SMC: een ’seriously misunderstood composite’

Halverwege de jaren ’80 kwamen de ‘sheet moulding compounds’ (SMC) breed onder de aandacht, mede dankzij de baanbrekende Renault Espace die in 1984 werd geïntroduceerd. Dit eerste echt succesvolle “multi-purpose vehicle” had namelijk een lichtgewicht carrosserie vervaardigd uit SMC.

Door: Erik Tempelman, adviesbureau eriktempelman.com, universitair hoofddocent TU Delft – Industrieel Ontwerpen. Speciale dank aan Thomas Wegman van de SMC-BMC-Alliance voor input en illustraties.

Sheet moulding compounds worden soms aangeduid als ‘semi-structural composites’ en de Espace had inderdaad een stalen ‘spaceframe’ onder de SMC schaaldelen. Maar SMC biedt ook als op zichzelf staand materiaal opmerkelijke kansen voor gewichtsreductie. Sterker nog, zoals we zullen ontdekken, is SMC beslist een ‘seriously misunderstood composite’.

SMC is een vezelversterkte thermoharder met relatief korte vezels (25-50 mm) en een vezelvolume van zo’n 25-35 procent. Doorgaans wordt er met glasvezels in conventionele polyesterharsen gewerkt, maar ook koolstofvezels behoren tot de mogelijkheden, evenals harsen op biologische basis. Wat SMC verder typeert is het gebruik van kalk als vulstof. Dit houdt de kosten onder controle en zorgt tegelijk voor een relatief lage thermische expansie, zodat SMC delen samen met metalen delen bij verhoogde temperatuur kunnen worden afgelakt met de begeerde ‘Class A’ finish – in de praktijk vaak een belangrijk voordeel.

SMC wordt als halffabricaat gemaakt op een productielijn, resulterend in gedeeltelijk uitgeharde ‘pre-forms’. Deze worden daarna in een productspecifieke matrijs geplaatst waarin ze, dankzij toevoer van warmte en persdruk, gemakkelijk uitvloeien in alle hoeken van de matrijsholte, om daarna volledig uit te harden tot gebruiksklaar product. De cyclustijd van dit proces is 1-3 minuten, wat lang is vergeleken met het in de autoindustrie gangbare matrijspersen van plaatwerk, maar wat voor seriegroottes van pakweg 5.000-50.000 stuks/jaar prima voldoet. Bovendien is een matrijs voor SMC veel goedkoper dan een set matrijzen voor plaatwerk van staal of aluminium, waardoor het kostenplaatje per product bij zulke series gunstig uitpakt. Vandaar ook dat je SMC vaak in vrachtwagens tegenkomt, want daar vormt het de perfecte match van materiaal, vorm en seriegrootte. Maar, hoe zit het nou met de gewichtswinst?

SMC versus staal en aluminium

Wie materialen vergelijkt, begeeft zich op glad ijs. Dit is allereerst omdat materialen vaak diverse functies tegelijk vervullen: zo moet de carrosserie van een auto of vrachtwagen niet alleen sterk en stijf zijn, maar willen we ook dat deze er goed uitziet, bestand is tegen corrosie en andere omgevingsinvloeden, en een zekere isolerende werking heeft voor geluid en warmte. Tegelijkertijd willen we niet alleen het gewicht van de carrosserie minimaliseren, maar ook de kosten en de milieu-impact. Kortom, allemaal verschillende aspecten om te maximaliseren dan wel minimaliseren, elk met zijn eigen eenheden en weegfactoren. In dit artikel kijken we primair naar sterkte en stijfheid bij minimaal gewicht, maar weet dus dat dit bij lange na niet het complete plaatje betreft.

Specifieke materialen

Een tweede principieel probleem betreft de specifieke materialen die we kiezen om te vergelijken. Neem nu staal: in bijvoorbeeld moderne autoconstructies komen we zowel zacht dieptrekstaal tegen met een vloeigrens van nog geen 250 MPa, maar ook staal dat ruim viermaal sterker is. Voor dit artikel kiezen we hogesterktestaal met een vloeigrens van 500 MPa, maar dit is dus enigszins arbitrair. Ook aluminium vertoont in de praktijk grote verschillen qua sterkte. We kiezen hier voor legeringen met een rekgrens van 200 MPa: prima voor bijvoorbeeld een auto, maar minder geschikt voor een vliegtuig of andere ‘high end’ toepassing. SMC kent ook forse variatie, nu zowel qua stijfheid als sterkte: hier valt de keuze op de zogeheten SMC-4 variant, die een vezelvolume heeft van 30 procent (per gewicht is dit 40 procent) en die tot 140 MPa belastbaar is. Deze en overige gegevens die we hier als input zullen gebruiken, vindt u in tabel 1. Maakt u gerust uw eigen keuzes, als u meent dat we hier geen goed compromis tussen sterkte en overige eigenschappen (vervormbaarheid, kosten e.d.) hebben gevonden.

