37
Composites Future: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ EFRO, Uitgeest, 14-12 -2016, ‘Valorisatie Hightech Sector Composieten Noord-Holland’, Adriaan Beukers

‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites Future: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

EFRO, Uitgeest, 14-12 -2016,

‘Valorisatie Hightech Sector Composieten Noord-Holland’,

Adriaan Beukers

Page 2: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites Future: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

SUSTAINABLE

Circular

ECONOMICS

Anglo-saxon

Rhine-land

share vs

stakeholders value

LIFE TIME

TRAVEL HISTORY:

(spec. drag, time,

speed, capacity)

for moving

or being moved

objects

SUSTAINABLE

POLITICS:

Paris Climate

treaty

Shell & Exxon

CEO’s plead

for CO2 tax

PROACTIVE vs REACTIVE

GB’s decline in

manufacturing jobs

(>96: >750.000 fte)

in change for

services & trading,

a rise in rest of EU

Page 3: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Transport and velocity domains

Total (system + payload) weight, so reduce system weight!

15kgf PREQto move

100kg WTOTAL

Transport Systems (price of speed, G. Gabrielli – Th. von Kármán, 1950)

force to overcome drag, per unit moving system weight

Page 4: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

liquid fuel history: ‘a one century history of slash and burn’

SABIC/GEP-DSM

BASF/DSM

Emirates

Delta Airlines

10-20 -->100 30$/barrel

Cheap Materials become Scarce, even dumpedeg cheap oil, easy exploitable wells, new circular economies, EC2020

Exploration

(<5$/barrel

is based on

shared profit1/31/7

Page 5: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

classical markets

aerospace & wind

energy show

highest global

growth now,

be in front

of the big

volume

composite

markets!

ref. Lucintel

CAGR: compound anual growth rate

size of bubbles: indicating for market size

Global Composites Market Opportunity 2012-2017

NL

Specialties:

Marine

Aerospace

Pipe & Tank

Construction

Page 6: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composieten Nederland 2020

GrootComposiet1 2009-2014, EFRO

2 2016-2020, PNH

CompoWorld1 2011-2015, ZZL, PF&NF

2 2016-2018

BioComposieten 2014-2018, EDR

World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015

Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden

& een aantal Field Labs

‘the knowledge chain’

kennis

ontwikkeling

kennis

verspreiding

kennis

valorisatie

TU’s

HBO’sMBO’s

Page 7: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composieten NHInternationale ontwikkelingen en trends

