Groep H IO2041 Industriële Productie, Specialisatieproject

IO2041 – Industriële Productie, Specialisatieproject Bedrijf: ProtoMetals Proces(sen): Rapid prototyping en verloren was gieten Materiaal: Zinc-aluminum allow, ZA-9, general casting Product: Pen, als relatiegeschenk

Groep H.103.6 Sophie Baggerman - 1521551 Nermin Camo – 1515144 Folkert Knol – 1516329 Yannick Maaskant – 1511963 Jitender Pritipalsingh – 1517481 Bob Smit – 1528882 Docent: Ir. Sebastiaan van den Elshout

Inhoudsopgave

1 Inleiding

3

2 ProtoMetals 2.1 Bezoek aan ProtoMetals

4 4

3 Het proces 3.1 Het productieproces stap voor stap 3.2 Mogelijkheden en restricties van het proces 3.3 Productieprincipes van het gieten van metalen 3.4 Productiemethoden 3.4.1 Metaalgieten 3.4.2 Rapid rototyping 3.5 Productiemiddelen 3.6 Productiedriehoek 3.6.1 Functie 3.6.2 Kwaliteit 3.6.3 Kosten

5 5 9 10 12 12 13 16 17 17 18 19

4 Aanvullende processen

21

5 Het ontwerp 5.1 Krimp 5.2 Kosten

23 27 28

6 Ontwerpregels

33

7 Bronnen

34

2

1 Inleiding Het vak Industriële Productie is een vak aan de Technische Universiteit in Delft. Het is een vak waarin wordt gekeken naar verscheidene productietechnieken in verschillende standpunten. Zo wordt de technische kant belicht, maar ook de ontwerpende kant. Zo leert men de voorwaardes van productietechnieken mee te nemen in het ontwerp van een product. Een vak waar een student veel zal hebben tijdens zijn of haar carrière. Een van de onderdelen van het vak is het ‘’Specialisatieproject’’. Hierin wordt een groep studenten gevraagd om een productietechniek nader te onderzoeken. Met de kennis die dan wordt opgedaan wordt een product ontwerpen. Het is aan de studenten de keuze wat voor product zij gaan ontwerpen. In ons geval hebben wij een relatiegeschenk ontworpen voor ProtoMetals zelf. We willen hiermee een geschenk creëren voor de klanten van ProtoMetals. Een geschenk dat snel laat zien hoever ProtoMetals kan gaan in zijn productietechniek. Daarmee is het gelijk ook een uitdaging voor ons om de juiste afweging te maken van allerlei keuzes, wat weer invloed heeft op de kosten bijvoorbeeld. We hopen een helder en informatief beeld te geven van wat het productieproces behelst en in bijzonder wat het bedrijf ProtoMetals mogelijk is. Voor de opgedane kennis en de brijdrage van ProtoMetals willen wij graag onze dank betuigen.

3

2 ProtoMetals ProtoMetals, te Zwijndrecht, is een bedrijf gespecialiseerd in het maken van prototypes in non-ferro metaal. Het bedrijf is opgericht in 2003 door Ron Klauss met het idee om kleine, vooral bronzen, kunststukken te gieten. Het bedrijf is een eenmanszaak en zeer compact. Alle machines staan dicht op elkaar en alles wordt zelf gedaan door de eigenaar. Sinds 2006 heeft ProtoMetals nieuwe technieken toegevoegd aan zijn repertoire. Zo kunnen ze tegenwoordig zelfs computermodellen (CAD) uitwerken tot volmaakte kunststof concepten met behulp van een 3D-printer. Het bedrijf kent vele mogelijkheden, niet alleen voor de industrie, maar ook voor kunstenaars en designers. Voor de industrie maakt het bedrijf werkende demonstratiemodellen, zoals complexe koellichamen. Hierbij is het van belang dat het prototype van het uiteindelijke materiaal wordt gemaakt als het (eind)product, meestal is dit aluminium of zamak. Ook in de designwereld speelt ProtoMetals een grote rol. Welvingen, rondingen, ondersnijdingen, strakke lijnen en vrije vormen komen in een keer tot leven. ProtoMetals is zeer flexibel hierin, aanpassingen in het ontwerp kunnen makkelijk worden gemaakt. Nog enkele voorbeelden van producten die gemaakt worden door ProtoMetals: behuizingen (voor bijvoorbeeld verlichting), kunstwerken, onderdelen voor de auto-industrie en complexe technische onderdelen zoals sloten.

2.1 Bezoek aan ProtoMetals Voor dit specialisatieproject was er de mogelijkheid om het bedrijf te bezoeken en daar meer kennis op te doen over het bedrijf, het productieproces en de mogelijkheden voor ons ontwerp. Op 14 december 2010 bezochten wij eenmanszaak ProtoMetals in Zwijndrecht. Na een warm onthaal door Ron Klauss en zijn vrouw, de oprichters, gaf de heer Klauss een introductiepresentatie over hoe ProtoMetals is ontstaan en hoe het nu functioneert, met de bijbehorende uitleg over het productieproces. Vervolgens presenteerden wij, net als de andere aanwezige groepen, wat voor product wij wilden maken m.b.v. de technieken die ProtoMetals ter beschikking heeft. Ons ontwerp werd enthousiast aangenomen en we kregen genoeg tips voor verbeteringen. Zo was het handig om niet te veel losse delen in het ontwerp te maken, doordat het ontwerp dan instabiel kon worden en moeilijker te fabriceren. Ook moest er rekening gehouden worden met dunne wanden die dicht bij elkaar geplaatst werden, doordat er anders gemakkelijk braamvorming en spanningen rond die gebieden kon vormen. De heer Klauss vond het ontwerp, een penbehuizing met een complex schuifmechanisme, wel een leuk idee en mogelijk produceerbaar mits er rekening werd gehouden met de ontwerpregels. Aansluitend werd er een rondleiding gegeven met uitleg over het productieproces in de volgorde van alle opeenvolgende stappen die tijdens het proces worden genomen. Hier werd er uitgelegd over de benodigde apparaten en bewerkingen. Wegens een te grote aanwezige groep, konden de processen helaas niet worden gedemonstreerd. 4

3 Het proces 3.1 Het productieproces stap voor stap Bij ProtoMetals kan een gietstuk op twee manieren vervaardigd worden. Bij de eerste manier is het uitgangspunt een CAD-model, bij de tweede manier is het uitgangspunt een tastbaar model van bijvoorbeeld hout of klei. Schematisch gezien kunnen deze twee methoden als volgt worden weergegeven:

Figuur 3-1: Het proces bij ProtoMetals

Siliconenmal Bij de eerste methode is het uitgangspunt een fysiek model van bijvoorbeeld klei of hout. Vaak zijn dit kunstvoorwerpen, die uiteindelijk in metaal gegoten moeten worden. Eerst wordt er van het model een siliconenmal gemaakt. Hiertoe wordt vloeibare silicone over het model gegoten, en wacht men tot het uitgehard is. Hierna wordt de mal zo opengesneden dat hij na het verwijderen van het originele model altijd passend sluit. Door de mal op meerdere dimensies open te snijden, en door de buigzaamheid van de silicone kunnen voorwerpen die op het eerste gezicht niet lossend zijn toch gegoten worden. Mocht een voorwerp dan nog niet lossend zijn, dan kunnen er aparte modellen van losse onderdelen gemaakt worden, die na het wasgieten aan elkaar gesoldeerd worden. Voor een afbeelding van een siliconenmal zie Figuur 3-2.

