifieke stijfheid.
sterkte en stijfheid hangen sterk samen met de compactheid van het atoomrooster of van de stapeling
van de atomen: hoe compacter hoe meer atoombindingen hoe sterker en tevens hoe stijver. Echter:
hoe compacter is ook hoe zwaarder, dus stijgende sterkte en stijfheid gaan beide samen met stijgen
de soortelijke massa. De relatieve verhouding blijft dus in stand.
Lees af in het specifieke sterkte <> specifieke stijfheid diagram wat de specifieke stijfheid is van
eikenhout (loodrecht op de nerf), nylon en lood. Als het goed is, krijg je dezelfde waarden als in
opgave 1.5.1.a.
Helaas zijn er meerdere diagrammen van Ashby in omloop. De opgave is gemaakt aan de hand van
een ouder E/ diagram... De drie zouden dan op dezelfde hoogte moeten liggen…
Geef een voorbeeld van een constructie waarin knik zou kunnen optreden.
slank en onder druk staand in lengterichting: steigerpalen, voedingsspillen van draaibanken,
roerstaafjes, bierblikjes (rimpelknik).
Stel dat de kostprijs van betonijzer 1,70 euro/kg bedraagt, wat is dan de kostprijs van HDPE
(polyetheen)? (Hint: je hebt ook  nodig!)
een opmerkelijke standaard! In het rekgrens tegen kostprijs diagram kun je zien dat PE een relatieve
kostprijs per volume heeft van 0,2. Dus 1 kubieke meter PE kost evenveel als 0,2 kubieke meter
betonijzer. Met de  erbij: 1 m3 HDPE weegt 930kg en kost evenveel als 0,2 m3 maal 7850 (=staal)
kg/m3 maal €1,70/kg in euro‟s. Dus de kostprijs van PE wordt
b.
8.
9.
10.
0,2  7850  1,70
 2.87 €/kg
930
Met je antwoord bij a. weet je de verhouding in prijs per kilogram voor betonijzer en polyetheen.
Wat is dan de verhouding in prijs per kubieke meter?
die is natuurlijk al gegeven in het diagram: 0,2
Stel dat een metaal wordt gebruikt om de klap van een botsing met een auto tegen een muur te
dempen. Beschrijf mede aan de hand van de trek-rekkromme op welke wijze de energie wordt
opgenomen als elastische en plastische energie.
Arbeid is kracht maal weg. Volgens dat idee kun je de energie die in vervorming gaat zitten
beschouwen als kracht maal vervorming ofwel spanning maal rek. Deze wordt gevonden als de
integraal  d , dus de oppervlakte onder de trekrekkromme over het vervormde gebied. Zie ook
§3.5.
Beschrijf aan de hand van de microstructuur van thermoplasten waarom deze goede dempende
eigenschappen hebben.
De lange vezels zetten vervormingsenergie om in elastische rek en in wrijving tussen de ketens.
Acoustische demping ontstaat doordat vibrerende luchtdeeltjes tussen de ketens aan de oppervlakte,
of bij schuimen zelfs in de kunststof, vele malen worden weerkaatst waar door de energie er uit gaat
met als gevolg demping.
Hoeveel procent in één richting krimpt een kunststof product uit PP (Polypropeen) als deze in een
mal wordt gespoten bij een temperatuur van 160°C en daarna afkoelt tot 25°C?
Met T=160-25 en de uitzettingscoëfficiënt van 8,6*10-5 m/mK wordt de totale krimp:
l  lT 
11.
– 12 –
l
 T  8,6  10 5 (160  25)  0,01161  1,16%
l
Je zou denken dat een metalen product minder krimpt dan het Polypropeen uit de vorige vraag,
omdat de temperatuuruitzettingscoëfficiënt van metalen kleiner is dan van kunststoffen. De
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
– 13 –
smelttemperatuur van metalen is echter ook hoger, waardoor er meer krimp kan ontstaan. Bereken of
de krimp van een gietstalen product, dat wordt gegoten bij 1600°C en afkoelend naar 25 °C groter is
of kleiner is dan van het Polypropeen uit de vorige vraag. Reken met koolstofstaal (C-staal).
zelfde idee: l  lT 
12.
13.
14.
l
 T  1,52  10 5 (1600  25)  0,02394  2,39%
l
Wat is een geschikter materiaal voor scheidingswanden in een kantooromgeving uit oogpunt van
akoestische eigenschappen, hout, staal of polyetheenschuim. Verklaar je antwoord aan de hand van
een model van de situatie.
model: demping van hoge stemgeluiden en vermijding van weerkaatsing is gewenst, vraagt dus om
gemiddelde helderheid en lage weerkaatsing hout vormt een goed gemiddelde, schuim heeft wellicht
een te lage helderheid.
In het diagram van de slijtagefactor tegen de hardheid is niet opgenomen welk materiaal het
tegenmateriaal is waarop de slijtage wordt ondergaan. Beredeneer of dit van belang is.
Dit is zeker van belang; bij een goede analyse van slijtage hoort ook een studie naar de aard van de
slijtage. Als er uit één der oppervlakken harde, werkverstevigde deeltjes uitbreken, kan dat gevolgen
hebben voor de andere oppervlakte. Als de materialen te gelijksoortig zijn, kan er een soort van
lasvorming ontstaan, waardoor ze beide uitbreken. Het diagram gaat uit van een “passende” druk
ten aanzien van het materiaal.
Stel dat we een onderlaag willen hebben voor ski‟s en voor schaatsen. Beredeneer waarom bij ski‟s
met een kunststof kan worden gewerkt terwijl je moet schaatsen op een metaal.