Begroot Gerealiseerd Restbudget % besteed

5.264.825€ 2.279.184€ 2.985.641€

ATO 1.049.000€ 661.574€ 387.426€ 63%

Syntens 849.600€ 529.887€ 319.713€ 62%

WMC 297.025€ -€ 297.025€ 0%

TUD 240.000€ 88.224€ 151.776€ 37%

Inholland 400.000€ 125.249€ 274.751€ 31%

TNO 370.000€ 96.491€ 273.509€ 26%

NHN 63.750€ 32.172€ 31.578€ 50%

Solico 107.000€ 14.990€ 92.010€ 14%

Polux 152.000€ 161.035€ -9.035€ 106%

2MV 135.200€ 31.170€ 104.030€ 23%

Schaap Composites 127.000€ 21.861€ 105.139€ 17%

NPSP 127.000€ 127.000€ -€ 100%

Smit/Utec 127.000€ 105.038€ 21.962€ 83%

Manshanden 149.500€ 32.654€ 116.846€ 22%

Rhebergen 107.000€ -€ 107.000€ 0%

Everstrip 127.000€ 73.982€ 53.018€ 58%

CPT 517.000€ 124.507€ 392.493€ 24%

Duneworks 107.000€ 53.351€ 53.649€ 50%

GBT 212.750€ -€ 212.750€ 0%

Innovatiebudget

GrootComposiet1 2009-2013, EFRO

valorisatie 2 2016-2019, EFRO

HTSM

Technologie programma >2011, NL

Construction

Pipe & tank

Marine

Page 8: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

NH composites

on the move

Composites penetrating tradional material sectors

Begroot Gerealiseerd Restbudget % besteed

5.264.825€ 2.279.184€ 2.985.641€

ATO 1.049.000€ 661.574€ 387.426€ 63%

Syntens 849.600€ 529.887€ 319.713€ 62%

WMC 297.025€ -€ 297.025€ 0%

TUD 240.000€ 88.224€ 151.776€ 37%

Inholland 400.000€ 125.249€ 274.751€ 31%

TNO 370.000€ 96.491€ 273.509€ 26%

NHN 63.750€ 32.172€ 31.578€ 50%

Solico 107.000€ 14.990€ 92.010€ 14%

Polux 152.000€ 161.035€ -9.035€ 106%

2MV 135.200€ 31.170€ 104.030€ 23%

Schaap Composites 127.000€ 21.861€ 105.139€ 17%

NPSP 127.000€ 127.000€ -€ 100%

Smit/Utec 127.000€ 105.038€ 21.962€ 83%

Manshanden 149.500€ 32.654€ 116.846€ 22%

Rhebergen 107.000€ -€ 107.000€ 0%

Everstrip 127.000€ 73.982€ 53.018€ 58%

CPT 517.000€ 124.507€ 392.493€ 24%

Duneworks 107.000€ 53.351€ 53.649€ 50%

GBT 212.750€ -€ 212.750€ 0%

Innovatiebudget

Begroot Gerealiseerd Restbudget % besteed

5.264.825€ 2.279.184€ 2.985.641€

ATO 1.049.000€ 661.574€ 387.426€ 63%

Syntens 849.600€ 529.887€ 319.713€ 62%

WMC 297.025€ -€ 297.025€ 0%

TUD 240.000€ 88.224€ 151.776€ 37%

Inholland 400.000€ 125.249€ 274.751€ 31%

TNO 370.000€ 96.491€ 273.509€ 26%

NHN 63.750€ 32.172€ 31.578€ 50%

Solico 107.000€ 14.990€ 92.010€ 14%

Polux 152.000€ 161.035€ -9.035€ 106%

2MV 135.200€ 31.170€ 104.030€ 23%

Schaap Composites 127.000€ 21.861€ 105.139€ 17%

NPSP 127.000€ 127.000€ -€ 100%

Smit/Utec 127.000€ 105.038€ 21.962€ 83%

Manshanden 149.500€ 32.654€ 116.846€ 22%

Rhebergen 107.000€ -€ 107.000€ 0%

Everstrip 127.000€ 73.982€ 53.018€ 58%

CPT 517.000€ 124.507€ 392.493€ 24%

Duneworks 107.000€ 53.351€ 53.649€ 50%

GBT 212.750€ -€ 212.750€ 0%

Innovatiebudget

Page 9: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Kennis is zilver,

bedrijvigheid is goud

≈ 20 years Crossover Luchtvaart-Maritiem, 2014

Infra StructuresFibreCore, LSPolyproducts

Pressure vesselshoses, et ceteraALE, Taniq, CPT

Page 10: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Lighter transport countspackaging on the move 2010

domestic gasses and fluids

lightness, dematerialization

Page 11: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Dutch Recent Infra Composites

Architecture & Civil engineering meets Aerospace

ruled by:

New regulations (health & safety)

Maintenance cost reduction

Lightness and architectural freedom

(refurbishing old structures, without weight penalty)

supported by

LCA premium

Page 12: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites on the Move1: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

LIFE TIME

TRAVEL HISTORY:

(time, speed,

capacity)

VABO,Volvo, CompoW, NLR

CTC, Luinstra, CompoW, UT

Tankwell, CPT, GrootComp, TUD

TenCate, DTC, K&vE, Airborne, TUD

EML, Jan Veenendaal, TUD

Low8, Koppert, TUD

Page 13: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites on the Move2: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

LIFE TIME

TRAVEL HISTORY:

(time, speed,

capacity)