Figuur 3-2: Siliconenmal

5

Wasmodel Nu de siliconenmal gereed is, wordt er een wasmodel in gegoten. Om de was in de siliconenmal te kunnen gieten wordt er een aanvoerkanaal in geboord, waarna de hete was met een trechter in de mal wordt gegoten. Er bestaan verschillende soorten was, variërend in hardheid. Met de hardste wassoort kunnen de scherpste hoeken gegoten worden.

Figuur 3-3: Wasmodel

Wasboom Als de was gestold is wordt het model uit de siliconenmal verwijderd en wordt er een zogenaamde wasboom gemaakt. Hiervoor wordt een aantal wasmodellen aan elkaar gesmolten, verbonden door staafjes was. Door het maken van een wasboom kunnen meerdere modellen tegelijk gegoten worden, wat zowel tijd als materiaal scheelt en dus kostenbesparend is. Bij het maken van de wasboom moet rekening gehouden worden met de richting waarin verderop in het proces het metaal gegoten wordt, zodat alle holtes gevuld kunnen.

Figuur 3-4: Wasboom

Figuur 3-5: Wasboom

Gipsmal De wasboom wordt nu in een daarvoor bestemde cuvet geplaatst. Deze cuvet is van staal en is geperforeerd, zodat bij het harden van het gips de waterdamp gemakkelijk de cuvet kan verlaten. De 6

cuvet wordt dichtgetaped en het gipsmengsel wordt er in gegoten. Hierna wordt de cuvet in een vacuumkast geplaatst, waardoor luchtbellen uit het gips worden onttrokken en er een homogene massa ontstaat.

Figuur 3-6: Cuvet met wasboom

Vervolgens wordt het plastic verwijderd en wordt de korf in een oven geplaatst. Eerst wordt de mal op lage temperatuur (120 graden Celsius) gebakken om de was er uit te smelten. Hierna wordt het gips uitgehard door het op hoge temperatuur (1000 graden Celsius) te verhitten, om thermische schok bij het gieten te voorkomen. Hierbij worden ook eventuele achtergebleven wasresten verbrand. Metalen gietstuk Als de gipsen mal compleet uitgehard is, kan begonnen worden aan de laatste stap in het gietproces. Het metaal wordt gesmolten en de gipsmal wordt vacuüm afgegoten. Na complete afkoeling van het metaal, wordt de gipsen mal weggebroken. Achtergebleven gipsresten worden verwijderd door middel van stralen.

Figuur 3-7: Gipsmal met heet metaal

Figuur 3-8: Afgewerkt gietstuk

Nu is er een metalen afgietsel van de wasboom overgebleven. De verschillende onderdelen worden van de boom afgeslepen en nabewerkt, met als resultaat een zeer nauwkeurig prototype (zie Figuur 3-8). Over het nabewerken wordt later meer geschreven in hoofdstuk 4 ‘Ondersteunende processen’.

3D-print Zoals reeds eerder geschreven is er nog een manier om tot een gietvorm te komen. Nu wordt er geen tastbaar model als uitgangspunt genomen, maar wordt er een CAD-model aangeleverd. Een CAD7

model is een digitaal 3D model, ontworpen in een hiervoor bestemd computerprogramma zoals bijvoorbeeld SolidWorks of AutoCAD. Dit CAD-model wordt ingevoerd in een 3D-printer. ProtoMetals is in het bezit van een Invision SI2 printer. Meer informatie over dit apparaat volgt verderop in dit hoofdstuk. Het CAD-bestand wordt geladen op de computer die is aangesloten op de printer. De printer creëert nu een model van kunststof waarbij zwevende delen opgebouwd worden op een was die gemakkelijk te verwijderen is. De kunststof waaruit het model wordt geprint is UV Curable Acrylic Plastic, wat goed wegbrandt in de gipsmal. Na het printen wordt een aantal 3D-modellen aan een wasboom gesoldeert, net als bij de wasmodellen die van een fysiek model worden gemaakt. Hierna is het productieproces gelijk aan het vorige (zie Figuur 3-1).

Figuur 3-9: Invision SI

2

Figuur 3-10: 3Dprints

8

3.2 Mogelijkheden en restricties van het proces Gipsen mal Verloren was gieten met gebruik van gipsmallen heeft verschillende mogelijkheden en restricties. Voordelen van het gebruik van gips zijn ten eerste de snelheid van het proces, het is namelijk mogelijk om binnen 24 uur een metalen gietstuk klaar te hebben. Dit komt voornamelijk omdat het maken van de mal aanzienlijk minder tijd inneemt dan bij bijvoorbeeld coquillegieten, waarbij eerst een metalen matrijs vervaardigd moet worden. Daarnaast zijn zeer complexe en dunwandige modellen te maken, omdat de mal zeer gedetailleerd is en eigenlijk een exacte kopie van het origineel. De minimale wanddikte is hierbij 0,5 mm. Ook is het erg makkelijk om gips te verwijderen van de gietstukken. Tot slot is een groot voordeel dat modellen niet lossend hoeven te zijn. Nadelen van het gebruik van gips zijn het langzame afkoelen, waardoor de stabiliteit van de modellen niet altijd optimaal is, en de grote hoeveelheid gipsrestant die overblijft bij het gieten van grotere stukken. Ook is het niet voordelig om grote series te maken met gips, omdat voor elk model een nieuwe mal gemaakt moet worden. Verloren was gieten met gips is wel zeer geschikt voor het vervaardigen van prototypes. 3D-printen versus verloren was gieten Zowel het gieten met behulp van een 3D-print als met een gegoten wasmodel heeft voor- en nadelen. Zie Tabel 3- 1: Tabel 3-1: Voor- en nadelen van 3D-printen en verloren was gieten

