Download het artikel in 
ENGINEERINGNET.BE - Vormgeheugenmetalen zijn zeer elastisch en makkelijk te vervormen ‘onder’ een bepaalde temperatuur. Ze behouden ook die vorm, maar bij opwarmen keren ze terug naar hun oorspronkelijke vorm.
“De temperatuurdrempel tussen koud en warm, en dus ook het gedrag van het metaal, kan je controleren. De soort legering is belangrijk. De ‘koudvervorming’ wordt gevolgd door de gepaste warmtebehandeling. Het materiaal gaat de oven in bij zo’n 500 °C. Iets meer of minder, langer of korter kan een enorm verschil maken.”
Vlot verbinden
Dat proces optimaliseren is Stalmans expertise en ervaring. Zijn partner, Promper, kende hem al vijftien jaar, van projecten in zijn drukke leven in de lucht- en ruimtevaart, bij Safran in binnen- en buitenland. Nog maar pas aan de slag als zelfstandig consulent interim/innovatie/change management/ … merkte hij dat ESA, de Europese ruimteorganisatie, een tender uitschreef voor buiskoppelingen in vormgeheugenlegeringen.
“Ik belde Rudy op. ‘Ik ben deze week heel druk bezig, maar …’” Beiden vonden elkaar, zochten en vonden ook steun bij Belspo, en legden een voorstel neer bij ESA waarmee ze de opdracht uiteindelijk binnenhaalden in december 2015. Ze zetten SCouP srl op. De naam wijst naar hun eerste gezamenlijke project: Shape memory alloy COUplings for Pipes. Met hun vormgeheugentechnologie wisten ze twee rvs buizen van 1/4” te verbinden alsof die gelast waren. Lekvrij en zonder de nadelen of risico’s van lassen. De technologie verbindt overigens even vlot ongelijksoortige metalen.
Nieuwkomer
“Als nieuwkomer haalden we er ons eerste contract binnen, omdat het grote concurrenten aan materiaalkennis en een creatieve O&O-cultuur ontbrak”, meent Stalmans. Het cryogeen behandelen van een nikkel-titaan legering vergt specifieke ervaringskennis waarover hij wél beschikt. “Maar ook omdat de technologie van vormgeheugenmetalen tot dan toe in handen was van Amerikaanse bedrijven als Raychem en later Aerofit en CAM. ESA was op zoek naar een Europees alternatief.”
Oudere versies van dergelijke koppelingen bestonden al in de zestigerjaren in de VS. De F-14 Tomcat had wel 800 van die dingen aan boord. “Wij realiseerden die koppelingen nu met andere materialen.” De koppeling wordt in het gekozen materiaal verwerkt en cryogeen behandeld. Het onderdeel groeit met 5 à 10%. Bij opwarming krimpt het tot zijn oorspronkelijke vorm. Het verbinden van tubes en buizen met vormgeheugenmoffen heeft unieke voordelen. Je hoeft geen lasser te zijn. Het verbinden gebeurt zonder dat er gensters in het rond of in de buizen vliegen. Ook leidingen die heel dicht bij elkaar liggen, zijn makkelijk te verbinden. De koppeling is lekloos.
“Bij een klassieke las van een tube is de lastijd afhankelijk van de diameter of de omtrek van de tube. Hoe groter, des te langer je over een las doet. Met onze technologie is de ‘installatieduur’ een constante. Voor kleine diameters zijn we misschien wat duurder, maar ons proces is in dit geval ook veel eenvoudiger en er is geen röntgenfoto nodig. Koppelingen van grotere diameters leggen we beduidend veel sneller en dit leidt globaal tot besparingen”, rekent Promper.
Logistiek op kamertemperatuur
Een andere reden is wellicht ook dat SCouPs oplossing logistiek eenvoudiger is. De traditionele Amerikaanse producten vergen een transport in vloeibare stikstof tot op het ogenblik dat de koppelingen gelegd worden. Ze worden uit het koelmiddel gehaald en voorzien van een isolerende mof die de beschikbare applicatietijd verlengt. Dan worden ze op hun plaats gezet om daar dan geleidelijk te krimpen.