Taniq, Zumro,

Futura, Airborne

K&vE/Fokker,TUD

Boeing, TenCate, DTC, K&vE, TUD

Walter Extra

400&500, TUD

Euro Enaer,

K3C, TUD

CATO, Sumitomo,

Bond Laminates,

TUD

DTC/Dornier, TUD

Page 14: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Life-time energy savings per 100kgaverage values for energy

savings by

weight reduction

IFEU 2004, 1GJ is about 30lt kerosine

42,000lt

450,000lt

600,000lt

Page 15: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

EFFICIENCY improvements

since the 50’s,

aerodynamics: L/D ≈ 15%

propulsion: SFC ≈ 40 % (Genx/CSMleap)

structure : 0.50 > OEW/MTOW > 0.60

Major R&D Challenges:

Structures, Materials &

Manufacturing Techniques

Page 16: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Boeing 787: composites content Wf > 50%, Vf > 70%, 1/R ≈ 2

KLM rounding Spijkerboor

Page 17: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

A320/B737 - alikes

structure efficiency

used for aircraft

OEW / MTOW =

42 ton / 74 ton = 0.56

Johnston distribution OEW:

50%: 21ton for systems, crew and power-plant(s)

50%: 21ton for structure in total

• 10.5ton for wing , undercarriage (6% ) and movables (6%), (12%=5 ton)

• 10.5ton for fuselage and empennage (13%)

candidate aluminium structure for change into CFRP

• 16.0ton for wing, fuselage and empennage shell structures (38%)

ColdFeather ’95 & Tankwell ’15: 3&4ton weight reduction per unit!

max weight saving by change

is about 25%, equal to 4ton (≈ 10% OEW), for A320/B737 alikes! (0.51)

B787.8

OEW/MTOW

≈117t/228t≈

0.51

Page 18: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Energy saving: 667 GJ/year.100kg Specific energy content: 35 MJ/litre

So fuel saving per year per 100kg: 19000 litre

Sell tickets priced per kilogram not per seat!

A320/B737 AIRCRAFT, -100kgmass reduction pays for itself

Page 19: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

‘TankWell’ Composite Containers

Inter-modal transport containers:

road transport limits capacity, grossweight <44, <40 & <32ton

STAINLESS STEEL

replaced

by E-GLASS FRP:

-40% empty weight

reduced

per road transport

+3000kg more payload

7-9% cost reduction

• Vessel capacity (31000lt)

• tare weight/pay load

up to 36ton

• Temperature controlled

• max pressure 4 bar

Page 20: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Design and Development StrategyDesign and Production of Composite Structurescooled trailer system weight

reduced from ca. 9300

to 6500 kgf

‘integration’

1995, Focwa/Cintec 30% weight reduction challenge, > A320 & B737

Page 21: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Cheap Buoyancysupply inter and intra modality transport chains

(road, rail and water)

human supply chain or the transport of

food, water, minerals, energy & building materials

River and sea

harbours

permanent

dwellings

3%

transport cost

expenditure rule

Page 22: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Bouyancy is more efficient than Wheels and Aerodynamic lift

higher aquisition cost, less maintenance cost, more added value

WATER CARRIESbarges for European

canal transport

Kempenaar & Spits

(cooled food) barges

new materials & processes

Wempty / Wpayload =

800 / 2300 ≈ 1/3,

potential glass FRP

from 800 to 550 ton,

+ 250 ton > - 10 trailers

Page 23: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Life time ENERGY SAVINGS HIGH SPEED FERRIES

33% reduction by weight

-7% kerosine,1650GJ//35MJ/lt

47 ton/100kg.lifetime

E-GlassFRP, corrosion resistance, thermal & acoustic insolation

steel

aluminium

GlassFRP

+

addedo

values(integration)

Page 24: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Lightweight composite Structures

Aerospace meets Maritime,from technology push to market pull

Royal Huisman, Damen, v.Lent, De Vries, VABO, Holland Jachtbouw?

