Identificeren van “Killer Applicaties”voor Additive Manufacturing Sjef van Gastel, Lectoraat Innovatieve Productietechnologie, Fontys Hogeschool Engineering
1
Inleiding: Fontys Hogescholen en Objexlab
2
Fontys Hogescholen Ca. 30 instituten Ca. 45000 studenten Ca. 4300 medewerkers
3
Fontys Hogeschool Engineering Fontys Hogeschool Engineering Mechanical Engineering (≈ 700 students)
Mechatronics (≈ 400 students)
Electrical Engineering (≈ 500 students)
4
Leerlijnen curriculum
5
Laboratoria Objexlab (3D printen)
Fuel Cell Lab
Mechatronics | Robotics
Materialen Lab
Energie & Proces Lab
Sustainability Lab
Productietech. Lab
Meet- en Regel Lab
6
Founding Partners
7
Objexlab Business Model EDUCATION: • Bachelors, Minors • Courses • Workshops • Training • VO, MBO, HBO, HBO+
PROJECTS: • Prototyping • Design & Engineering • Low Volume production • SME, OEM, PARTNERS
Internships, Graduation, Promotion, Entrepreneurship
Teachers Professors Students Trainees Companies
APPLIED RESEARCH: • Design Rules, Guidelines • Thermal Engineering • Test & Analysis • Parameter Research • Product Properties • Material Properties • SME, OEM and P in E
DEMO CENTER: • Promotion • Facility Sharing • Demo machines/processes • INDUSTRY 8
PROJECTEN
Rapid Prototyping, Ontwerp en Engineering
9
Toegepast onderzoek
Field Lab 3DMM
3D Project ASML KSC
Mold Printing (hybrid)
Redesign cooling water distributor 10
Onze faciliteiten
Scanner Cubify Sense
Form 1 SLA
Ultimaker 2 FDM (bay) 5 x Makerbot Replicator 2X FDM
Dimension FDM
Prusa FDM
Fortus 400 FDM
Object Polyjet
Uprint FDM
SolutionX Rexscan
Concept Laser M3 SLM
11
SOFTWARE
Benchmark Research
12
Seminars - Conferenties • • • • • • • • • • • • • 8 October 2015
ABNAMRO World Tennis Tournament Rapid Pro 2015 Hannover Messe 2015 RTL Z Masterclass Symposium 3D printing and Logistics 3D printing materials conference 3D printing design and engineering Symposium Gemeente Helmond Wonderlab Mikrocentrum OST Gezonde Toekomst Rotary Club Weert Ewals Cargo Care Fontys Objexlab | RAbdoel
• • • • • • • • • • • • •
DDW/DTW Spark Tech Lab Precisiebeurs Fontys Science Event High Tech Event ING Bank Rabobank Metaalhuis ESA ESTEC Vanguard Initiative EU Additive World University 3Dprint EU (Windesheim) 3D PrintEvent Teqnow 13
Publicaties / artikelen
14
Samenwerking (Raad van advies)
15
Cursusmodules Additive Manufacturing (1/2) 1. Inleiding Additive Manufacturing (AM) 2. Onderzoek vaardigheden 3. Topologie optimalisatie (incl. toepassing van Altair Inspire en Femap) 4. Ontwerpregels voor AM 5. Procestechnologie FDM en SLM printproces 6. Reverse Engineering 7. Materiaalkundige aspecten van AM 8. Onderzoek en testen van geprinte onderdelen 9. Productietechnologie van AM 10. Identificeren van AM “Killer Applications” 16
Cursusmodules Additive Manufacturing (1/2) 11. Projectmanagement en workflowmanagement voor AM 12. Economische aspecten van AM 13. Vergelijking conventionele productietechnologie met AM a.
Vergelijking materiaaleigenschappen
b.
Vergelijking kostprijs en doorlooptijd
c.
Mogelijkheden voor post-processing bij AM
d.
Hybride technologie (o.a. reparatie van defecte machineonderdelen met AM)
14. Overzicht van AM technologieën en machines a.
Aanschafcriteria
b.