Schaatsen is mogelijk door voldoende hoge druk op ijs, waardoor dit vloeistof wordt. Kunststoffen
zijn echter niet geëigend voor hoge drukken. Op ski‟s heb je automatisch lagere drukken.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
5
– 14 –
Modelvorming bij materiaalkeuze
Opgaven
5.1.
1.
Benoem de functionele eigenschappen die je kunt modelleren van de volgende producten:
a. Een wasknijper
b. De buitenspiegel van een auto
c. Een computermonitorbehuizing
d. Stel een eisenpakket op voor een elektrisch aangedreven heggenschaar
2.
3.
4.
5.2.
1.
2.
3.
5.3.
1.
2.
3.
a. Loop de checklist uit bijlage C3 na en breid het eisenpakket uit.
b. Scheid de producteisen en de materiaaleisen
c. Benoem de beperkende eisen en de functionele eisen
d. Noteer op welke eigenschappen je let als je een heggenschaar koopt
e. Welke eigenschappen van het mes gedeelte van de schaar kunnen gemodelleerd worden?
Je maakt een fietsframe van 3 kilogram. Welk volume aan staal vertegenwoordigt dat? En welk
volume aan PP/30%glas? Beantwoord de vraag met een model
Koolstofstaal is per kubieke meter ruim tien keer zo duur als polyetheen, en per kilogram goedkoper.
Verklaar dit verschil met behulp van een model
Beschrijf alle fundamentele interacties bij het aanraken van een tafeloppervlak door een hand zonder
handschoen.
Welke fundamentele aspecten bepalen de grip op een handvat.
Welke fundamentele aspecten bepalen de slijtage van een oppervlak door de schurende werking van
zand?
Laat zien dat er eigenlijk geen verschil is tussen de doorbuigingsformule voor een éénzijdig
ingeklende balk met een rechthoekige dan wel met een vierkante doorsnede.
Een ontwerper wil een vierkant deksel (600600mm) ontwerpen voor over de vier pitten van een
gasfornuis en heeft de keuze tussen een vierzijdig opgelegde vlakke glasplaat van 4 mm dik en een
kap van 2 mm dik roestvast staal met omgezette randen, te beschouwen als vierzijdig ingeklemde
plaat. Welke is het meest stijf?
Een ontwerper heeft een hanglamp bedacht waarvan
de voet achter een bank staat, terwijl de lamp aan
een cirkelvormige dunne boog over de bank de
kamer in hangt. Als je aanneemt dat de kracht van de
lamp plus gebruik loodrecht naar beneden maximaal
50 N bedraagt, wat is dan de minimale
buitendiameter van de gebogen buis, als de
binnendiameter ervan in verband met de
stroomdraden 9 mm moet bedragen? Ga voor de
materiaalkeuze uit van de volgende mogelijke kandidaatmaterialen:
Materiaal
Staal AISI1020
Roestvast staal AISI 304
Koper
E-modulus
[Mpa]
210000
207000
117000
Rekgrens
[Mpa]
295
205
345
Treksterkte
[Mpa]
400
515
380
Prijs
[€ / kg]
0,5
2
4
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
5.4.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
– 15 –
Een karabiner is een soort klikhaak die gebruikt wordt door
bergbeklimmers om de klimtouwen door te leiden en aan de in de berg
geslagen haken te bevestigen. Berekend is, bij een standaard maat, dat de
rekgrens minimaal 225MPa moet zijn. Stel dat er t.a.v. de sterkte, een even
goede kunststof en een metaal worden gevonden, wat kan dan een
belangrijkste tweede keuze argument worden, en welk materiaal komt er
dan uit? Beargumenteer je antwoord.
De optredende spanningen bij gebruik kunnen dus tot 225N/mm2 oplopen. Neem aan dat je moet
rekenen met trekspanningen. Bepaal een geschikt productmodel.
Is de sterkte of de stugheid van belang? Licht toe.
De sterkte of stugheid moeten hoog zijn, en het gewicht moet laag zijn. Bepaal een kental waarin
beiden gecombineerd zijn.
Welk van de in de tabel staande materialen komt in aanmerking voor de karabiners? Licht toe.
Beschrijf een geschikte procesroute voor het maken van karabiners.
Materialen ten behoeve van een karabiner. De waarden zijn globaal en voor materiaal in
zachtgegloeide toestand.

Materiaal
E
E
HRc
BR
Euro
Verspaan[kgm- [Nmm-2] [Nmm-2]
[%] / kg
baarheids- index
3
]
Staal AISI 1007
7850
207000
280
24
28
0.50
100
Staal AISI 4140
7850
207000
340
45
25
1.50
25
Nylon RZ1100
1100
28000
40
150
25
1,50
150
Shore
Gietijzer GG350
7750
190000
240
35
0
0,40
50
Aluminium AISI A355
2770
69000
120
21
30
2,00
110
Magnesium AISI
1770
44800
130
21
20
3.00
50
AZ31B
Titanium Ti6Al4V
4540
116000
500
41
20
6.00
55
5.5.
1.
In de vrachtwagenbouw is een tendens naar het gebruik van steeds lichter
constructiemateriaal. Elke gram telt. Zelfs in de cabines van luxe vrachtwagens
worden de verschillende onderdelen opnieuw bekeken ten aanzien van
herontwerp en materiaalkeuze voor wat betreft gewicht. Één van de onderdelen
die bekeken wordt is het bed van de chauffeur.
