Hoe ontwerp je een product uit recyclaat?

40% goedkoper, 33% lichter, 100% gerecycled en 100% recyclebaar. Dat zijn zo wat specs van de nieuwe rijplaten van CircuPlate. Hoe dat is bereikt? “Je moet al in de ideefase voor een materiaal kiezen. En ik focus bij het maken van de levensloopanalyse op CO₂ besparing.”

Aan het woord is Claudia Nieuwenhuize – van Tilburg, productontwerper bij de Circular Plastics Factory. Het bedrijf is gevestigd op landgoed Welkom in Putte, waar Van Niftrik ooit bakeliet maakte, en is onderdeel van kunststof materiaal leverancier  QPlastics.

Dit bedrijf levert maalgoed, gerecycled kunststof granulaat en spuitgietproducten, maar ook diensten zoals productontwikkeling en projectmanagement. Hierdoor kan CPF een  totaalconcept aanbieden aan de klant, van idee tot productie. “Ik heb geregeld contact met bedrijven die een reststroom hebben waar ze niets mee kunnen en vragen of wij daar een product van kunnen maken dat bij hun past. Dan hebben ze nog geen idee wat,” vertelt Nieuwenhuize, die ook nog een lijstje met potentiële productverbeteringen voor de bouwindustrie heeft liggen: ideeën die ze opdeed bij haar werkbezoeken aan bouwplaatsen.

Octrooionderzoek

Zo ging dat niet bij de kunststof rijplaten. In tegendeel, deze klant meldde zich met een zeer duidelijk idee. Hij kwam uit de transportwereld en zag een enorme markt voor groot formaat kunststof rijplaten (2×4 meter) voor zwaar materieel, vooral omdat er, vergeleken met stalen rijplaten, veel meer vervoerd kunnen worden per vrachtwagen. “De kunststof rijplaat bestond dus al en de klant vroeg eigenlijk of wij ook zoiets konden maken. Dat kan natuurlijk niet, want je hebt te maken met octrooien . De eerste vraag in zo’n geval is dan ook: ‘wat is er eigenlijk allemaal geoctrooieerd’.”

Of eigenlijk is dat de tweede vraag, want allereerst beoordeelt Circular Plastics Factory (CPF) of een opdracht überhaupt wel bij het bedrijf past en wordt een programma van eisen en wensen (PvE&W) opgesteld.

Espacenet

Dat van die octrooien kun je onderzoeken op de website Espacenet, waarbij de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RvO) een zoekadvies kan geven. Met dit zoekadvies word je op weg geholpen met doelgericht zoeken in de enorme database met octrooien. Daar kwam uit dat met name de bevestigingssystemen, de opbouw van de rijplaten, de productie- en assemblagemethoden en de profilering gepatenteerd waren. CPF besloot logischerwijs om een andere  productiemethode te kiezen, namelijk spuitgieten (de huidige platen worden gemaakt middels compression moulding) en om een eigen profilering en bevestigingssysteem te bedenken.

Materiaal

Ook werd in deze fase al meteen gekeken welk materiaal geschikt zou kunnen zijn. “Het materiaal moet een hoge rekgrens hebben , UV-stabiel en antistatisch zijn. Aan die eisen voldoet HDPE. Bovendien weten wij vrijwel zeker dat we nog jarenlang een voldoende grote continue materiaalstroom hebben in 100% gerecycled HDPE. We willen minimaal 5000 rijplaten per jaar maken en dat kan gemakkelijk.”

Efficiëntie

Bij de levensloopanalyse (met de focus op CO2 reductie) heeft Nieuwenhuize onder meer gekeken hoe ze de vrachtwagen zo efficiënt mogelijk kan gebruiken. Veel rijplaten zijn 2 meter lang, maar die van CPF om die reden 2,30.