3D-print

Wasmodel

Voordelen Snel- minder productiestappen Accuraat Complete vormvrijheid

Goedkoop Smelt gemakkelijk weg uit de gipsmal Scherpe hoeken zijn mogelijk

Nadelen Support materiaal is zeer duur Grote onderdelen zijn duur Restmateriaal is niet herbruikbaar Dikke onderdelen zorgen voor problemen met uitbranden Scherpe hoeken vertonen scheuren Tijdrovend Minder accuraat

9

3.3 Productieprincipes van het gieten van metalen Dit principe is gebaseerd op het smelten en weer stollen van metalen. Hierbij komen een aantal verschijnselen voor waarvan het belangrijk is om ze te begrijpen, om er rekening mee te kunnen houden in het ontwerp. Stromen Het vullen van de mal gebeurt met een bepaalde gietsnelheid. Natuurlijk is het economisch gezien het voordeligst om met een hoge gietsnelheid te gieten, omdat dit tijd bespaart in het productieproces. Als echter een te hoge gietsnelheid wordt gebruikt, onstaat een ongelijkmatige stroming van het metaal, turbulentie genoemd. Turbulente stroming vergroot het oppervlak van het metaal, waardoor oxidatie en het insluiten van luchtbellen worden veroorzaakt. Bij een lagere gietsnelheid gedraagt de stroom zich laminair, wat inhoud dat de lagen in de vloeistof, in dit geval het gesmolten metaal, zich parallel bewegen. Het is dus kunst om de goede gietsnelheid te vinden, waarbij de stroomsnelheid maximaal is zonder turbulentie te veroorzaken. Het punt waarop de stroming omslaat van laminair naar turbulent is te berekenen aan de hand van het getal van Reynolds:

Waarin de stroomsnelheid in m/s is, de karakteristieke lengte in m, de dichtheid in kg/m3 en de viscositeit in m∙s/kg. De karakteristieke lengte is afhankelijk van de geometrie van de buis. Bij een laag getal van Reynolds is de stroming laminair, bij een hoger getal turbulent. De precieze waarden verschillen per situatie. Niet alleen de stroomsnelheid heeft invloed op de turbulentie. Ook scherpe hoeken en richtingsveranderingen in het gietsysteem veroorzaken turbulentie. Het is dus van belang om een zo gestroomlijnd mogelijk systeem te ontwerpen. Stollen Het stollen van het metaal in de mal gebeurt geleidelijk. Zo zullen kleine holtes het eerst stollen, waarbij ze materiaal onttrekken aan grotere holtes. Om te voorkomen dat hierdoor een tekort aan materiaal ontstaat worden opkomers in het gietsysteem geplaatst. Opkomers zijn extra hoeveelheden materiaal (zie Figuur 3-11).

Figuur 3-11: Opkomers

De tijd die het materiaal nodig heeft om te stollen is te berekenen met de regel van Chvorinov:

Hierin staat voor de tijd in s, voor de Chvorinovconstante, voor het volume in cm3 en voor het oppervlak in cm2. De Chvorinovconstante is afhankelijk van het metaal. De uitkomst geeft een benadering van de stoltijd.

10

Bij het smelten zet het materiaal altijd in een bepaalde mate uit (uitzonderingen zoals bepaalde soorten gietijzer daargelaten). Dit wordt veroorzaakt doordat de moleculen sneller gaan bewegen en zo meer ruimte innemen. Logisch gevolg is dat bij het afkoelen van het metaal een bepaalde volumevermindering optreedt. In de vloeibare fase noemt men dit verschijnsel slink, in de vaste fase krimp (zie Figuur 3-12). In een gietstuk moet altijd rekening worden gehouden met een bepaalde mate van volumevermindering na het stollen. Om de precieze hoeveelheid volumeverandering vast te stellen gebruiken we de kubieke uitzettingscoëfficient: Figuur 3-12: Fasen van volumevermindering

In deze formule is de totale volumeverandering in cm3, het beginvolume in cm3, uitzettingscoëfficient in K-1 en de totale temperatuursverandering in K. De kubieke uitzettingscoëfficient is afhankelijk van het materiaal en kan opgezocht worden.

de kubieke

11

3.4 Productiemethoden 3.4.1 Metaalgieten Zandgieten Om door middel van zandgieten een gietstuk te maken is een afdruk van het uiteindelijke product in een matrijs nodig. De matrijzen zijn van gehard zand, meestal een mengsel uit kwartszand, klei en water. Het product moet lossend zijn zodat de matrijs meerder malen te gebruiken is. De afdruk die in het zand komt wordt meestal gemaakt van hout. Het proefproduct moet in twee delen zijn. Eerst wordt de ene kant in een ruimte gelegd die gevuld wordt met zand. Dan wordt het zand uitgehard en het bovenste laagje eraf geschraapt zodat de matrijs vlak wordt. Dit wordt ook met de ander kant van het proefproduct gedaan. De twee delen van de matrijs worden samengevoegd en er wordt vloeibaar metaal ingegoten. Als dit gestold is dan wordt de matrijs weer gescheiden waardoor het metalen product over blijft. Er zal altijd een kleine ruimte tussen de twee matrijsdelen blijven waardoor er een vlies aan Figuur 3-13: Zandgieten het product blijft zitten. Het voordeel van dit proces is dat er meerdere modellen met één matrijs gemaakt kunnen worden. Een nadeel van dit proces is dat er veel nabewerking nodig is om het metaal glad te krijgen. Tevens moet de seriegrootte relatief groot zijn om de kosten van de matrijs eruit te halen. Tot slot is een groot nadeel dat het product lossend moet zijn. Verloren was gieten Voordat er gegoten kan worden met deze methode moet er een model gemaakt worden van was. Dit gebeurt door middel van (spuit)gieten of met rapid prototyping. Er worden meerdere van deze wasproducten op een wasboom geplakt, dit is een vertakte structuur van gietkanalen. Deze gietboom wordt voorzien van een keramische laag, dit kan gips of klei zijn. Dan wordt de was onder hoge druk weggesmolten en loop deze uit de keramische laag. De keramische buitenvorm wordt op hoge temperatuur uitgebakken. Deze buitenvorm wordt volgegoten met vloeibaar metaal. Als het metaal is afgekoeld wordt de buitenvorm verwijderd en worden de metalen producten van de wasboom afgeslagen of geslepen. Het voordeel van deze methode is dat je meerdere producten op een wasboom kan zetten Figuur 3-14: Verloren was gieten zodat deze in een keer gegoten worden. Een nadeel is als je een grote oplage hebt dat er dan steeds weer opnieuw een wasmodel en een keramische buitenvorm gemaakt moet worden waardoor het proces zeer duur wordt. Verloren schuim gieten Verloren schuim gieten lijkt in grote lijn op verloren was gieten, alleen blijft de positieve vorm in de keramische laag zitten tijdens het gieten. Met een speciale spuitgietmachine worden nauwkeurige polystyrene vormen gemaakt. Door hete stoom worden de polystyreenbolletjes aan elkaar geplakt. Dit wordt aan elkaar gelijmd tot een complexe vorm. Deze verschillende vormen worden op een gietboom geplaatst. De gietboom krijgt een keramische laag en wordt in een bak geplaatst. Zand 12

wordt in de bak gegoten zodat overal zand zit. Op het schuim wordt vloeibaar metaal gegoten zodat het schuim wegsmelt en verdampt. Hierdoor krijgt het metaal dezelfde vorm als het schuim had. Als het metaal gestold is worden de producten van de boom geslagen of geslepen. Voordeel van dit proces is dat het een goedkoop proces is. Het schuim is goedkoop evenals het zand. Nadeel is dat er voor elke boom nieuw piepschuim gemaakt moet worden. Daarom is dit proces niet geschikt voor grote series.