Stel dat we een geschikt constructiemateriaal zoeken voor de plaat onder de
matras. We beschouwen dit als een aan drie zijden vastgemaakte plaat lbd,
met één vrije zijde:
F
l
b
d
M
Stel dat we het gewicht van een op de rand van het bed zittende chauffeur (100kg zwaar) voorstellen
als een kracht F op het midden M van de vrije zijde. Als we voor de breedte van het bed 70cm
nemen en voor de lengte 210cm, met dus l/b=3 dan vinden we in de literatuur voor de maximale
spanning die bij benadering in M optreedt:
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
 maximaal 
– 16 –
3Fb
2ld 2
Stel een relevante formule op voor het gewicht van de plaat. Bepaal aan de hand van deze formule
een kental en kies uit onderstaande tabel het meest geschikte materiaal.
2.
3.
4.
5.
5.6.
1.
Materialen ten behoeve van een bedbodem. De waarden zijn globaal
Materiaal
E
euro / K1c [Mpam
B

BR
-2
1/2
kg
]
[kgm-3] [Nmm ] [Nmm-2]
[%]
Kevlarvezelversterkt
kunststof
1570 141000
800
0.27
0,1
140
10
- evenwijdig aan vezels
- loodrecht op vezels
8000
15 0.015
0,2
C-vezelversterkt
207000
650
0.25
0,1
kunststof - evenwijdig
1412
180
12
aan vezels
- loodrecht op vezels
6000
15 0.007
0,2
Roestvast staal AISI301
7850 207000
1000
0.3
30
2
100
Aluminium-Lithium
2685
79000
550
0.3
9
10
33
legering
Multiplex, random
550
10000
40
0.25
8
0,4
20
verlijmd
Aluminium AISI2014
2730
69000
700
0.3
7
2
50
Balsahout
- evenwijdig aan vezels
150
5000
10
0.2
8
1
10
- loodrecht op vezels
1000
1
0.01
5
Titanium Ti6Al4V
4540 116000
1200
0.3
10
6
55
Als je geen rekening hoeft te houden met gewicht, wat is dan het meest geschikte materiaal? Licht
toe.
Reken wel het gewicht mee: bepaal een kental voor het plaatmateriaal dat het laagste gewicht heeft
zonder te bezwijken.
Kies op grond van het kental bij 15.3 het meest geschikte materiaal uit de tabel en bepaal de dikte.
Zijn er andere eisen die aan de plaat gesteld kunnen worden, op grond waarvan het materiaal
gekozen zou kunnen worden? Beoordeel je keuze bij d) en overweeg opnieuw.
Gegeven het probleem van de omvallende zeilboten. In de figuur hiernaast (achter-aanzicht) wordt
een massa M als ballast verzwaring in de kiel (onderzijde)
 F2
van de boot toegepast om te voorkomen dat de door het zeil
op de mast uitgeoefende krachten F1 en F2 de boot zullen
omduwen. Als de boot scheef komt te hangen zal bovendien
het gewicht van de mast maken dat de boot kan omvallen .
Gegevens: Beschikbare ballastruimte in de kiel 120 liter.
Lengte van de mast: 7 meter bovendeks. Neem aan dat de
mast cilindrisch en massief is. F1 grijpt aan op een hoogte h1
= 60 cm bovendeks, en F2 grijpt aan op een hoogte h2 = 7
meter bovendeks.
Voor de doorbuiging  van de mast geldt:

32 2 F1 h13  2 F2 h23  3F2 h12 (h2  h1 )

3
Ed 4
F1
h2
h1
Deze mag maximaal 35 cm bedragen, bij een kracht F1 = F2
= 2000 N en met een nog te bepalen diameter d van de as.
M
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
2.
3.
4.
5.
5.7.
1.
2.
3.
– 17 –
Wat is volgens de onderstaande tabel het beste materiaal voor de ballast? Licht je keuze toe.
Bepaal het materiaal dat de lichtste mast geeft als je de doorbuiging vergeet.
Licht je antwoord toe.
Materialen ten behoeve van materiaalkeuze. De waarden zijn globaal
Materiaal
E
K1c

E
B
BR euro / kg
-2
-1/2
-3
-2
-2
[Nmm
]
[Mpam
]
[kgm ]
[Nmm ] [Nmm ] [%]
Glasvezelversterkt
2000
40000
150
150 0,1
3
25
kunststof
C-vezelversterkt
1500
170000
650
650 0,1
180
25
kunststof
Roestvast staal
7850
207000
500
1000
30
2
75
AISI304
Grenenhout
500
10000
10
12
20
0,2
0,1
Beton (druk)
2400
50000
20
20
0
0,3
0,1
Aluminium
2730
69000
500
700
7
2
20
AISI2024
Aluminiumoxide
3900
365000
5000
5000
0
8
2
Titanium Ti6Al4V
4500
94000
1000
1200
10
6
55
Reken ook de doorbuiging mee: bepaal een kental voor het materiaal dat de lichtste mast geeft
zonder te veel door te buigen
Kies op grond van het kental bij 5.6.3 het meest geschikte materiaal uit de tabel en bepaal de
diameter van de mast.
Zijn er andere eisen die aan de mast gesteld kunnen worden, op grond waarvan het materiaal
gekozen zou kunnen worden? Beoordeel je keuze bij 5.6.4 en overweeg opnieuw.
Een ijzergieterij/machinefabriek krijgt de vraag een voet voor een bureaustoel te ontwikkelen. De
huidige voet bestaat uit een centrale poot met daaraan gelast vijf zijpoten voor de zwenkwieltjes.
Uit berekeningen blijkt dat bij de gewenste wanddikte de sterkte minimaal 150Nmm-2 moet zijn.
Stel dat er t.a.v. de sterkte, een even goede kunststof en een metaal worden gevonden, wat kan dan
een belangrijkste tweede keuze argument worden, en welk materiaal komt er dan uit?
Beargumenteer.