Ook de productie moet zo efficiënt mogelijk, zowel qua tooling als qua energie. Er was al gekozen voor spuitgieten – een productieproces dat nog niet wordt gebruikt voor rijplaten en tevens het proces waar het bedrijf de meeste ervaring mee heeft. Met de wetenschap dat er 5000 platen per jaar moeten worden geproduceerd, heeft Nieuwenhuize gekozen om de rijplaten samen te stellen uit meerdere delen die worden  verbonden middels spiegellassen. Zo kan ze volstaan met een kleinere matrijs en kan de spuitgietmachine van 3000 ton, die speciaal voor deze opdracht moet worden aangeschaft, het hele jaar continu produceren. Er is gekozen voor spiegellassen als bevestigingsmethode om te voorkomen dat de plaat volloopt met water; de plaat moet bovendien vloeistofdicht zijn voor in het geval dat er met chemicaliën wordt gewerkt.

“Ik heb een nieuw ontwerp gemaakt van het koppelelement tussen verschillende de platen, waardoor de platen niet uit elkaar schuiven wanneer er overheen gereden wordt. Uiteindelijk is dit een stalen element geworden, vanwege de hoge krachten en omdat we geen hybride constructie wilden in verband met de recyclebaarheid. De plaat is nu van 100% HDPE, gaat 10 jaar mee en kan 10 keer worden gerecycled. De koppelstukken zijn van 100% gerecycled staal en deze kunnen ook weer opnieuw worden gerecycled.”

Bouwhekken

Tijdens het ontwerpproces kwam Nieuwenhuize bovendien op het idee om de afstand tussen de gaten voor de koppeling zo te maken dat standaard bouwhekken erin passen. Hierdoor hoeven de zware betonnen voeten waar die hekken normaal gesproken in staan, niet naar de bouwplaats te worden vervoerd – wat weer energiezuiniger is.

Altijd een schaalmodel

Na deze analyses ontwikkelde Nieuwenhuize een stuk of tien potentiële ontwerpen, waarvan er twee werden gekozen die het beste voldeden aan de eisen van modulariteit en recyclebaarheid. Hiervan werden schaalmodellen ge-3D-print. “Ik maak altijd modellen”, zegt ze hierover, “want daar komt bijna altijd informatie uit die je in CAD niet ziet.”

De zigzag constructie in het eerste concept gaf problemen bij het lassen bij variërende lengtes van de modules, bovendien werd de spiegellasplaat in deze constructie erg complex. Ook waren de modules kleiner, waardoor er een verbinding nodig was in het midden van de plaat, na uitvoeren van een FEM analyse bleek de plaat precies op deze verbinding te bezwijken

In het tweede concept moesten de modules in 1 stap tegelijk gelast worden, wat betekent dat je een spiegellasmachine van 2,30×4 meter moet hebben: erg duur in aanschaf en in energiegebruik. Ook deze plaat bezweek op sterkte.

Beide bezweken

“Ze bezweken beide. Toen ben ik van een wanddikte 5 naar een wanddikte 10 gegaan, met 2% blaasmiddel. Dat resulteert in 15% gewichtsreductie  en zorgt ervoor dat je uiteindelijk minder krimp hebt, waardoor de tolerantiespreiding kleiner wordt.” De totale dikte van de rijplaat werd toen 10,8 centimeter inclusief profiel, wat nog altijd minder is dan de maximum dikte van 12 centimeter uit het PvE. “In sommige gevallen is er wel een oprijplaat bij nodig.” Later heeft Nieuwenhuize de profilering  nog geoptimaliseerd zodat deze  nu bijdraagt aan de constructieve sterkte.

In deze fase is opnieuw een FEM-analyse van het materiaal gemaakt. “Recyclaat heeft niet dezelfde mechanische eigenschappen als vergelijkbaar virgin materiaal. Bovendien zal het elke keer dat je het recycleert iets aan kwaliteit afnemen. En een rijplaat kan natuurlijk nooit te sterk zijn. Je gaat dus uit van materiaaleigenschappen waarvan je altijd zeker weet dat je deze kunt garanderen in het recyclaat. Deze materiaaleigenschappen zijn de basis voor de FEM analyse. Bovendien komt daar in de analyse nog een veiligheidstoeslag op.”

Ook werd de sterkte van de rijplaat op verschillende ondergronden berekend, zoals klei, zand en grind.