3.4.2 Rapid prototyping

Figuur 3-15: Verloren schuim gieten

In de industrie zijn 5 typen rapid prototyping gangbaar: Stereolithografie (SLA) Stereolithografie is een van de eerste vormen van rapid prototyping. SLA modellen worden opgebouwd uit vloeibare polymeren die hard worden als ze worden blootgesteld aan ultraviolet licht. Het model wordt opgebouwd op een platform dat net onder het oppervlak van de vloeistof zit. Een UV-laser beschijnt de eerste laag, waardoor de vloeistof vast word. Hierna wordt het platform omlaag gebracht, gebruikelijk ongeveer 0,05 tot 0,15 mm, en een borstel brengt een nieuw laagje vloeistof op het vaste deel aan. Dit proces gaat zo door totdat het model klaar is. Het model wordt uit de vloeistof genomen en gereinigd, hierna gaat het in een UV oven waardoor het model volledig uithard. Voordat een SLA model gemaakt kan worden vanuit een CAD model moeten er verstevigingen in het model worden aangebracht. Dit is omdat het model laag voor laag gemaakt wordt en door zwaartekracht om kan vallen. Ook is het omdat de borstel, die het laagje vloeistof aanbrengt, een bepaalde kracht op het model uitoefent. Deze verstevigingen worden of in met de SLA machine gemaakt of zitten al in het CAD model. De verstevigingen worden verwijderd voordat het model Figuur 3-16: Stereolithografie de UV oven ingaat, dit verwijderen gebeurt handmatig. De meeste SLA machines die in de industrie gangbaar zijn hebben een maximaal afmeting van 500x500x600 mm. De modellen die worden gemaakt met SLA kunnen behalve als prototype ook gebruikt worden als mallen voor bijvoorbeeld spuitgieten, dieptrekken of het gieten van metalen. De kosten van de vloeistof variëren van 60 tot 160 euro per liter. De kosten van een industriële SLA machine variëren van 75.000 euro tot 375.000 euro. De marktleider van de machines is 3D Systems uit Valencia. Dit bedrijf maakt en verkoopt de machines sinds het begin van de SLA techniek. Laminated object manufacturing (LOM) Met laminated object manufacturing (LOM) worden lagen van papier, plastic of metaal aan elkaar gelijmd waardoor een product ontstaat. Het materiaal bestaat uit gelamineerd papier met lijm die wordt geactiveerd door hitte en wordt opgerold. Deze rol beweegt zich boven een platform en lijmt de lamineerlaag op het platform. Dan snijdt een laser de gewenste vorm uit. Het platform zakt iets en de folie wordt weer opnieuw Figuur 3-17: Laminated object manufacturing aangebracht. Dit gaat zo door tot het gewenste aantal lagen 13

is bereikt. De ongewenste materialen zorgen voor de ondersteuning, waardoor er geen extra steunpunten nodig zijn. Het model zal een houtachtige textuur hebben. Het model zal moeten worden geseald en worden geschilderd of gevernist zodat er geen vochtschade ontstaat. Het materiaal voor deze techniek is papier, hierdoor is de techniek erg goedkoop. Toch wordt deze techniek nog zelden gebruikt. Dit komt doordat er weinig verschillende materialen gebruikt kunnen worden en de nauwkeurigheid erg laag is. Bij Ford wordt nog geëxperimenteerd met metaal in plaats van papier en ook met verschillende metaalsoorten. Deze lagen worden verbonden door middel van ultrasoon lassen. Dit zou kansen kunnen bieden voor het rechtstreeks vervaardigen van dieptrek matrijzen. Selective laser sintering (SLS) Bij selective laser sintering wordt materiaal door middel van een laser aan elkaar gesinterd. Het sinterpoeder ligt op een platform en een laser, gestuurd met een prisma, laat de juiste vorm aan elkaar smelten. Dit gaat wederom laag per laag, nadat de eerste laag is gesinterd gaat de tafel omlaag en wordt door middel van een borstel nieuw sinterpoeder op de laag aangebracht. Dit gebeurd totdat het model af is. Het niet gesinterde poeder zorgt voor de ondersteuning van fragiele delen. De overbodige materialen worden verwijderd en het model wordt verder afgewerkt. Een groot voordeel van SLS is dat er veel verschillende materialen kunnen worden gebruikt. Dit variëert van kunststoffen (nylon, PS) tot metalen (staal, titaan) tot zelfs gietzand. Afhankelijk van het materiaal kan een dichtheid van 100 % worden bereikt. Verder wordt het model ondersteund door het niet gesinterde materiaal en is het niet nodig om Figuur 3-18: Selective laser sintering speciale ondersteuningen te maken. Een groot nadeel is dat het gesinterde product vrijwel altijd een nabewerking nodig heeft omdat de oppervlaktekwaliteit erg slecht is. Deze nabewerking kan stralen, slijpen of eventueel vijlen zijn. Fused deposition modeling (FDM) De fused deposition modeling techniek werkt bijna als een printer. Er wordt verwarmd kunststof uit een kop gespoten. Deze kop beweegt zich over een x-y vlak. Na de eerste laag zakt het platform omlaag en wordt de volgende laag aangebracht, dit gaat zo door totdat het model af is. Het platform wordt op een lagere temperatuur gehouden zodat het materiaal direct vast wordt. Bij deze techniek moeten ook speciale ondersteuningen worden aangebracht, dit gebeurd met een supportmateriaal wat eenvoudig te verwijderen is. Als het model uit de printer komt zal het nog gevijld moeten worden zodat het oppervlak glad word. Bij deze techniek kan alleen gebruik worden gemaakt van kunststoffen zoals ABS, elastomeren, PC, PS en Figuur 3-19: Fused deposition modeling investment casting wax. Een voordeel van deze techniek is dat het materiaal sterk benaderd of zelfs gelijk zal zijn aan het uiteindelijke materiaal voor de massaproductie. Dit zorgt ervoor dat het materiaal dezelfde fysische eigenschappen heeft en goed getest kan worden, zoals je dat van een prototype zou willen. Solid ground curing (SGC) De solid ground curing techniek maakt net als bij SLA gebruik van UV-licht om het materiaal uit te laten harden. SGC staat ook wel bekent als het Solider Process. Allereerst wordt er een fotogevoelige vloeistof op een platform gespoten. Hierna maakt de machine een stencil van de vorm. Dit stencil 14