Welk van de in de tabel staande materialen komt in aanmerking voor de stoelpoten? Licht toe en
beschrijf een geschikte procesroute voor het maken van de stoelpoot.
ijn er nog andere belangrijke eisen? Licht je antwoord toe en beoordeel je keuze bij 5.7.2 opnieuw.
Materialen ten behoeve van een stoelpoot. De waarden zijn globaal en voor materiaal in
zachtgegloeide toestand.

Materiaal
E
E
HRc
BR
euro / kg
[kgm-3] [Nmm-2] [Nmm-2]
[%]
Staal AISI 1007
Staal AISI 4140
Polypropeen/30%glas
7850
7850
1140
207000
207000
2500
280
340
50
Polyamide6.6/30%glas
1370
10000
160
Gietijzer GG350
Aluminium AISI 355
Magnesium AISI AZ31B
Titanium Ti6Al4V
7750
2770
1770
4540
190000
69000
44800
116000
240
120
130
500
24
45
300
Shore
300
Shore
35
21
21
41
28
25
50
Verspaanbaarheidsindex
0.5
100
1.5
25
1,5
5
4
2
5
0
30
20
20
0,4
2
3
6
50
110
50
55
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
5.8.
1.
– 18 –
Een beitelplaathouder op een draaibank heeft als functie het vasthouden van de beitelplaat op de
gewenste plaats. Dit moet nauwkeurig gebeuren, dus de houder mag niet te ver doorbuigen als
gevolg van de beitelkrachten bij het wegnemen van materiaal van het rondraaiende werkstuk, zie
bijgaande figuur. De houder wordt ingeklemd. Op het eind werkt de snijdkracht F. Voor de (ronde)
beitelplaathouder geldt een normdiameter van 12 mm.Geef een model voor de doorbuiging van de
beitelhouder.
beitelplaathouder
2.
3.
4.
5.9.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
5.10.
1.
2.
3.
4.
5.11.
1.
2.
3.
5.12.
1.
Bepaal het kental voor de materiaalkeuze.
Geef op grond van het kental het beste materiaal uit de bijlagen.
Beoordeel deze materiaalkeuze en geef zonodig een alternatief.
Gegeven het probleem van het skateboard. Stel de lengte l is 0,5 m, de wielbasis lw is 0,35 m de
breedte b 0,2 m en dat de doorbuiging  maximaal 0,005 m mag bedragen bij een belasting van 1000
N. Bepaal uit het stijfheid-soortelijke massa diagram met welk materiaal het lichtst geconstrueerd
kan worden.
Bepaal uit de bijlagen met welk materiaal het lichtst geconstrueerd kan worden.
Bepaal welk materiaal de goedkoopste plank oplevert.
Bepaal welk materiaal de beste prijs/prestatieverhouding heeft.
Bepaal de dikten voor de verschillende materialen.
Geef de meest logische productiewijzen per materiaal.
Kies het beste materiaal en licht je antwoord toe.
Een theekan, of theepot kan van verschillende materialen gemaakt worden, uit alle materiaalgroepen.
Geef twee voorbeelden van een theekan of theepot uit elk der materiaalgroepen keramiek, kunststof,
metaal, zoals gebruikt in de historie.
Doorloop de eerste vijf stappen van de materiaalkeuze uit §5.1.
De mechanische belasting van een theepot is minimaal. De thermische belasting kan wel een rol
spelen. Ga na met behulp van de bijlagen welke materialen niet in aanmerking komen.
Geef voor de verschillende materiaalgroepen aan wat een mogelijke productiewijze is van een
theepot.
Wasknijpers worden wel van beukenhout gemaakt, met een E-modulus van 12MPa, met een stalen
buigveer. Bepaal een model dat de werking beschrijft van een wasknijper.
Beoordeel de geschiktheid van kunststoffen als vervanging van beukenhout aan de hand van het
model
Bij 5.11.2 heb je net gedaan alsof je massief hout vervangt voor al even massief dik kunststof. Wat
gebeurt er met de werking van de wasknijper als je deze net als in de praktijk dunwandig uitvoert?
Hoogspanningsleidingen worden gebruikt voor het transporteren van grote hoeveelheden elektrische
energie. Ze kunnen aan grote hoogspanningsmasten worden opgehangen, op een dusdanige hoogte
dat het magneetveld geen kwaad kan en dat men normaal gesproken er niet tegen aan kan komen. De
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
– 19 –
kosten worden grotendeels bepaald door de hoogte van de masten, het aantal en het gewicht van de
masten (funderingskosten).
Het aantal masten per kilometer hangt af van hoe sterk de draad is. Het gewicht van de masten hangt
af van de constructie die door het gewicht van de draad wordt bepaald. De in de kabel optredende
mechanische spanning als gevolg van het eigen gewicht van de kabel wordt gegeven door de
volgende formule:
G  9.81  sin 
=
A
2.
3.
4.
5.
6.
7.
5.13.
1.
waarin G het gewicht is van de draad tussen de pijlers,  de hoek waaronder de draad hangt bij het
uiteinde en A het doorsnede-oppervlak van de draad. Geef een model voor het gewicht van een draad
met lengte l .
Geef een model voor de weerstand van een draad met lengte l .
Als een draadmateriaal goed geleidt, kun je dan met een dunne draad volstaan en dus met een lichte
draad? Waarom gaat dat met de materialen uit de bijlagen niet op?
Welke materialen zijn waarschijnlijk goed te gebruiken en waarom?
Bepaal een kental waarmee het materiaal gevonden wordt dat de lichtste draad geeft met toch een
goede geleiding.
Bepaal uit je lijstje van 5.12.4 het beste materiaal.
Controleer of dit beste materiaal zijn eigen gewicht kan dragen, als tussen de masten 100 meter kabel
hangt.