“Ons product kunnen we op kamertemperatuur transporteren. Het vergt dan wel extra verwarmen om de koppeling rond de buis te doen krimpen.” De productiemethode van de nieuwe oplossing is complexer. “Er zit meer kennis in”, aldus Stalmans. Uiteraard kan SCouP ook de klassiekere oplossing aanbieden. Hij verwacht zelfs dat klanten voor de meeste toepassingen ook in de toekomst nog steeds zullen kiezen voor het transport in vloeibare stikstof “gewoon omdat ze daarmee vertrouwd zijn.”
Minisatellieten
Het duo heeft een natuurlijke taakverdeling. Promper kent de klanten en heeft ervaring met productontwikkeling en industrialisatie in lucht- en ruimtevaart, terwijl Stalmans de uiterst kritieke materiaalaspecten beheert. Ze verzilverden ondertussen al enkele contracten bij de ruimtevaartorganisatie ESA in het ARTES programma en in het General Support Technology Programme (GSTP).
Na een eerste ESA-project werkt SCouP nu aan een vervolgproject dat loopt tot het einde van het jaar. Het bedrijfje investeerde in productiecapaciteit. “Dit jaar gaan we kleine reeksen leveren. De vraag is er vooral van klanten in de ruimtevaart”, aldus Stalmans. Vandaag zijn daar heel wat bedrijven actief. “Anders dan concurrenten die met een vaste catalogus werken, willen wij soepel inspelen op de vraag van klanten. Naast een standaard 1/4 inch (6,35 mm) koppeling, kunnen wij ook uitpakken met 1/8 inch (3,2 mm).” Hij denkt aan toepassingen voor het groeiend aantal minisatellieten, bijvoorbeeld.
Slim kwalificeren
Werken met ESA opent ook elders deuren. Technologieoverdracht naar toepassingen in andere gebieden komt in het vizier: hydraulische leidingen van helikopters, medische toepassingen … Het vergt ‘market intelligence’ om nieuwe markten te betreden.
“Er zijn enorm veel mogelijke niches. Elk kent zijn eigen codes en normen. Je moet die goed begrijpen en slim toepassen”, zegt Promper. In de ruimtevaart, waar er minder grote series gerealiseerd worden, komt het eerder aan op ‘slim kwalificeren’ dan certificeren volgens normen. “Zo komt men er soms sneller vooruit dan in de luchtvaart, bijvoorbeeld. Anderzijds moet je steevast via Belspo dat enkel investeert als er ook een degelijke nationale return (jobs) achter steekt.”
Technologietransfer
“Vorig jaar kregen we veel belangstelling van satellietbouwers en vliegtuigconstructeurs. Er zijn heel wat NDA’s (non-disclosure agreements) afgesloten, zowel met bedrijven in België als het buitenland. Ondertussen voeren we geavanceerde gesprekken om met onze koppelingen specifieke Europese normen op te stellen”, zegt Promper.
Beide ingenieurs-ondernemers gaan er achteraan met de hulp van de Waalse incubator WSL, dat oorspronkelijk opgericht was als incubator voor bedrijven die zich toeleggen op ruimtetechnologie, dat voor coaching zorgt. Maar ook ESA BIC (via Galaxia Space Innovation vertegenwoordigd door IDELUX) en ESA’s Belgische technologietransferbureau (Verhaert).
“We zoeken de technologie nu ook elders in te zetten, voor vaste installaties in de chemie, water- en gasinstallaties, koeling, waterstof … en gaan dan wellicht naar duizenden stuks per maand.” SCouP kan terecht bij toeleveranciers in België. “We bouwen ook eigen machines. Tot nu toe ging het om producties op labschaal. Nu zitten we op een traject voor industrieel schalen en seriematige producties.”
De bedoeling is stabiele groeimarkten aan te spreken, “markten met een goede toegevoegde waarde” zodat er op een vijftal jaar naar tien à twintig mensen gegroeid kan worden. Ook Stalmans ziet tal van productiemogelijkheden maar “eerst is er nog werk aan de winkel. Prototypes van koppelingen kunnen meer dan 100 euro per stuk kosten. Als ik er in slaag onze productiemethoden te verbeteren, kan ik de kostprijs aanzienlijk reduceren.”