wordt op een glazen plaat geprint boven het platform. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een elektrostatisch proces dat ook wordt gebruikt bij fotokopieermachine. Hierna wordt de plaat blootgesteld aan UV licht waardoor de laag uitgehard word. Nadat het materiaal is uitgehard worden de open ruimten opgevuld met was zodat dit het model zal ondersteunen. Dan wordt de bovenste laag vlak gemaakt en herhaalt het proces zich totdat het model klaar is. Tot slot wordt het model in een bad gelegd zodat de was oplost. Een groot voordeel van de SGC techniek is dat er verschillende modellen tegelijkertijd gemaakt Figuur 3-20: Solid ground curing kunnen worden. Dit zorgt ervoor dat de kosten laag kunnen blijven.

15

3.5 Productiemiddelen Gietmachines ProtoMetals beschikt over twee verschillende gietmachines, één voor het kleinste cuvet en één voor de grotere cuvetten. We zullen eerst ingaan op de kleine gietmachine. De Indutherm VTC 200 V (Figuur 3-21) maakt gebruik van twee verschillende kamers. Een kamer waar het metaal in gesmolten wordt onder hoge druk en tot een maximale temperatuur van 2000 °C. In de andere kamer ligt het cuvet. Op het moment dat het metaal gesmolten is draaien de kamers 90°, zoals op Figuur 3-22 te zien is. Hierdoor wordt het metaal in het cuvet gegoten. De maximale afmeting van de cuvet is Figuur Figuur3-21: 3-22: Indutherm InduthermVTC VTC200 200V V Ø125x220 mm. Het verbruik van deze machine is 15kW/h. De machine kan maximaal 2 kg metaal gieten. Verder zal de machine tijdens het gieten en tijdens het stollen vibreren zodat alle lucht uit de cuvet gaat en zal het de korrelgrootte halveren. Dit is gewenst omdat het model hierdoor minder grove nabewerkingen hoeft te ondergaan. De Indutherm VCC 3000 (Figuur 3-23) maakt ook gebruik van twee verschillende kamers. In de bovenste kamer Figuur 3-22: Detail wordt het metaal gesmolten onder een maximale temperatuur van 1500 °C. In de onderste kamer staat het cuvet. Het grootst mogelijke cuvet heeft een afmeting van Ø300x400 mm. Het verbruik van deze machine is 30kW/h. De machine kan maximaal 51 kg metaal gieten, dit staat gelijk aan 3 liter. 3D printer

Figuur 3-24: Invision SI

2

De Invision SI2 (Figuur 3-24) maakt gebruik van de FDM Figuur 3-23: techniek. In de machine gaan twee cartridges, één voor de kunststof en de ander voor het supportmateriaal. De Indutherm VCC 3000 kunststof die in de machine gaat is een acrylic plastic en is blauw. Het gewicht van deze cartridge is ongeveer 480 g met een soortelijk gewicht van 1.02 g/cm. Het support materiaal is wit en heeft een gewicht van ongeveer 405 g. De printer kan een model maken van maximaal 298x185x203 mm. Dit met een resolutie van 328x328x606 DPI. Het proces gebeurd onder een temperatuur van 18 tot 28 °C. De printer zelf heeft een afmeting van 0.77x1.24x1.48 m. Op de machine kan een computer worden aangesloten zodat het CAD-model kan worden ingevoerd.

16

3.6 De productiedriehoek De productiedriehoek beschrijft de eigenschappen van een productieproces, welke ruwweg in drie onderdelen te verdelen zijn: functie, kosten en kwaliteit. In deze paragraaf volgt een beknopte beschrijving van de productiedriehoek van metaalgieten zoals bij ProtoMetals gedaan wordt. Voor de onderverdeling van de driehoek zie Figuur 3-25.

Figuur 3-25: Productiedriehoek

3.6.1 Functie Geometrie Één van de belangrijkste voordelen van het verloren was gieten (al dan niet in combinatie met 3Dprinten) is de grote vormvrijheid. Zeer complexe vormen zijn mogelijk doordat er in gips wordt gegoten, wat een zeer grote nauwkeurigheid geeft. Wat verloren was gieten ook onderscheidt van andere giettechnieken is het feit dat het product niet lossend hoeft te zijn. Dit komt doordat de mal niet intact blijft, maar wordt stukgeslagen om het model vrij te maken. Er dient rekening mee te worden gehouden dat als men gebruik maakt van een 3D-print er scheuren kunnen ontstaan bij scherpe hoeken in het ontwerp. Dit komt door de krimp die optreedt. De afmetingen van het te gieten stuk zijn beperkt tot 300x300x400 mm en een volume van 1,5 liter. Wanddiktes tot 0,5 mm zijn mogelijk. Materiaal In principe is het mogelijk om alle non-ferro metalen te gieten. Bij ProtoMetals worden voornamelijk koper- aluminium- en zinklegeringen gegoten, en minder vaak voorkomend edelmetalen. Ferrometalen kunnen niet gegoten worden omdat zij reageren met de grafieten smeltkroes die ProtoMetals gebruikt. In de toekomst wil ProtoMetals een smeltkroes aanschaffen welke wel geschikt is om ferrometalen te smelten. Seriegrootte Voor grotere series is dit proces niet geschikt omdat voor elk product een gipsmal gemaakt moet worden. Ook de rest van de productie is zeer arbeidsintensief. Als gekozen wordt voor aanleveren van een CAD-model, lopen de kosten snel op naarmate de grootte van het model. Dit komt doordat de grondstof van een 3D-model zeer duur is.