Page 25: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites Future: TTintoB‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

Almost THE END

‘the knowledge chain’

Knowledge

dissemination

Knowledge

development

Knowledge

valorisation

EFRO ‘Valorisatie Hightech Sector Composieten Noord-Holland’

Uitgeest, 14-12 -2016

Page 26: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Concept, materials and manufacturing techniques selection

Fast structures, maximum performance driven

Composiet in Opmars 1America’s Cup 2013

Page 27: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Concept, materials and manufacturing technique selection

Life cycle cost driven

Composiet in Opmars 2civil constructions 2013

Page 28: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Concept, materials and manufacturing techniques

Performance/price driven

Composiet in Opmars 3

2013 BMWi3

Page 29: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

CompositesGlobal Automotive Materials Market (2011-2017) in $B

2013 BMW i3

Page 30: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Concept, materials

and manufacturing technique selection

Price/performance driven

Airbus 350, 2013

Taniq

Actiflow

Infinious

ALE

Airborne

K&vE

WMC/CompEx

Bond Laminates

Conform/Hylid

DTC / Mupio

Feltrin Composites

CLC / LS

Euro Enaer (‡)

Senz/Protension

MOCS/CTC

a challenge

for entrepreneurs

Composiet in Opmars 4

Page 31: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

glass, aramide and carbon fiber

reinforced thermoplastics:

PA, PES, PEI and PPS

Sumitomo, Fonteijne

TenCateAC, Bond laminates

DTC, K&vE, Airborn,ALE, Fokker

Thermoplastic

Composites

low pressure

short cycle time

proces development

material development

Design and Production of Composite Structuresit takes 20 years for take off

Page 32: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Since 1995 > 25 innovations, spin off’s & techno starters

?

?

NWO!?

IP or Exclusive Know How (EKH) is essential for technostart up’s

Sharing Knowledge and Opportunities is seed for growth

Pro-active attitude of key players is a prerequisite

‘Design and Production of Composite Structures’ 2012

Knowledge

dissemination

Knowledge

development

Knowledge

utilization

an example

fundamentalresearch

appliedresearch

utilization

GTI ’S

TNO (SBIR))NLR (CompoWorld)et cetera

GB’S &MULTINATIONALS(20%)

‘off shoring’

innovations by ‘in shoring’ academic techno starters

TU’s

Uni’s NEW SME’S

‘YesDelft’GrootComposiet

et cetera

STW

demonstrator

valorisatie

grants

TTI’s HBO’s

Page 33: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Ir. Lianne Waghto

The endFuture exhaust system paradigm: ‘from assembly to integral system’Manage heat, pressure, sound & CO2 + Nox emmision in a 3D shell structure

Design and Production of Composite Structures ‘COMPOSITES’

DISSEMINATION

UTILIZATION

DEVELOPMENT

KNOWLEDGE

• Ferrari Maranello

Structures

Processes

Materialscomposites

Actual position:

DSM

‘flying doctors’

Lightweightinsulating

hot gas exhaustsystems

PyrogelSuperwool

Carbon/Peti330phenylethynyl-terminated imide oligomer

(LaRC PETI-5)

Patent Pending

Temperature decline:

from 700o to 100oC

Transmission loss:

ca 50 dB, ΔW≈60%

Page 34: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Protension:

blue helmets,

radomes, wheels

FOCWA:

cooled trailers

Bosal/Agusta:

exhaust systems

Turn Implicit Knowledge into Explicit IP TTintoB

Page 35: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Zumro Resque Bags

Taniq Turbo hoses

ALE pressure vessels

Turn Implicit Knowledge into Explicit IP TTintoB

KeyKeg packaging

Airborne

oil & gas tubing

CPT containers

Page 36: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Kennis is zilver,

bedrijvigheid is goud

Crossover Luchtvaart-Maritiem

Gemeente Papendrecht, 10 maart 2014, Apollo Hotel

AXBow, Lex Keuning TUD & Marin

K&vE: inductie lassen

Downhole tubes , AirborneFlexible hoses, Taniq

Page 37: ‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’ · World Class Composite Solution, Het Noorden > 2015 Maritiem - Luchtvaart 2014-2018, Rijn Delta, Drechtsteden & een aantal

Composites Future: TTintoB‘minimum mass, minimum energy, maximum performance’

THE END

‘the knowledge chain’

Knowledge

dissemination

Knowledge

development

Knowledge

valorisation

EFRO ‘Valorisatie Hightech Sector Composieten Noord-Holland’

Uitgeest, 14-12 -2016