Trek

Hoe onze materiaalvergelijking vervolgens uitpakt, hangt sterk af van de vorm die de constructie heeft en hoe deze wordt belast. Laten we beginnen met de ‘trekstaaf’, dat wil zeggen een langwerpig constructiedeel met een constante dwarsdoorsnede over zijn lengte, belast op trek. De sterkte hiervan is het product van de toelaatbare materiaalspanning σmax en het oppervlak van die dwarsdoorsnede A. De staaf kunnen we dus vervaardigen uit staal, aluminium, of SMC (of dit laatste materiaal voor deze constructievorm wel zo geschikt is, bespreken we nog). Om de vergelijking eerlijk te maken, stellen we als eis dat alle drie de staven dezelfde sterkte moeten hebben en even lang moeten zijn. Het gewicht per staaf volgt dan simpelweg uit de verhouding σmax/ρ, waarin ρ de dichtheid is. Zetten we het gewicht van de stalen staaf op 100 procent, dan komt die van aluminium op 87 procent: dit metaal is weliswaar flink minder belastbaar (200 versus 500 MPa) en we moeten het dwarsoppervlak A dus navenant vergroten, maar dankzij de fors lagere dichtheid ten opzichte van staal (2,7 versus 7,8 kg/dm3) is het eindresultaat toch iets lichter. Het gewicht van de SMC staaf komt, geheel toevalligerwijze, ook op 87 procent. De eerste gewichtswinst lijkt binnen!

Stijfheid

Echter, kijken we nu naar stijfheid c.q. weerstand tegen elastische vervorming van onze trekstaaf, dan moeten we rekenen met E/ρ, waarbij E de elasticiteitsmodulus is. Opnieuw met staal op 100 procent komt aluminium met 104 procent nu net iets zwaarder uit, terwijl SMC, vooral vanwege zijn bescheiden E-modulus, op 365 procent terecht komt. Anders gezegd: om dezelfde stijfheid te hebben als de stalen staaf, moet de SMC staaf dus 3,65 maal zwaarder worden uitgevoerd.

Buiging

Het plaatje wordt nog complexer als we naar buiging kijken – buiging van balken, wel te verstaan. De buigsterkte van een balk hangt opnieuw af van de toelaatbare materiaalspanning σmax, maar ook van het zogeheten ‘weerstandsmoment’ W van de balkdoorsnede. Daarin schuilt een verrassing, want als we hoogte en breedte van de balkdoorsnede verdubbelen, dan neemt het dwarsoppervlak A toe met een factor vier, maar deze term W wordt een factor acht groter. ^{Buiging beter begrepen; (Not) safe for designers – XXIV, pag. 8 t/m 11 Constructeur 4, 2024.} Bijgevolg wordt de buigsterkte per kilo gegeven als σmax2/3/ρ. (Even tussendoor: we hoeven ons over de eenheden van deze uitdrukking geen zorgen te maken – het betreft immers een vergelijking.) Dit werkt in het voordeel van materialen met een relatief lage dichtheid. Als we het gewicht van de stalen balk weer op 100 procent zetten, dan weegt een aluminium balk met dezelfde sterkte 64 procent en eentje van SMC zelfs maar 57 procent. Voor stijfheid komt er wéér een ander resultaat, want weerstand tegen elastische vervorming volgt bij balken uit het product van E-modulus en de oppervlaktetraagheidsmoment I van de balkdoorsnede is – en die laatste term groeit nog sneller met de balkhoogte en -breedte dan die W van zojuist. De formule voor buigstijfheid per kilo is dan ook E1/2/ρ. Met staal op 100 procent komt aluminium nu op 60 procent en SMC op 94 procent.

Voorwaarts, lezer! Bij buiging van platen volgt buigsterkte per kilo uit de formule σmax/1/2/ρ, terwijl buigstijfheid per kilo gegeven wordt door E1/3/ρ. Zetten we staal gewoontegetrouw weer op 100 procent, dan weegt een aluminiumplaat maar 55 procent van dit gewicht om dezelfde buigsterkte te bieden, en slechts 50 procent voor dezelfde buigstijfheid. Voor SMC komen we nu uit op 46 procent (sterkte) dan wel 60 procent (stijfheid).

Nog drie te gaan

Is dit dan het complete plaatje? Nee, want we hebben nog drie belastingsvormen te gaan. De eerste daarvan is afschuiving. Als materialen zich in alle richtingen gelijk gedragen dat wil zeggen ‘isotroop’ zijn dan schaalt de weerstand tegen afschuiving min of meer zoals die tegen trek. Nu geldt dit voor al onze drie materialen en hun weerstand tegen afschuiving is dus vergelijkbaar met wat we zagen voor een trekstaaf. Dan is er verder nog torsie: een belastingsvorm die verwant is aan afschuiving (beide genereren immers afschuifspanningen in het materiaal), maar waarbij we voor een eerste benadering dezelfde formules kunnen gebruiken als voor buiging van balken.^{Dit geldt dan voor assen onder torsie, niet voor ‘torsieboxen’, zoals een vliegtuigvleugel.} En tenslotte is daar nog knik: een gevaarlijke belastingsvorm waarbij lange, dunne constructies onder drukbelasting ineens zijwaarts wegklappen en bezwijken (‘uitknikken’). Dit is theoretisch gezien puur een sterkteprobleem, maar frappant genoeg zijn de formules hiervoor gelijk aan die voor buigstijfheid. Bij korte, op druk belaste constructies speelt knik geen rol; hiervoor kunnen we terugvallen op wat we eerder al voor de trekstaaf hebben gevonden. U vindt dit alles terug in onderstaande tabel. De haalbare gewichtswinst hangt dus inderdaad sterk af van de constructievorm en belasting.