17

Kleur en grafiek Tijdens het proces is het niet mogelijk om invloed te hebben op de kleur van het product. Het gietsel zal de kleur hebben van het metaal waarmee het gegoten is. Het is natuurlijk wel mogelijk om het product kleur te geven door middel van nabewerken, zoals het aanbrengen van een coating. Eventuele logo’s of prints worden aangebracht in het oppervlak van het model waarna ze automatisch terugkomen in het gietstuk. Textuur en uitstraling Zowel bij het 3D-printen als bij het maken van een wassen model is het mogelijk om textuur aan te brengen, waarna deze textuur automatisch terugkomt in het metalen gietstuk. Bij het gebruik van een 3D-model is het mogelijk om texturen aan te brengen van 0,3 mm diep, aangezien dit de tolerantie van de printer is. De textuur bepaalt mede de uitstraling van het product. Door de grote vormvrijheid en mogelijkheid tot detaillering kan de uitstraling van het product erg variëren. 3.6.2 Kwaliteit Afwerking Ondanks dat het proces een zeer nauwkeurig resultaat levert, is nabewerking soms noodzakelijk. Dit kan variëren van polijsten tot het opvullen en schuren van oneffenheden in het oppervlak. Homogeniteit & stabiliteit De homogeniteit van het gietstuk hangt ten eerste af van de gekozen legering. Daarnaast zijn er twee belangrijke factoren die invloed hebben op de homogeniteit: de mate van turbulentie bij het gieten en de koeltijd. Hoe meer scherpe hoeken het metaal tegenkomt bij het instromen van de mal, hoe meer turbulentie optreedt waardoor het metaal onregelmatig stolt. Hierdoor onstaan interne spanningen in het metaal die het instabiel maken, en daarmee de mechanische eigenschappen verminderen. Om een homogeen gietstuk te verkrijgen moeten de aangietkanalen dus zo gestroomlijnd mogelijk zijn. De koeltijd bij het gieten in gips is lang, wat veroorzaakt wordt door de lage warmtegeleidings-coëfficient van het gips. Hierbij treedt krimp op,wat voor spanningen zal zorgen op plaatsen waar verschillende gebieden naast elkaar ongelijkmatig afkoelen. Sommige gebieden zullen namelijk eerder krimpen en een trekkracht gaan uitoefenen op andere gebieden. Zo kan het voorkomen dat bij een rechte dikke wand, de wand krom getrokken wordt. Ook bij te scherpe hoeken kunnen de spanningen zorgen voor kromtrekking en scheuren. Bij dit proces moet rekening gehouden worden met een krimp van 1%. Bij een plaat van bijvoorbeeld 100 mm, zal dat dus een afwijking van 1 mm geven. Dit kan opgelost worden door de plaat anders vorm te geven zodat er ruimte word gecreerd om krimp te laten werken, zodat in de eindstand de gewenste vorm is gemaakt. Ruwheid De oppervlaktekwaliteit die verkegen wordt bij het verloren was gieten is enigszins afhankelijk van de gekozen legering, maar is over het algemeen goed te noemen. Deze hangt namelijk direct af van de oppervlaktekwaliteit van het model. Bij verloren was gieten ligt de oppervlakteruwheid gemiddeld tussen de 1,3 en 4 µm. Toleranties Van de bestaande gietmethoden heeft verloren was gieten één van de hoogste tolerantieniveaus. Dit komt doordat het gietstuk bijna een één op één kopie is van het model. Zie Tabel 3-2 voor een overzicht van de tolerantieniveaus zoals bepaald in NEN-EN-ISO 8062.

18

Tabel 3-2: Geometrische tolerantiegradaties van gietstukken

3.6.3 Kosten Stuksprijs De stuksprijs van een product is grofweg van drie factoren afhankelijk: materiaalkosten, machinekosten en arbeidskosten. De materiaalkosten bestaan ten eerste uit óf de prijs van het eventuele materiaal dat wordt verbruikt bij het printen van een 3D-model, óf uit de prijs van de siliconen en de was. Ten tweede komen daar de kosten van de was voor de wasboom bij. Ten derde worden de kosten voor het gebruikte gips erbij opgeteld, en tot slot het metaal waarmee wordt gegoten. De machinekosten zijn afhankelijk van de investerings-,onderhouds- en energiekosten en de afschrijving en restwaarde. De arbeidskosten bij ProtoMetals zijn direct afhankelijk van het aantal uren dat benodigd is om een product te maken, omdat het een éénmansbedrijf is. Naast materiaal, machines en arbeid zijn er meer factoren die van invloed zijn op de stuksprijs. Zo maakt het veel uit of het een enkel stuk betreft of een serie. Investering De investering die men moet doen om een product bij ProtoMetals te laten maken bestaan uit vaste kosten en variabele kosten. Vaste kosten blijven op korte termijn hetzelfde, ongeacht de seriegrootte. Variabele kosten veranderen naarmate de seriegrootte stijgt. Onder de vaste kosten vallen bijvoorbeeld de ontwerpkosten en afschrijving. Onder de variabele kosten vallen bijvoorbeeld de materiaalkosten en arbeidskosten. Doorlooptijd De doorlooptijd van een product bestaat zowel uit de ontwikkelingstijd als de productietijd. ProtoMetals houdt een productietijd van maximaal een week aan. De productietijd omvat het printen van een 3D-model of het maken van een wasmodel, het maken van de mallen, het gieten, de stoltijd en de nabewerking. Veiligheid Bij het hanteren van ‘hete’ producten worden altijd handschoenen gedragen. Deze werkhandschoenen zijn niet hittebestendig, dus de bescherming is van korte duur. Bij werkzaamheden met en rond de smeltoven wordt er een speciale helm en handschoenen van kevlar gebruikt. De helm beschermt de drager tegen eventueel opspattend metaal. De kevlar handschoenen zijn hittebestendig tot een temperatuur van ongeveer 600 graden Celcius. Verder worden ten alle tijden veiligheidsbrillen gedragen om het risico van oogletsel te beperken. 19

Milieu Bij het productieproces komt behoorlijk wat restmateriaal vrij. Dit restmateriaal wordt zo veel mogelijk gerecycled, en als dit niet mogelijk is, op een verantwoorde wijze vernietigd. Zo wordt bijvoorbeeld het metaal dat overblijft bij het gieten van een model opnieuw gesmolten en hergebruikt in een volgend project. Gipswater wordt opgevangen en gefilterd, en het gips wordt zo mogelijk nogmaals gebruikt. Het koelwater dat wordt gebruikt om het metaal na het gieten af te laten koelen, circuleert in een gesloten koelsysteem. Hierdoor kan steeds hetzelfde water gebruikt worden en wordt er geen water onnodig verspilt. Ondanks dat er bij ProtoMetals zo veel mogelijk gerecyled wordt komt er restmateriaal vrij dat niet kan worden hergebruikt. De kunststof die wordt gebruikt voor het 3D-printen kan maar één keer worden gebruikt. Om de uitstoot van schadelijke stoffen zo veel mogelijk te beperken wordt gebruik gemaakt van roetfilters. Deze zorgen ervoor dat het roet dat vrijkomt bij het verbranden van de was uit de gipsmal niet in de lucht terechtkomt.

