Thermo-elektrische materialen zijn al sinds de 19e eeuw bekend. In 1834 ontdekte de Franse natuurkundige Jean Peltier dat er warmte wordt getransporteerd van de overgang tussen twee metalen wanneer er een elektrische stroom vloeit door het grensvlak. Het grote voordeel van Peltier elementen is dat er geen bewegende delen of vloeistoffen in zitten, waardoor het onderhoudsarm en stil is. Nadeel is het lage rendement (<10%) van deze materialen. Grootste uitdaging is het vinden van het juiste materiaal: goede elektrische geleiding in combinatie met slechte warmtegeleiding. Slechte warmtegeleiding is noodzakelijk om het temperatuurverschil tussen beide kanten te handhaven. Probleem is dat de meeste materialen die goed elektriciteit geleiden, eveneens goed warmte geleiden. Warmte wordt onder andere doorgegeven door elektronen, elektriciteit ook, dus daar valt niets te winnen. Warmte wordt ook doorgegeven door trillingen (fononen). Deze trillingen probeert men op nanoschaal te dempen. Ontwikkelingen in de nanotechnologie hebben aangetoond dat het mogelijk is om de efficiency van de thermo-elektrische materialen te verbeteren. Hierdoor kan meer elektriciteit worden opgewekt dan voorheen en wordt het Seebeck effect (energy harvesting) interessant. Dit document beschrijft de eigenschappen en toepassingsmogelijkheden van thermo-elektrische materialen. Het document is opgeleverd in het project Innovatief Materialen Platform Twente (IMPT). In dit project heeft het IMPT 75 innovatieve materialen in kaart gebracht. Met een tiental materialen is toegepast onderzoek gedaan, zodat ondernemers en ontwerpers weten of en hoe zij deze kunnen toepassen.
MULTIFILE
Onze leef- en werkomgeving heeft invloed op onze gezondheid, maar het nauwkeurig bepalen van persoonlijke blootstelling aan verschillende milieufactoren blijft een uitdaging. Toch is dit wel van belang, omdat bijvoorbeeld de blootstelling aan fijnstof, stikstofdioxide en ozon jaarlijks al leidt tot 12.000 vroegtijdige sterfgevallen in Nederland (Gezondheidsraad, 2018). In werkomgevingen zijn er behalve voor de genoemde stoffen ook nog andere vluchtig organische stoffen en chemicalen waarvan de blootstelling op de korte of lange termijn tot negatieve gezondheidseffecten kan leiden. Ook fysische blootstellingen kunnen negatieve gezondheidseffecten hebben, zoals geluid, UV-straling, elektromagnetische velden en trillingen.
Voor de fabricage en assemblage van elektronische onderdelen worden geavanceerde machines gebruikt die een hoge snelheid paren aan een hoge nauwkeurigheid. De hierbij optredende positioneerfouten worden mede veroorzaakt door trillingen. Demping is nodig om de gewenste nauwkeurigheid te halen. Veelgebruikte dempingsmethoden werken niet voor deze gevoelige assemblagesystemen: een viskeuze demper kan op gevoelige elektronica lekken en Coulombse wrijving vertoont onvoorspelbaar dynamisch gedrag. Een innovatieve oplossing lijkt gevonden in het slim toepassen van 3D metaalprinten: een technologie die in de Brainport regio sterk in opkomst is. Onderdelen uit trillingsgevoelige assemblagemachines zouden met 3D printen gemaakt en van “interne demping” voorzien kunnen worden. In het inwendige van het geprinte metalen onderdeel worden hierbij kleine structuren verwerkt die de trillingsenergie absorberen. Het Centre of Expertise HTSM van Fontys onderzoekt reeds enkele jaren 3D metaalprinten in nauwe samenwerking met machinebouwers. Interne demping wordt tot nu toe nog niet toegepast en kan een significant concurrentievoordeel voor de toeleverketens en OEMers in de regio bieden. Voor het succesvol ontwikkelen van deze nieuwe technologie is 3D printkennis, machinebouwkennis en expertise op gebied van machinedynamica noodzakelijk. In de Brainport regio en het consortium in het bijzonder is deze kennis verenigd. De belofte van hogere productiesnelheden maakt het bestaande netwerk van expertise en productieketens sterker en aantrekkelijker. De technische uitdaging schuilt in het samenspel van metaalpoeder en de laserstraal die dit poeder smelt. Kleine insluitsels van poeder of microscopische structuren moeten trillingen tegengaan zonder de andere gewenste eigenschappen van onderdelen te beïnvloeden. Dit project gaat gestructureerd te werk, van onderzoek naar metaalpoeders en mogelijke microstructuren naar proefopstellingen voor daadwerkelijke machineonderdelen. Eindresultaat is een nieuwe productiemethode vastgelegd in ontwerprichtlijnen waarmee o.a. halfgeleiderassemblage een significante prestatieverbetering kan gaan realiseren.