Tot zover de theorie, maar hoe pakt de materiaalvergelijking nu uit in de praktijk, en waarin schuilt dan het potentieel van SMC? Voordat we die vraag kunnen beantwoorden, moeten we een drietal ‘stille aannames’ bespreken.

Drie stille aannames besproken

We hielden steeds de globale vorm en lengte van een constructiedeel gelijk. Staal was onze referentiemateriaal, aluminium en SMC-4 de alternatieven. Sterkte en stijfheid van de constructiedelen hielden we constant door het dwarsoppervlak te vergroten, om zodoende te compenseren voor lagere materiaalsterkte en -stijfheid van de alternatieven ten opzichte van staal.  Daarbij namen we stilzwijgend aan dat er voldoende ruimte is voor deze wijziging. Vaak is dat zo: denkt u maar aan de dikke buizen van een modern aluminium fietsframe ten opzichte van de ranke stalen frames van toen. Maar die ruimte is er niet altijd, en dan worden de resultaten minder gunstig voor de ‘lichte’ materialen – als die al werken. Een krukas van aluminium of SMC bijvoorbeeld is, alleen al om deze reden, geen goed idee: hiervoor is staal echt de beste keuze.  Een tweede stille aanname is dat de genoemde belastingsvormen allemaal altijd even belangrijk zijn. Echter, dat is beslist niet het geval! Bij slanke en/of dunwandige constructies spelen pure treksterkte en -stijfheid doorgaans geen rol van betekenis: weerstand tegen buiging, torsie en/of knik vormt hier een veel grotere constructieve uitdaging. Dit weet u uit ervaring: probeer maar eens een potlood uit elkaar te trekken als ware het een trekstaaf en vergelijk de moeite die dat kost met het breken middels buiging. Merk verder op dat elastische vervormingen bij belasting op pure trek (of pure druk) doorgaans verwaarloosbaar klein zijn. Die 3,65 maal dikkere SMC trekstaaf ten opzichte van staal is dus louter een theoretisch probleem.

Dat brengt ons op de derde stilzwijgend gemaakte aanname: dat de diverse materialen even geschikt zouden zijn voor toepassing in de diverse constructievormen. Het is juist hier dat we SMC makkelijk verkeerd begrijpen, want het is niet alleen een materiaal maar ook een productieproces, met duidelijke voorkeuren voor bepaalde vormen. Zoals Renault in 1984 al liet zien met die Espace laat SMC zich uitstekend vormgeven als dunwandige schaaldelen met een milde dubbele kromming. In deze vorm zijn plaatbuiging en -knik zeer relevant, en het is juist daar dat SMC ten opzichte van staal veel gewicht kan sparen. Voor sommige belastingsvormen (bijvoorbeeld  deukweerstand) is het zelfs aluminium de baas! De kofferdeksel op de vorige pagina bestaat uit twee SMC schaaldelen die verlijmd zijn tot een sterk en stijf geheel. Merk op hoe bij het binnenste deel het materiaal precies op de benodigde plek is aangebracht. In de praktijk komen we SMC niet voor niets veelvuldig als dergelijke schaaldelen tegen. Vormgeven als trekstaaf daarentegen is onpraktisch, en daar zult u SMC dan ook zelden zien. Als SMC een ‘seriously misunderstood composite’ mag heten, dan is dit alleen al vanwege deze bijzondere relatie tussen materiaal, productieproces, vorm en belastbaarheid – met de seriegrootte als extra factor. De haalbare gewichtsbesparingen kunnen ook het beste in dit kader worden begrepen.

Conclusies

SMC stamt uit begin jaren ’70 en was ten tijde van die eerste Renault Espace dus al een gevestigd materiaal. Het is sindsdien nog significant verbeterd – maar desondanks nog vaak verkeerd begrepen, zeker ook in termen van haalbare gewichtswinst. Uw auteur hoopt dat dit artikel daar verandering in brengt, zodat SMC nog veel kilo’s mag sparen. Er is uiteraard nog veel meer over te zeggen, zoals de prestaties voor energie-absorptie (waar de metalen het doorgaans relatief goed doen) of het gedrag onder vermoeiing (waar het omgekeerde geldt), maar om ook dit artikel licht van gewicht te houden, laten we het hierbij. Weet nog wel dat SMC ook van grote waarde kan zijn als gewicht geen zwaarwegende factor is: denk maar aan elektrische behuizingen. Ook voor gebruiksartikelen is SMC verrassend vaak een ‘superior materials choice’, en dat is iets dat de TU Delft samen met de SMC-BMC-Alliance middels studieprojecten verkent, van zadels tot kappersstoelen. Vraagt u de auteur gerust om nadere informatie!