Nieuwenhuize had inmiddels verder gewerkt aan het zigzagconcept, maar dan zonder de zigzag: gewoon recht. Ook werd de constructie in het midden geoptimaliseerd op sterkte, waardoor er grotere eindstukken nodig waren.

MIT R&D Subsidie

Op dat moment is er een MIT R&D Subsidie aangevraagd voor het laatste deel van de materialisatiefase en de prototypefase. Deze subsidie bedraagt maximaal 35% van deze kosten. Voorwaarde is dat er minimaal 2 mkb bedrijven samenwerken op basis van gelijkwaardigheid. Het was dus inmiddels duidelijk dat ze de platen samen in de markt zouden gaan zetten.

Octrooi

Na de product evaluatie, inclusief FEM analyse zijn de lasrillen verder geoptimaliseerd en is de afdekplaat aan de zijkanten verdeeld in 3 stukken, dit in verband met de gereedschapskosten en toleranties. Toen kon het octrooi worden aangevraagd en de prototypematrijs worden besteld in China. “Ik zou mensen altijd aanraden om het ontwerp te octrooieren voordat je het aan machinebouwers of gereedschapsmakers laat zien”, tipt Nieuwenhuize. En waarom China? “Dat is vaak goedkoper dan in Europa. Maar de seriematrijzen laten we waarschijnlijk in Europa maken. Niet dat de Chinese matrijsmakers dat niet zouden kunnen, er zitten daar hele goede toolmakers, maar de matrijzen zijn best complex en China is ver weg. Je kan er niet even snel naartoe om mee te kijken als er een probleem is.”

De prototypematrijs is zo gemaakt dat alle onderdelen met inserts in 1 matrijs kunnen worden vervaardigd, maar in serieproductie hebben we uiteindelijk 3 matrijzen nodig om de productieaantallen per jaar te kunnen garanderen.

Nieuwe spuitgietmachine

“We gaan nu 5 platen lassen en testen in de praktijk en dan, indien nodig, het ontwerp optimaliseren. Intussen zijn we aan het kijken voor 2 nieuwe spuitgietmachines. We willen een energiezuinige spuitgietmachine waar je direct maalgoed in kan storten en die de schommelingen in het vloeigedrag van de grondstof eruit haalt.”

Nieuwenhuize denkt dat ze nog een jaar bezig zijn voordat de productie draait. “En we zijn 3 jaar geleden begonnen. Dat is ook iets wat opdrachtgevers zich vaak niet realiseren en wat ik altijd goed uitvraag in het begin: hoe lang denken ze dat het ontwikkeltraject duurt. Want ze zeggen niet zelden ‘een paar maanden’. Maar dat is natuurlijk afhankelijk van de complexiteit van het ontwikkelingsproject.”

Ontstaan Circular Plastics Factory

Toen het goedlopende Polytec eind 2020 wegens schaal­voordelen naar Duitsland werd verplaatst, kwam er in Putte een 83.000 m2 groot terrein beschikbaar, met 15 spuitgietmachines van 50 tot 800ton. Q Plastics, leverancier van virgin materiaal uit incourant geraakte bestanden en voormalig leverancier van Polytec, had op dat moment een stijgende vraag naar inname van aanspuitingen, foutproducties en scraps. De sluiting bracht Q-plastics op het idee om naast het verwerken tot recyclaat ook de inzameling en verwerking tot eindproduct te gaan realiseren. Samen met voormalig productiemanager Roel van Dort van Polytec en de eigenaar van het pand werd gebrainstormd over een nieuw circulair concept op de locatie in Putte en  op 23 februari 2021 werd Circular Plastics Factory opgericht. De spuitgietmachines werden overgenomen en 2 maallijnen en 2 extruders aangeschaft. Van Dort vroeg  Nieuwenhuize terug en sinds 4 jaar zwaait zij de ontwerpscepter op het oude Polytec terrein. Momenteel nog alleen, met af en toe hulp van een ZZP-er, maar wellicht binnenkort met een of meer vaste collega’s.