Als je 1 m3 gietijzer verkoopt, hoeveel polyetheen kun je daar dan voor terugkopen? En hoeveel
titaan?
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6
– 20 –
Keuze van de productietechniek
Opgaven
6.1.
1.
2.
6.2.
1.
Schets de plaats van het vervaardigen in de productcreatiecyclus.
Zie figuur 6.1
Wat zijn de voor- en nadelen van een kooiconstructie?
De voordelen zijn: dat je het materiaal brengt op de plaatsen met de hoogste spanningen (buig en
torsie) en dat je per saldo een hoge relatieve stijfheid van je constructie krijgt door een groot
oppervlakte traagheidsmoment.
De nadelen: door deze wijze van construeren zijn de optredende spanningen doorgaans hoger dan
bij balkconstructies, beschadigingen en/of vermoeiingsbelasting geven een grotere faalkans.
Geef de indeling van de vervaardigingtechnieken volgens DIN 8580.
Zie tabel 6.1, p. 193
Scheppen
Veranderen van de vorm
van de vorm;
Samenhang
Samenhang
Samenhang
Samenhang vermeerderen
scheppen
behouden
doorbreken
hoofdgroep 1 hoofdgroep 2 hoofdgroep 3 hoofdgroep 4 hoofdgroep 5
oervormen
2.
3.
omvormen
scheiden
verbinden
opbrengen
van lagen
Veranderen
van materiaaleigenschappen
hoofdgroep 6
materiaaleigen
schappen
veranderen
Geef de indeling van de vervaardigingtechnieken volgens Ashby.
Zie boek figuur 6.2, p. 194.
Positioneer de volgende bewerkingsprocessen zowel in de indeling van DIN 8580 en Ashby:
a. nitreren
b. stralen
c. beitsen
d. PVD
e. Rapid prototyping
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
Techniek
Nitreren
Stralen
Beitsen
PVD
Rapid Prototyping
6.3.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
6.4.
1.
2.
3.
4.
5.
DIN 8580
Materiaaleigenschappen
veranderen
Scheiden
Scheiden
Opbrengen van lagen
Scheiden of oervormen afhankelijk
van de gekozen techniek
– 21 –
Ashby
Warmtebehandelen
Nabewerken
Nabewerken
Speciale
vormgevingstechnieken
Speciale
vormgevingstechnieken
In welke vorm(en) kun je halffabrikaten van thermoplastische kunststof inkopen?
Granulaat, plaat, staf, buis en profiel
In welke vorm(en) kun je halffabrikaten van metalen inkopen?
Gietbroodje, plaat, staf, buis en profiel
In welke vorm(en) kun je halffabrikaten van keramische materialen inkopen?
Poeder
Kun je ook halffabrikaten inkopen van vezelversterkte kunststoffen?
Je kunt de vezels en de kunststof voor de matrix ieder afzonderlijk inkopen, maar er zijn vooraf
geïmpregneerde vezels in pasta vorm (korte vezel) of vezelmatjes te koop.
Wat is het verschil tussen fabricage-eigenschappen en gebruikseigenschappen?
Materialen hebben bij aanvang van het productieproces een bepaalde structuur (en toestand).
Hierdoor gedraagt het materiaal zich tijdens de fabricage op een bepaalde manier (= de fabricageeigenschappen). Door bijvoorbeeld een fabricageproces als persen (een omvormproces) zal een
metaal verstevigingen. Het materiaal in het gerede product is hierdoor sterker en harder dan het
uitgangsmateriaal. De aldus door het persproces verkregen eigenschappen zijn de
gebruikseigenschappen.
Op welke wijzen kan een metalen product degraderen?
Corrosie, kruip, vermoeiing, oververoudering, oververhitting, overbelasting, slijtage, erosie
Op welke wijzen kan een kunststofproduct degraderen?
Kruip, chemische veroudering, fysische veroudering, vermoeiing
Waardoor wordt de productgrootte beperkt bij het spuitgieten van kunststoffen?
Gereedschaptechnisch: door maximale shotgewicht spuitgietmachine en de te realiseren spuitgieten sluitdrukken, stroming van de kunststof in de matrijs
Materiaaltechnisch: het reologisch gedrag van het vloeibare kunststof, stroming van de kunststof in
de matrijs, de krimp en nakrimp (fysiche veroudering)
Waardoor wordt de productgrootte beperkt bij het spuitgieten van aluminium?
Door het shotgewicht van de machine. Vloeibaar aluminium is in tegenstelling tot kunststoffen dun
vloeibaar. Doorgaans is de afkoelsnelheid zo hoog (ook bij grotere producten) dat er sprake is van
een fijne kristalstructuur na het gieten.
Kun je staal spuitgieten? Motiveer je antwoord.
Nee de smelttemperatuur van het staal is veel te hoog. De spuitgietmachine wordt ook van staal
gemaakt.
Wat is het verschil tussen een matrijsgebonden en een niet-matrijsgebonden maat?
Bij matrijsgebonden maten worden de maten bepaald door één matrijsdeel. De niet-matrijsgebonden
maten worden bepaald door meerdere matrijsdelen.
Wat is een tolerantie?
De spreiding waarbinnen de bemating van product mag vallen.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6.5.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
– 22 –
Waarom zijn gegoten producten meestal minder sterk dan gesmede of geëxtrudeerde producten?
Gegoten producten hebben doorgaans een grovere kristalstructuur dan de warm- en koudvervormde
producten. De koudvervormde producten zijn daarnaast ook nog aanzienlijk sterker door de
werkversteviging.
Waarom is segregatie ongunstig?