Medische wereld
Vormgeheugenmetalen zijn heel precies te sturen zodat ze op tienden van een graad nauwkeurig voorspelbaar vervormen. “Dat is relevant voor medische toepassingen, denk aan stents”, zegt Stalmans. Die hoge temperatuurnauwkeurigheid is minder nodig voor de huidige toepassingen bij SCouP. “Maar het kan. De voorbije twintig jaar ging het medische gebeuren zowat 95% van de wereldmarkt uitmaken voor vormgeheugenmetalen.
Meer dan ooit focust men er nu op nikkeltitaanlegeringen” voor laparoscopische instrumenten. Denk aan korfjes om nierstenen te verwijderen, grijpers, stents … Al wat van vorm moet veranderen en door een klein gaatje moet. “Vormgeheugenmaterialen zijn vooral succesvolle oplossingen waar er geen alternatief bestaat.” Twintig jaar geleden had een Mercedes een olietoevoerklep in vormgeheugenmetaal. Ze werd vervangen door een goedkopere elektronische oplossing. Maar nu gebruikt men er opnieuw kleppen met vormgeheugenmetaal veren. Aan PMA in Leuven ging heel wat onderzoek naar robotgrijpers “maar ondertussen is ook daar veel vooruitgang geboekt met andere oplossingen.”
Geheugendraden
Er zijn sensoren in vormgeheugenmetaal. Men meet de weerstand van de ‘geheugendraden’. Stalmans werkte aan het inbedden van vormgeheugendraden/weefsels in composieten. Denk aan toepassingen die de vorm van vliegtuigvleugels in de vlucht veranderen, bijvoorbeeld. Hij werkte ook aan een helm met een weefsel van geheugenmetaal. “Geheugenmetaal kan veel impactenergie opvangen.”
In het militaire gebeuren zijn met geheugenmetaal ‘impactdozen’ ontwikkeld die aan tanks en transportvoertuigen worden gehangen als extra pantsering. De kernmaterialen blijven echter zeer duur. De meest succesvolle toepassingen zijn ‘klein’. “Het blijft een complex en dus duur materiaal.” Een kostprijs van zo’n € 500 euro/kg vormt een stevige rem voor grote en zwaardere toepassingen. Stalmans ziet zelfs een toenemende miniaturisering. Kleinere stents voor kleinere aders, bijvoorbeeld. Vormgeheugenmetalen worden nu ook stilaan 3D-geprint.
Daar zet Stalmans nog vraagtekens bij. “De legeringen mogen geen onzuiverheden bevatten. Bevatten ze koolstof of zuurstof, dan loopt het mis.” Hij verwacht niet dat printtechnologie met deze materialen de eerste jaren écht industrieel gaat. Ook valt het hem op dat de vroegere enthousiaste onderzoeksactiviteit rond vormgeheugenmetalen lijkt stilgevallen. "‘Smart materials’ waren in het verleden een zeer populair onderzoeksgebied dat veel fondsen aantrok. Nu krijgen ingenieursstudenten tijdens hun studie wellicht geen drie zinnen over vormgeheugenmetalen meer te horen.”
door Luc De Smet
Kader 1: Rudy Stalmans
Rudy Stalmans (57) buigt zich al drie decennia over de technologie van vormgeheugenmetalen. Als consulent/ontwikkelaar legt hij met zijn eenmanszaak Flexmet bijzondere referenties voor: juwelen, lucht- en ruimtevaart, actuatoren … en heeft hij meerdere patenten op zijn actief. “Na zijn ingenieursstudie legde hij zich als FWO-er (Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek) aan het MTM (Metaal & Materiaalkunde) van de KULeuven toe op het modelleren van het gedrag van vormgeheugenmetalen maar ook op CAD (Computer Aided Design) en het nauwkeurig afstellen van relevante parameters voor concrete toepassingen met vormgeheugenmetalen. Hij spendeerde een jaar in het Zwitserse Lausanne aan het EPFL, een paar maanden in Stockholm aan het Royal Institute of Technology en zelfs aan de Kansai Universiteit van Osaka in Japan. Maar na vijftien jaar specialiseren zat een vaste benoeming aan de Leuvense universiteit er niet in. “Dan ga je er alleen voor.” In juni 2000, werd hij zelfstandige met het eenmansbedrijf Flexmet. Hij adviseert bedrijven omtrent vormgeheugenmetalen en -producten, het bijsturen van behandelingen om specifieke eigenschappen te bekomen. Maar hij helpt ook productieprocessen optimaliseren voor nitinol producten, waaronder ook elektropolieren. Hij ontwikkelde ook eigen producten, vooral dan voor de medische sector. Toch is hij wellicht vooral bekend voor zijn fascinerende realisaties bij juwelier Holemans die in 2001 uitpakte met een platina halsjuweel waarin zo’n 4.000 edelstenen (3.731 edelstenen en 256 heldere gele diamanten) verwerkt waren, goed voor 173.16 karaat en meer dan 4.000 werkuren. Het juweel heette Metamorphosis. De drie grootste edelstenen vormden telkens het hart van een bloem die zich opent en sluit. De zes bloembladen waren aangedreven door de reactie van vormgeheugenmetaal op de lichaamstemperatuur van de draagster van het juweel. “Ik probeer vandaag simpele oplossingen te vinden voor toepassingsgerichte zaken.”