20

4 Aanvullende processen Na het rapid prototypen en metaalgieten moeten er een aantal processen plaats vinden om het product af te werken en het uiteindelijke eindproduct te krijgen. Wanneer het gieten is geschiedt, moet het uiteindelijke product namelijk nog bevrijd worden uit zijn gips laag, schoongemaakt en ook nabewerkt te worden. Er hoeft niet heel veel nabewerkt worden, doordat metaalgieten een zeer goede oppervlakte kwaliteit levert. Maar bij ProtoMetals worden alle nabewerkingen handmatig gedaan en kosten dus toch veel tijd en geld(dit zit meer in de arbeidsuren dan de proceskosten). Echter zal dit, gezien naar de productoplages, nog steeds rendabeler en bovenal kwalitatief beter zijn dan als de nabewerkingen geautomatiseerd zouden worden. De nabewerkingen die ProtoMetals beschikt zijn: - Uitbreken van de vorm uit het gips - De vorm van de boom zagen - Vijlen - Spuiten o met water (en zanddeeltjes)(schoonmaken) - Sprayen o met droge zanddeeltjes(schuren en mat oppervlak maken) o met keramische balletjes (oppervlaktestructuur sterker maken) - Polijsten van voorwerpen o met polijstmachine (oppervlakte gladder en glanzend maken) o handmatig (oppervlakte gladder en glanzend maken) Het bevrijden van het product Wanneer het cuvet met gips en gegoten metaal is afgekoeld, kan het uitbreken van de vorm beginnen. ProtoMetals gebruikt hier vaak een beitel en/of hamer voor om grote delen gips ervan af te halen. Als het meeste van het gips is verwijderd, zitten de voorwerpen (indien er meerdere zijn) nog vast aan de boom (de hoofdketen). Hier moeten de voorwerpen dus nog vanaf gehaald worden wat met voorzichtig zagen en vijlen gebeurd. Schoonmaken De voorwerpen worden nadat ze zijn bevrijd van de boom, schoongespoten met een krachtige waterstraal zodat overgebleven vuil wegspoelt. Hier kunnen ook nog kleine hoekige zanddeeltjes met het water meegespoten worden zodat het spuiten een schurende werking geeft. Hierdoor kan het oppervlak ook een fijne matte afwerking krijgen.

Bak waarin voorwerpen schoongespoeld worden met bovenaan de spuit en onderaan de handschoenen waarmee voorwerpen vastgepakt 21 kunnen worden.

Defecten opvullen Soms komt het voor dat tijdens het gietproces er bubbels blijven hangen in de vorm. Als deze vorm afkoelt zullen er bubbels in het voorwerp zitten. Als dit aan het oppervlak zit, dan kan dat nog verholpen worden door deze bubbels(gaten) op te vullen met extra materiaal van waar het voorwerp is gemaakt. Dat materiaal wordt vastgemaakt door deze aan het voorwerp te lassen. De kleur zal niet geheel hetzelfde zijn door het lassen, maar door goed te polijsten en poetsen kan dat verschil miniem worden. Oppervlaktebehandelingen Hierna worden de voorwerpen met een spray(met luchtdruk) nabewerkt (een straal met minuscule hoekige zanddeeltjes) om de oppervlakken van de voorwerpen nog verder te verfijnen. Dit komt doordat minuscule balletjes het materiaal aan het oppervlak van het voorwerp weghaalt. Dit proces heeft twee functies: het schuren en schoonmaken en het oppervlak mat en ‘geborsteld’ te maken.

Ook kan er met keramische balletjes geschoten worden. Het voordeel daarvan is dat de oppervlaktestructuur er sterker van wordt doordat er interne spanningen op de buitenste laag van het voorwerp komen. Oppervlaktes worden hiermee niet glad maar eerder ‘sinaasappelachtig’(kuiltjesachtig).

Het oppervlak kan aangepast worden door het na het schoonmaken ook te polijsten. Hierdoor wordt het oppervlak gladder en krijgt het zijn glans. Dit kan gedaan worden met een polijsthandmachine of handmatig met een poetser.

22

5 Het ontwerp Wij hebben een pen ontworpen als relatiegeschenk voor het bedrijf. Dit relatiegeschenk moet representatief voor ProtoMetals zijn en alle sterke punten van het bedrijf naar voren brengen. Door de ruime vormvrijheid van het gekozen proces, hebben we gekozen om op de pen een puzzelelement te verwerken. Het idee was om een dop te maken die op en neer schuift op een, op een doolhof geïnspireerd, traject. Ons eerste ontwerp zag er als volgt uit:

Nadat ons eerste concept te gecompliceerd bleek te zijn, hebben we een aantal andere concepten ontwikkeld, zoals hieronder is weergegeven. De verschillende ideeën hebben we voor gesteld aan ProtoMetals; de voorkeur ging uit naar idee twee. Deze was, qua vormgeving het minst interessants, maar was de best maakbare van de vier. De groef was hier zodanig dat scheurvorming hoogst waarschijnlijk niet zal optreden. De kern van idee vier, bijvoorbeeld, zal op de relatief smalle doorgangen gaan scheuren.

23

Gezien de functie van het product is de uitstraling van ons ontwerp het best te beschrijven als industrieel. Metalen in vrije vromen met grote graad van complexiteit. We hebben geprobeerd een goed beeld te schetsen dat bij ProtoMetals past, en de vaardigheden die het bedrijf heeft. Hierbij is een collage (zie de afbeelding hierboven) gemaakt die de uitstraling van het uiteindelijke product moet uitstralen. Hierbij zal de kleur gedefinieerd worden door de kleur van het gekozen materiaal. Textuur wordt gevormd door de sleuven in het oppervlakte van de pen waar de dop doorheen beweegt. Ons uiteindelijke ontwerp kwam er als volgt uit te zien:

24

Voor het materiaal hebben we gekozen voor zamak (Za08). Dit omdat zamak er allereerst goed uitziet, verder goed te gieten is en goedkoper is dan andere materialen, zoals aluminium. Om de seriegrootte te bepalen moeten we eerst kijken hoeveel pennen er maximaal in het grootste cuvet passen. Het best geschikte cuvet is die van 240 x 240 x 500 mm groot, met een effectief volume van 220 rond en 400 mm hoog. Onze eerste cuvet indeling bestond uit 96 pennen, maar de pennen bleken, na het idee te mailen naar ProtoMetals, te dicht op elkaar te zijn verdeeld. In de nieuwe indeling zitten (slechts) 36 pennen en ziet er als volgt uit:

bovenaanzicht, positie van de onderdelen

25

De boom is dusdanig ontworpen dat de onderdelen maar een kanaal nodig hebben die zowel fungeert als was-uitloopkanaal en aanspuitkanaal. Op bovenstaande is te zien, dat de cuvet ondersteboven wordt ontdaan van de was, en bij het gietproces wordt omgedraaid zodat het metaal de onderdelen in loopt. Tijdens het gieten helpt het vacuüm van de gietmachine om het metaal gelijk te verdelen door de mal. De aanspuit punten van de schroefdop en de afsluitdop van de pen worden gevormd door 2 kanalen met een wanddikte die gelijk is aan die van het object. Deze ‘pootjes’ lopen aan weerszijden over een kwart van de omtrek van het object. Hierbij is een goede stroming van metaal gegarandeerd.