Bij segregatie tref je meestal hele grote verschillen in samenstelling van het materiaal aan. Je treft
dan twee verschillende kristalstructuren aan met grote verschillen in mechanische- en corrosieeigenschappen.
Zo kan een gegoten product van roestvaststaal helemaal niet roestvast blijken te zijn door
segregatie.
Waarom kunnen er geen dunwandige producten worden gegoten?
Dunne producten kunnen heel snel de gietwarmte afgeven en dus zeer snel stollen. Je loopt hier
meestal tegen het praktische probleem aan dat de dunne delen zo snel stollen en dat je een gietvorm
niet vol krijgt.
Waarom kun je maar beter geen kunststoffen met een zeer hoge molekuulmassa spuitgieten of
extruderen?
Er kan smeltbreuk optreden.
Wat is smeltbreuk?
Bij smeltbreuk breken de moleculen in de plastificeerfase door benodigde hoge roerkrachten voor
mengen, smelten en verpompen van de kunststof.
Wat zijn de voor- en nadelen van gasinjectie?
Voordelen: minder wandinval en kleinere toleranties mogelijk. Nadeel: de hogere kosten.
De verwachte verlaging van mechanische eigenschappen zijn verwaarloosbaar.
Waarom worden semi-kristallijne kunststoffen in de regel niet verwerkt met behulp van
vacuümvormen?
Zie hiervoor o.a. figuur 6.13. Deze kunststoffen hebben een kleiner temperatuurbereik waarbinnen ze
vacuümgevormd kunnen worden. Kunststoffen zijn slechte warmtegeleiders waardoor een
nauwgezette beheersing van de vacuümvormtemperatuur alleen tegen zeer hoge kosten in
serieproductie gerealiseerd kunnen worden. Het verwerken van amorfe materialen is
procesbeheerstechnisch veel goedkoper.
Welke vorm moet een spuitmond van een extruder hebben voor de extrusie van een driehoekvormig
profiel?
Kun je met behulp van extrusie kunststofbuizen maken?
Ja, uiteindelijk is dit de enige methode waarmee je voldoende lengte kunt realiseren.
Welke type kunststoffen kun je verwerken met behulp van folieblazen?
In principe van elke thermoplast.
Wat is co-extrusie?
Bij co-extrusie extrudeer je meerdere kunststofstromen (uit meerdere extruders) via één spuitmond
tot één product.
Waarom is een warmgewalst metaal altijd ruwer van oppervlak dan een koudgewalst metaal?
Door de oxidatie van het metaal tijdens of net na walsen. Tevens wordt bij het warmwalsen steeds
tussen de walsstands de oxidehuid van het materiaal verwijderd.
Waarom moet een koudgewalste plaat meestal na de vervorming rekristalliserend gegloeid worden?
Het materiaal heeft doorgaans een reductie van meer dan 80% ondergaan en is hierdoor zeer hard
en bros. Dit full hard materiaal kan nauwelijks verder vervormd worden. Dit full-hard materiaal is
alleen bruikbaar in veertoepassingen.
Wat is de invloed van werkversteviging op de rekgrens van een zacht metaal?
Deze rekgrens neemt toe (verhoudingsgewijs meer dan de treksterkte)
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
– 23 –
Wat is de invloed van werkversteviging op de treksterkte van een zacht metaal?
Deze neemt een beetje toe.
Wat is de invloed van werkversteviging op de verhouding Rp/Rm?
Deze verhouding neemt toe en daardoor neemt de scheurgevoeligheid van het materiaal toe.
Wat is de invloed van werkversteviging op de A50?
Deze breukrek (bepaald over meetlengte van 50 mm) neemt af.
Waarom worden gedraaide en gefreesde artikelen vaak gemaakt van een automatenkwaliteit?
De automatenkwaliteiten hebben een dusdanige structuur dat zij bij verspanen korte spanen geven.
Kun je kunststofproducten maken met behulp van verspanende bewerkingen?
Dit kan, maar dan moet je wel speciaal snijgereedschap gebruiken (andere snij- en vrijloophoeken).
Verkeerde gereedschapskeuze leidt direct tot slechte productoppervlakken en zeer hoge
gereedschapslijtage. Het kunststof veert heel veel terug, waardoor er veel kans is op hoge
wrijvingskrachten. Het verspanen van nauwkeurige producten is daarom tevens lastig, tenzij het
kunststof erg veel vulmateriaal bevat.
Waarom kun je een fijn korrelig metaal makelijker verspanen dan een grofkorrelig metaal?
De spanen breken op de korrelgrenzen. Kleinere korrels geven daardoor doorgaans kortere spanen.
Waarom is het niet zinvol om staal met een koolstofpercentage van 0,35% te harden?
Tijdens de ontlaatstap verliest het geharde staal zo veel van zijn hardheid, dat dit niet meer zinvol is.
Waarom moet een gehard product altijd worden ontlaten?
Een gehard product is altijd bros. Door het ontlaten verlaag je de inwendige spanning enigszins. De
hardheid neemt hierdoor iets af, maar de slagsterkte neemt aanzienlijk toe. Laag ontlaten gehard
staal is doorgaans ietsje sterker dan gehard staal omdat je door de toegenomen vervormbaarheid
(taaiheid) van het materiaal de volledige sterkte van het materiaal kunt benutten
Waarom moet een gehard product altijd worden nageslepen?
Tijdens het harden oxideert het materiaal, deze oxidehuid moet verwijderd worden.
Door de warmtebehandeling verandert de structuur van het materiaal. Door het harden zet het
materiaal een heel klein beetje uit (hoe hoger %C hoe groter de uitzetting). Deze uitzetting is niet in
alle richtingen even groot
Wat is bij constructiestaal de oorzaak van koudscheuren?