Kader 2: Christophe Promper
Christophe Promper bouwde zijn eerste radio toen hij negen was. Ingenieur worden was zijn roeping. Grootvader bouwde toch ook turbines in Duitsland. Tijdens de studies schoof zijn hang naar elektronica naar een affiniteit met ‘al wat vliegt’. Erasmus bracht hem naar Aken. “Duitsers zijn iets concreter, iets meer hands on." Na zijn MA Aerospace Engineering aan de Universiteit van Luik volgde een MBA aan het HEC Liège waarna hij met de allerlaatste lichting het leger indook als ‘prof-milicien’. In Saffraanberg was hij instructeur voor hydraulische en elektrische systemen op vliegtuigen. Terwijl anderen ’s avonds een pint meer pakten, leerde hij talen. “Mijn talenkennis (Duits, Nederlands, Russisch, Spaans …) hielp mijn loopbaan te internationaliseren.” Als zelfstandige zou hij eerst business software ontwikkelen, HEC-studenten trainen en freelance vertalingen verzorgen. Toen de economie even later aantrok, leidde hij bij Techspace Aero, later Safran, teams rond de smeringssystemen van straalmotoren, heliumsystemen en kleppen voor Ariane V raketmotoren, maar was hij ook betrokken bij tal van ESA projecten. “Technologieën die vijftien jaar later zouden vliegen.” Gedurende twee jaar leidde hij het SuperJet100 Nacelle Podding programma en was hij sitemanager van een nieuwe productiesite in het Russische Komsomolsk op de Amoer. Jonggehuwd hoopte hij op een meer stationaire job. Maar eerst trok hij nog naar Madrid om er bij Europrop International de instrumentatie/validatie/testprocessen van de Airbus A400M transporter te coördineren tussen de vier consortiumpartnerbedrijven. Voor Safran kwam hij 2,5 jaar later terug naar Luik om aan industriële strategie en kritische testbanken te werken. Drie jaar later ging hij aan de slag als zelfstandig consulent interim/innovatie/change management. Een jaar later belde hij Stalmans op over een tender bij ESA …
Kader 3: Vormgeheugen
Een vervormde vormgeheugendraad keert bij verwarming terug naar zijn ‘opgeslagen’ hete vorm. Koudvervormen en terugkeren naar de (warme) opgeslagen vorm kan je vele malen herhalen. Het vormherstelproces volgt uit een omkeerbare fasetransformatie van austeniet (warm) naar martensiet (koud). Austeniet verandert tijdens het afkoelen in martensiet. Martensiet verandert tijdens verhitting in austeniet. De transformatie begint bij een starttemperatuur en eindigt bij een eindtemperatuur. Tal van parameters (samenstelling, warmtebehandelingen en snelheid van koud werken) beïnvloeden de transformatietemperaturen. Nitinol legeringen met een hoog nikkelgehalte hebben transformatietemperaturen onder kamertemperatuur. Dat zijn super-elastische legeringen. Legeringen met vormgeheugen zijn Nitinol legeringen met een laag nikkelgehalte en transformatietemperaturen boven kamertemperatuur.
