3D printen: Grijp je kansen! Sjef van Gastel, Lectoraat Innovatieve Productietechnologie, Fontys Hogeschool Engineering
1
Vergelijking subtractieve met additieve productietechnologie
Additief (3D printen)
Subtractief (Conventioneel bewerken)
Materiaal eigenschappen gegarandeerd Meerdere processtappen Beperkte vormgevingsvrijheid Slechtere “buy-to-fly” verhouding Hoogste kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit)
Materiaal eigenschappen zijn resultaat van zowel uitgangsmateriaal als van 3D printproces Beperkt (geringer) aantal processtappen (Bijna) onbeperkte vormgevingsvrijheid (Nog) Beperkte kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit)
2
Complexiteit
Levertijd
Kostprijs per stuk
Kostprijs per stuk
Vergelijking conventionele productietechnologie met 3D printen
Seriegrootte
Complexiteit
Conventionele productietechnologie 3D Printen 3
Status 3D printen (AM) voor machinebouw • Veelbelovende nieuwe productietechnologie – Verkorting time-to-market – Zeer grote vormgevingsvrijheid – Potentieel voor lagere productiekosten
• Grote mate van onbekendheid bij het bedrijfsleven – Aarzeling om AM technologie toe te gaan passen (‘onbekend maakt onbemind’) – AM technologie is nog volop in ontwikkeling (‘wanneer instappen?’) – Eerste toepassingen voornamelijk van FDM technologie (prototypes) – De meeste constructeurs zijn (nog) niet bekend met de mogelijkheden en beperkingen van
3D printen 4
De uitdaging…..
5
Onderscheidende eigenschappen van additive manufacturing •
Maatwerk onderdelen –
•
•
•
Vormgevingsvrijheid (‘Freeform parts’) –
Gekromde gaten en kanalen in onderdelen
–
Rasterpatronen
–
Vrij gekromde oppervlakken
Massareductie & stijfheidsoptimalisatie –
Materiaal alleen daar aanbrengen waar noodzakelijk (topologie optimalisatie)
–
Sprieten en rasters
–
Variabele materiaaldichtheid
Integratie van functies –
•
Voorbeelden: Medische toepassingen, ‘reverse engineering’ onderdelen (reserve onderdelen)
Elastische scharnieren / manipulatie-elementen / intelligente structuren
Specifieke materiaaleigenschappen –
Voorbeeld: Anti reflecterend (mat) oppervlak voor optieken
–
Voorbeeld: Porositeit van gesinterde (SLS) onderdelen 6
Topologie optimalisatie in ontwerpproces
Topologie optimalisatie: “Materiaal alleen daar plaatsen waar het waarde toevoegt” 7
Topologie optimalisatie: voorbeeld (1)
Case 1
Uitgangssituatie: ophangoog met krachtvector
Resultaat topologie optimalisatie (FEMAP): 50% massa reductie bij gelijkblijvende sterkte
Case 2
Uitgangssituatie: lagerblok
Na topologie optimalisatie
Na herontwerp en printen
Uitgevoerd door Fontys student in kader van stage “Additive Manufacturing” (voorjaar 2015) 8
Topologie optimalisatie: voorbeeld (2)
Assembléon Hybrid3 pick & place machine
TPR robot
18 micron @ 10.000 uph per robot
Herontwerp Assembléon TPR robot: • Lichtere & stijvere slede • Luchtlagers Doel: 7 micron @ 10.000 uph
9
Topologie optimalisatie: voorbeeld (2)
1. Assembléon (origineel: gelast uit plaatstaal)
2. Inspire model (topologie optimalisatie)
3. Iteratie 1 (herontwerp)
4. Iteratie 2 (verdere T.O. en herontwerp)
Uitgevoerd door Fontys studenten in kader van minor “Additive Manufacturing” (voorjaar 2015) 10
Voorbeeld AM toepassingen: Implantaten
Kom voor heup implantaat ( ARCAM, SE)
•
Kaakimplantaat ( BIOMED, NL)
Schedelimplantaat ( Materialise, BE)
Gepersonaliseerde implantaten – – –
Op maat gemaakt: Optimale pasvorm binnen het lichaam Betere aanhechting Betere acceptatie (minder afstotingsverschijnselen)
11
Voorbeeld AM toepassingen: Machineonderdelen
Brandstof nozzle (GE, USA) • • • • •
Warmte dissiperende oppervlakken (Delphi, USA)
Reserveonderdelen klassieke auto (Metric Wrench, USA)
Integreren van functies van meerdere onderdelen in één onderdeel Gewichtsbesparing Optimaliseren van structuren (topologie optimalisatie) Gekromde gaten / kanalen Kostenreductie (integraal) 12
“KILLER APPLICATION” Identificatie (workshop)
13
Additive Manufacturing: “Killer Applications” • Toepassen van de mogelijkheden van AM om competitieve voordelen te bereiken die op basis van conventionele bewerkingstechnologie niet haalbaar zouden zijn.
Voorbeeld: X-ray collimator uit Wolfram (Smit, Best , NL) 14
Vragen (eerste ronde): Inventariseren 1.
Wat zijn de onderscheidende karakteristieken van de producten van uw bedrijf t.o.v. uw concurrenten (‘competitive edge’)?
2.
3.
Hoe realiseert u dit onderscheid? a.
Typische productkenmerken die het onderscheid bepalen?
b.
Welke (onder)delen van uw product(en) zijn bepalend hiervoor?
Zijn er typische kenmerken van AM (kortere TTM, customizing, vormgevingsvrijheid, massareductie, integratie van functies) die uw onderscheidend vermogen zouden kunnen versterken?
4.
Zo ja: welke (onder)delen komen hiervoor in aanmerking?
15
Vragen (tweede ronde): Kiezen 1. Kunt u de potentiële voordelen van de geïdentificeerde (onder)delen nader kwantificeren (bij voorbeeld: mogelijke kostenbesparing, doorlooptijdverkorting, prestatieverbetering)? 2. Ranking van de gevonden mogelijkheden, waarbij een afweging gemaakt wordt van inspanningen / risico’s versus de potentiële opbrengsten? 3. Keuze meest veelbelovende toepassing voor AM 4. Hoe hiermee verder?
16
Voorbeeld: Manifold voor wafer stepper Massareductie van 50%
Geoptimaliseerde vloeistoffenstroom Reductie van stoorkrachten op wafer stage (factor 10) Kostprijsreductie Maximale stijfheid door topologie optimalisatie
Bron: ASML (NL) 17
Voorbeeld: Stage Minder materiaalverbruik (factor 19)
Doel: Materiaal efficiëntie en massareductie
Kostprijsreductie (factor 7) Beperkte nabewerking Geen kans op montagefouten
BUY-TO-FLY-RATIO: 27:1 Startmateriaal: 5535gr. Eindproduct: 205gr.
BUY-TO-FLY-RATIO: 1,4:1 Startmateriaal: 133gr. Eindproduct: 113gr.
Bron: Melotte (BE) 18
Voorbeeld: statische mixer
Volledige ontwerpvrijheid Kleinst mogelijke opbouw Geen nabewerking noodzakelijk Uitbreiding mogelijk
Bron: Melotte (BE) 19
Voor meer informatie:
• Ir. Sjef van Gastel • Fontys Hogeschool Engineering • Rachelsmolen 1 • Eindhoven (NL) • Mail:
[email protected]
20