Verkeerd lassen of warmwalsen van staal. Door de warmtebehandeling van het materiaal vindt er
opname van waterstof plaats in het verhitte materiaal. Als na de warmtebehandeling het materiaal
relatief snel afkoelt kunnen er hardingstructuren ontstaan (martensiet of bainiet). De combinatie van
hardingsstructuren in combinatie met een verhoogd waterstof gehalte van het materiaal kan er voor
zorgen dat het materiaal spontaan breekt bij kamertemperatuur.
Bij het lassen van staal beoordelen we de lasbaarheid met behulp van het koolstofequivalent. Wat is
het koolstofequivalent?
Het koolstofequivalent is een praktische maat waarmee de koudscheurgevoeligheid van een
staalsoort kan worden bepaald (er van uitgaande dat het materiaal correct wordt verwerkt). De
brosheid van een geharde staalsoort is evenredig met het koolstofgehalte. Hoe hoger het
koolstofgehalte hoe harder het staal en hoe scheurgevoeliger.
Wat zou bij aluminium de oorzaak kunnen zijn van warmscheuren?
De aanwezigheid van een tweede fase met een lagere smelttemperatuur of segregatie tijdens het
stolproces.
Welke aluminiumlegeringen (hoofdgroepen) zijn goed lasbaar en welke slecht lasbaar?
De meeste van de kneedlegeringen in de 1xxx-, 3xxx-, 5xxx-, 6xxx-, en sommige 7xxx- series kunnen
gelast worden met het GTAW (TIG) of het GMAW (MIG) lasproces. In het bijzonder de 5xxxlegeringen hebben een uitstekende lasbaarheid. De 2xxx-legeringen en sommige 7xxx-legeringen
(7010 en 7050) moeten in gelaste constructies niet worden toegepast vanwege hun grote
gevoeligheid voor het ontstaan van warmscheuren en stollingsscheuren in de lasverbinding.
Welke aluminiumlegeringen (hoofdgroepen) zijn niet hardbaar?
1xxx, 3xxx en 5xxx
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6.6.
1.
6.7.
1.
2.
3.
4.
6.8.
1.
2.
3.
4.
6.9.
1.
2.
3.
– 24 –
Waarom heeft bij grote series de seriegrootte nog nauwelijks invloed op kostprijs van het product?
De kostposten bij de fabricage van een product kunnen globaal worden onderverdeeld in drie
groepen. 1 de materiaalkosten, 2 de bewerkingskosten en 3 de verwerkingskosten. 1 en 3 zijn
onafhankelijk van het aantal, deze maak je altijd. De bewerkingskosten zijn onder andere de kosten
van het gereedschap en die verreken je over de totale serie. De breuk 1/n wordt bij toename van n
steeds kleiner. De relatieve bijdrage van de bewerkingskosten wordt dus bij toename van de
seriegrootte steeds kleiner, de totale kosten naderen een limietwaarde de som van 1 en 3.
Hoe kun je bestaande massafabricageprocessen optimaliseren zonder te investeren in nieuwe
processen of machines?
Door via tijdstudies de langzaamste schakel van het proces op te sporen.
Wat zijn de verschillen tussen flexible manufacturing en cellular manufacturing?
Bij flexible manufacturing staat men grote variatie in de te maken producten toe. Bij cellular
manufacturing wordt gewerkt productgroepen; de producten binnen een productgroep vertonen
grote overeenkomsten.
Wat zijn de voordelen en nadelen van flexible manufacturing?
Voordeel: grote flexibiliteit
Nadeel: er moet erg veel geautomatiseerd worden, er is een hele grote datastroom
Wat zijn de voordelen en nadelen van cellular manufacturing?
Voordeel: redelijk flexibel en snel
Op welke wijze(n) kun je in de ontwerpfase de milieubelasting van een product minimaliseren m.b.t.
het maken van een product?
Door milieuaspecten mee te nemen in je PvE.
Wat maakt het recyclen van aluminium zo aantrekkelijk?
Het hersmelten van aluminium kost aanzienlijk minder energie dan het maken van nieuw aluminium
uit erts.
Op welke wijze(n) kun je tijdens fabricage hergebruik van afvalmateriaal optimaliseren?
Door de afvalstromen direct her te gebruiken (voordat ze vervuild raken). Scheiden van de diverse
afvalstromen en er op toe zien dat iedereen zich hieraan houd (voorkomen van verontreinigingen).
Welke praktische beperkingen zijn er voor hergebruik van kunststoffen?
Veel kunststoffen lijken sterk op elkaar en zijn moeilijk uit elkaar te houden. Veel kunststoffen zijn
niet of moeilijk te mengen. De eigenschappen van recycled materiaal zijn doorgaans minder goed.
Wat is een attribuut?
Een kenmerk.
Hoe kun je een ontwerpdatabase hiërarchisch inrichten?
Zie boek figuur 6.32
Hoe verloopt de selectieprocedure van een vervaardigingtechniek volgens de methode van Ashby?
1. Beschouw alle processen als kandidaat, tot het tegendeel is aangetoond.
2. Doe onderzoek naar de geschiktheid van het proces met behulp van processelectiekaarten en
databases; vergelijk de proceskenmerkgrenzen met het programma van eisen en elimineer de
technieken die niet voldoen.
3. Rangschik de overblijvende technieken met behulp van relatieve kosten (kosten per product).
4. Zoek aanvullende informatie over de top van de ranglijst.
5. Kies het beste proces.
Zie tevens figuur 6.33.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
4.
5.
6.10.
1.
2.
3.
4.
5.
– 25 –
Wat is een processelectiekaart?