Kwalitatief en kwantitatief vergelijkingsoverzicht
15. Productievoorbereiding en slicing (o.a. gebruik van “Magics”) 16. Toekomst van AM (mede in relatie met “Industry 4.0”) 17
Identificatie van
voor additive manufacturing 18
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)
19
Complexiteit
Levertijd
Kostprijs per stuk
Kostprijs per stuk
Vergelijking conventionele productietechnologie met 3D printen
Seriegrootte
Complexiteit
Conventionele productietechnologie 3D Printen 20
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 21
De uitdaging…..
22
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 23
Topologie optimalisatie in ontwerpproces
Topologie optimalisatie: “Materiaal alleen daar plaatsen waar het waarde toevoegt” 24
Topologie optimalisatie: Stap 1
Bron: EADS (DE)
ontwerpruimte en randvoorwaarden vaststellen 25
Topologie optimalisatie: Stap 2
Bron: EADS (DE)
Optimaliseren van sterkte en (eventueel) stijfheid 26
Topologie optimalisatie: Stap 3 Optimaliseren voor Additive Manufacturing Minimaliseer benodigd support Optimale print oriëntatie ‒ Minimaal support ‒ Minimale printtijd Opspanmogelijkheden voor nabewerking Bron: EADS (DE)
Optimaliseren voor maakbaarheid 27
Topologie optimalisatie: resultaat
Bron: EADS (DE)
28
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) 29
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
30
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)
31
Topologie optimalisatie: voorbeeld (3) Oorspronkelijk ontwerp (gefreesd): “Cargo door actuator beam” (Airbus A350)
Geoptimaliseerd ontwerp voor verspanen
Topologie optimalisatie van oorspronkelijk ontwerp
Geoptimaliseerd ontwerp voor gieten
Geoptimaliseerd ontwerp voor 3D printen
Bron: Airbus (DE) 32
Topologie optimalisatie: GE Bracket design contest Top 10 solutions
Winning design “You need almost an artistic approach to design, the ability to model and analyze structures, and also the knowledge to pick the right materials and the correct manufacturing equipment. There is a lot that goes into the mix, and collaboration is the perfect tool for finding the best solution.” (Michael Idelchik, Director Advanced Technologies Research at GE)
33
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)
34
Voorbeeld AM toepassingen: Machineonderdelen
Brandstof nozzle (GE, USA) • • • • •
Warmte dissiperende oppervlakken (Delphi, USA) Integreren van functies van meerdere onderdelen in één onderdeel Gewichtsbesparing Optimaliseren van structuren (topologie optimalisatie) Gekromde gaten / kanalen Kostenreductie (integraal)
Reserveonderdelen klassieke auto (Metric Wrench, USA)
35
“KILLER APPLICATION” Identificatie (workshop)
36
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) 37
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?
38
Gazelle: Competitive Edge
39
Gazelle: Damesfiets
40
Gazelle: Damesfiets
1. Zijn er typische kenmerken van AM (kortere TTM, customizing, vormgevingsvrijheid, massareductie, integratie van functies) die het onderscheidend vermogen (licht fietsen, slim design, robuuste kwaliteit) zouden kunnen versterken? 2. Zo ja: welke (onder)delen komen hiervoor in aanmerking?
41
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?
42
Voorbeeld: Empire MX6-EVO ATB SLM printed parts (Ti)
43
Herontwerp zadelpen voor AM Bouwplaat SLM printer
Herontwerp frame: 2.1 kg 1.4 kg (-33%)
44
Voorbeeld: MAPAL metaalboren
Onderscheidende karakteristieken MAPAL “QTD” boren: •
Hogere productiviteit (spaanafname) ‒ Betere koeling (geïntegreerde koelspiralen) ‒ Geoptimaliseerde spaanafvoer ‒ Grotere koelmiddelflow (+30%)
•
Hogere beschikbaarheid (sneller wisselen) ‒ Compactere voet (snelspaninrichting) ‒ Lagere massatraagheid
•
Langere levensduur ‒ Betere koeling 45
Voorbeeld: MAPAL “QTD” metaalboren
Compacte 3D geprinte booropname met geïntegreerde koelkanalen
3D printen van “QTD” boren (SLM proces) 46
Voorbeeld: Manifold voor wafer steppers
Bron: ASML (NL) 47
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) 48
Vragen?
49
Meer weten? Neem dan contact met mij op: • Ir. Sjef van Gastel • Fontys Hogeschool Engineering • Rachelsmolen 1 • Eindhoven (NL) • Tel: 06-51244284 • Mail:
[email protected]
50