Bouwwerkzaamheden veroorzaken trillingen in de bodem. Niet zelden leiden die trillingen tot schade aan gebouwen in de buurt van de bouwplaats. Met de toenemende mechanisatie in de bouw, en het bouwen in dichtbebouwde gebieden, zijn trillingen een actueel onderwerp dat structureel aandacht krijgt bij de acquisitie van bouwprojecten; bouwondernemingen moeten aantonen dat de werkzaamheden niet tot onacceptabele overlast of schade leiden. Er is meer inzicht in trillingen nodig, hoe ze veroorzaakt worden, hoe ze doorgegeven worden, en in welke mate ze andere objecten bereiken. In dit projectvoorstel worden trillingen op een vernieuwende wijze gemeten en geanalyseerd. Dit gebeurt met relatief goedkope sensoren, waarin versnellingsopnemers uit smartphones toegepast worden. Hiermee wordt een fijnmazig netwerk van draadloos communicerende sensorssystemen gerealiseerd dat de trillingsbelasting op en rond bouwplaatsen in kaart brengt. In dit systeem worden trillingen met artificial intelligence geanalyseerd waardoor exact duidelijk wordt hoe verschillende trillingsbronnen doorwerken naar de verschillende gebouwen rond de bouwplaats. Dit is mogelijk omdat het systeem de “signatuur” van de trillingen herkent. Zo introduceert het heien van heipalen ander soort trillingen in de bodem dan het verdichten van grond met trilplaten, of vol beladen vrachtwagens die langs denderen. Het systeem is in staat om over een groot spectrum naar trillingen te “luisteren” en vervolgens uit al die trillingen te destilleren welke bronnen het meest bijgedragen hebben aan de trillingsbelasting van bestaande bouwwerken. De informatie die gemeten is wordt elk uur draadloos doorgestuurd naar een centrale meldkamer waar de veiligheid van bestaande gebouwen bewaakt wordt. Als de trillingen te sterk worden kan direct actie ondernomen worden om eventuele schade te beperken.
Dit project richt zich op de doorontwikkeling en toepassing van Motion Magnification, een AI-technologie die subtiele trillingen in videobeelden versterkt en analyseert zonder de noodzaak van fysieke sensoren. In de academische literatuur wordt Motion Magnification beschouwd als een lens waardoor we een wereld van trillingen kunnen zien die normaal onzichtbaar zijn met het blote oog. Deze veelbelovende technologie bestrijkt een breed spectrum aan toepassingsmogelijkheden, van de industriële sector tot de gezondheidszorg. Op basis van de vraagarticulatie van de partners van het L.INT lectoraat Industriële Digital Twins en het Maintenance Lab, richten wij ons in dit project tot het toepassen van de technologie binnen de onderhoudsindustrie en maakindustrie. Het project wordt uitgevoerd in samenwerking met industriële partners zoals Holland Mechanics, Tempress Systems en IJskoud, die geconfronteerd worden met uitdagingen op het gebied van productieoptimalisatie en operationele efficiëntie. Het project zet zich in om deze systemen te verbeteren en efficiënter te maken door het inzetten van innovatieve technologieën zoals Motion Magnification. Het doel is het verminderen van productiviteitsverlies, kosten en technische storingen door geavanceerde analyses van trillingen en bewegingen te faciliteren. De kern van het project bestaat uit het verbeteren van de analysecapaciteiten van Motion Magnification. Dit doen we door middel van visuele en AI-gestuurde tools, die sneller en nauwkeuriger inzicht bieden in de conditie van industriële systemen. Zo dragen we bij aan de verdere digitalisering en optimalisatie van productie- en onderhoudsprocessen. Het project levert verschillende uitkomsten op, waaronder een omschrijving van de eisen en specificaties voor het platform en de hardwareconfiguratie, gevolgd door de ontwikkeling en optimalisatie van het platform, hardware-integratie, en dataverwerkingspipeline. Daarna wordt de technologie gevalideerd in een industriële omgeving met bijbehorende feedback. Het eindproduct wordt geïntegreerd met een geoptimaliseerde Maintenance Management oplossing. De bevindingen worden samengevat in een eindrapport met aanbevelingen voor de industrie en vervolgonderzoek.