Een processelectiekaart illustreert de toepasbaarheid van een fabricageproces aan de hand van
productkenmerken.
Wat verstaan we onder de slankheid van een product?
S = t / √A
Welke aspecten maakt het kiezen van een fabricageproces in de praktijk lastig?
Het aantal vervaardigingstechnieken en hun varianten is erg groot.
Sommige informatie met betrekking tot de fabricage is concurrentie gevoelig.
Ontwikkelingen volgen elkaar soms in snel tempo op.
Er spelen vaak ook lastige bedrijfsspecifieke logistieke problemen op de achtergrond.
Wanneer en waarom gebruikt men bij het spuitgieten van kunststoffen houten matrijzen?
Bij het ontwerpen van prototypes. Door gebruik van stopverf kun je ook materiaal toevoegen.
Op welke wijze kun je bij het spuitgieten van kunststoffen rekening houden met productwijzigingen?
Door gebruik te maken van losse inzetstukken.
Welke vervaardigingtechnieken voor kunststoffen lenen zich bij uitstek voor massafabricage?
Vacuümvormen, extruderen, blaasvormen, schuimen en spuitgieten.
Welke vervaardigingtechnieken voor metalen lenen zich bij uitstek voor massafabricage?
Met name de plaatvormende technieken.
Opdrachten
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
Kies de aluminiumlegering voor een spuitgietmatrijs voor PE brooddoos en bepaal de
vervaardigingstappen voor deze matrijs. Veronderstel dat de matrijs geen bewegende delen bevat.
Bij dit soort producten gaat het uiteindelijk toch om zeer grote series. Staal is dan verreweg het
beste materiaal i.v.m. de standtijd. Een hele hoge slijtvastheid is hier niet nodig, en daardoor kun je
volstaan met een matrijzenstaalsoort (met ca. 0,35% C) in veredelde toestand.
Van welke materialen en op welke wijze kun je een vaatwasmachine bestendige koffiebeker
vervaardigen. De beker moet minimaal gebruikt kunnen worden voor 10.000 bekers koffie of andere
warme dranken.
Veelal wordt hiervoor Mepal® gebruikt. De beker wordt dan gegoten.
Bepaal de vervaardigingstappen voor de productie voor hardverchroomde schroeven.
1. Trekken van draad.
2. Knippen van draad op juiste lengte.
3. Stuiken van de kop.
4. Rollen van de schroefdraad.
5. Beitsen
6. Hardverchromen
Een stalen spuitgietmatrijs voor kunststofproducten kun je vervaardigen uit gehard gereedschapstaal
of een oppervlakte geharde staal. Uit kostenoogpunt en levertijd is een oppervlakte geharde matrijs
zeer aantrekkelijk. Kies een geschikt matrijsmateriaal en de bij behorende oppervlakte behandeling.
Je zou hier kunnen denken aan AISI 4140 met nitreren als behandeling. De hardheid is ca. 50 HRc
en de hardingsdiepte ca. 4 – 6 mm afhankelijk van de gloeitijd. Voordeel van nitreren is het dat de
gloeiing bij een subkritische temperatuur plaatsvindt (tussen 350 °C – 550 °C)
Het verloopnippel van de hiernaast afgebeelde foto is gemaakt uit messing stafmateriaal.
a. Via welke bewerkingsstappen kun je dit product maken. Noem ze in chronologische volgorde.
In principe zijn er meerdere mogelijkheden, maar doorgaans wordt de ruwe vorm gerealiseerd
via slagextrusie in meerdere stappen, de buitendraad gerold en de binnendraad getapt.
b. Welke diameter stafmateriaal moet je aanschaffen?
Persoonlijk zou ik hier de eerst volgende kleinere handelsmaat van de grootste diameter van het
product.
Op welke wijze kun je een nylon lager van een productnummer voorzien?
Door de matrijs te graveren.
Leerboek Materiaalkunde voor technici – Docentenhandleiding (april 2010)
6.7
6.8
6.9
6.10
– 26 –
Wat is het meest economische fabricageproces voor de behuizing van een serie van 1000
fotokopieerapparaten? Motiveer je antwoord.
Zetten van de plaatdelen en poedercoaten. De serie is te klein om de behuizing te maken van
kunststof delen en deze te spuitgieten.
Wat is de meest economische fabricagewijze voor de behuizing van een serie van 100.000
inktjetprinters. Motiveer je antwoord.
Spuitgieten van de kunststofdelen.
Analyseer de fabricage van de zool van een strijkbout.
a. Bedenk minimaal vier verschillende fabricagewijzen.
Hier zijn heel veel goede mogelijkheden
b. Hoe zou je de zool maken van roestvast staal?
Omvormen, verspanen en lassen.
c. Hoe zou je de zool maken van aluminium?
Door deze te gieten (spuitgieten of thixocasting afhankelijk van de gekozen legering)
d. Bedenk twee oplossingen waarmee je de krasvastheid van een aluminiumzool zou kunnen
vergroten?
Door een harde metaallaag aan te brengen via opdampen of een chemisch proces.
Door de zool te lakken met een hittebestendige verf.
Kies het meest geschikte materiaal voor de tandwielen van een versnellingsbak van een raceauto en
het bijbehorende fabricageproces.
I.v.m. de benodigde schokbestendigheid heeft een volledig doorgeharde tandwiel de voorkeur boven
een gekarboneerde tandwiel. Je zou AISI 4340 kunnen nemen. Besluit je toch te carboneren dan is
kun je kiezen uit bijvoorbeeld AISI 4140 of AISI 8620 (deze laatste heeft een betere
vermoeiingssterkte).
Bij een gekarboneerde tandwiel is de behandeling: karboneren, harden, laagontlaten.