De pennen zitten door middel van een conisch aanspuitkanaal van metaal voorzien. Beide kanalen zijn zo ontworpen dat niet alleen de stroom van het metaal goed is, maar ook dat de objecten na het gieten gemakkelijk te verwijderen zijn.

26

5.1 Krimp Elke materie krimpt en zet uit onder de invloed van temperatuursverandering. Zo ook de metalen gietstukken. De losse onderdelen van de pen, zijn zodanig ontworpen dat er op papier 0mm speling op zit. Echter, tijdens het koeltraject krimpt het volume van het metaal. Hierdoor wordt speling tussen de onderdelen gecreëerd. De totale krimp van het materiaal wordt beschreven door de onderstaande formule.

In deze formule staat voor het totale verschil in volume, coëfficiënt en voor het totale temperatuursverschil.

voor de thermische expansie

De thermische expansie coëfficiënt voor Zamak is 27.8 μm/m-°C. Het verschil in temperatuur is het verschil tussen de temperatuur waartoe het metaal verhit wordt bij het gieten, tot het afkoelen naar kamertemperatuur. De smelttemperatuur van Zamak ligt rond de 390 °C. Met een kleine marge is het verschil in temperatuur 400 °C. Dit resulteert bij het volume van een boom (1683 met een krimp van 1,1%.

) in een krimp van 18,7

, wat overeenkomt

In bovenstaand figuur zijn de doorsneden te zien van de pen (links) en de draaidop (rechts). Er is met rode pijlen aangegeven in welke richting het metaal krimpt. Zo is te zien dat de buitendiameter van de pen kleiner wordt, maar de binnendiameter van de draaidop niet kleiner wordt, omdat de krimp door gips tegengehouden wordt. De twee halfronde geleiders krimpen daarentegen wel licht, waardoor de speling tussen de sleuf in de pen en de draaidop groot genoeg wordt. Als er in de boom te veel delen per volume eenheid aanwezig zijn, loopt de warmte na het gieten zo hoog op dat stolling alleen nog maar plaats vindt aan de buitenrand van de mal. De binnenkant blijft dan langere tijd vloeibaar, waardoor een grove, poreuze structuur zal ontstaan. Om dit tegen te gaan, zijn al de onderdelen aan de boom op een onderlinge afstand van 18mm van elkaar geplaatst.

27

De pen wordt als CAD-model gestuurd naar ProtoMetals, die daarvan 36 3D-prints van maakt. Deze 3D-prints worden schoongemaakt en aan de wasboom gezet. De wasboom wordt in een cuvet geplaatst, dit cuvet wordt volgegoten met gips. Het cuvet wordt in een oven gezet zodat eerst de wasboom wegsmelt en daarna het gips volledig uithard. Als dit gebeurd is wordt het cuvet in de gietmachine gezet. Na het gieten wordt het gips van de metalen boom gehaald net als de afzonderlijke onderdelen. Deze onderdelen worden nabewerkt en geassembleerd, hierna is het product klaar. Nabewerkingen voor de pen De pennen worden natuurlijk uit het gips gehaald, van de boom afgezaagd en gevijld. Daarna zullen alle onderdelen schoongespoeld worden en verder afgevijld, zodat er geen zichtbare resten van aanspuitingen of eventuele bramen en uitsteeksels te zien zijn. Er moet wel opgepast worden met het spuiten dat de pen niet wordt vervormd. De kracht van de straal zou het dunne metaal misschien kunnen vervormen. De pen zal dan om zijn glanzende oppervlak te krijgen gepolijst en nagepoetst worden.

5.2 Kosten De stuksprijs van de pen wordt opgebouwd uit verschillende onderdelen:         

Arbeidskosten Materiaalkosten Kunststof voor printen Gips voor mal Metaal voor gieten Machinekosten 3D Printer Oven Gietmachine

Arbeidskosten Het uurloon van de arbeider is 25 euro/uur. Dit is opgebouwd vanuit het maandsalaris, pensioenskosten, vakantiegeld enz. gedeeld door het aantal uren dat er gewerkt kan worden in een maand. Het aantal uur dat er gewerkt wordt om 36 producten te maken is 35,9 uur. Dit is opgebouwd uit het volgende:

28

     

Nabewerking bij het printen is 2-3 min per onderdeel, er zijn 3x 36 onderdelen, dus 108x(3/60) = 5,4 uur. Het kost 2 uur om de wasboom te maken. Het verwijderen van het gips kost 1,5 uur. De producten van de metalen boom halen (na het gieten) kost ongeveer 5 min. per product, dus 108x(5/60) = 9 uur. De nabewerking van de producten kost ongeveer 10 min. per product, dus 108x(10/60) = 18 uur.

5,4+2+1,5+9+18 = 35,9 uur. De totale arbeidskosten komen dan neer op 35,9x25 = 897,50 euro.

Materiaalkosten Kunststof voor printen Er is in het totaal 1 cardrige kunststof nodig en 1 cardrige support materiaal. Een cardrige kunststof kost 100 euro en het support materiaal kost 50 euro. Dit maakt voor de materiaalkosten voor het printen 150 euro. Gips voor mal De prijs van het gips is 10 euro/L. De inhoud van het cuvet wordt voor 90% gevuld met gips. De inhoud van het cuvet is pi x r2 x h, dit is pi x 1502 x 400 mm. Dit komt neer op een inhoud van 25,4 L. Dus de prijs voor het gisp wordt 25,4 x 10 = 254 euro. Metaal voor gieten De prijs van ons Zamak is 2 euro/Kg. De soortelijke massa is 2Kg/dm3 , de inhoud van de pen, berekend met SolidWorks, is 21,9 cm3 . 0,0219 x 2 x 2 = 0,0876 euro. Hierdoor komen de kosten van het metaal op 0,0876 euro.

29

Machinekosten 3D printer De machine uurkosten van de printer zijn hieronder weergegeven met behulp van de aangevoerde exelsheet.

De printer kan per uur 5 mm in de hoogte printen. De maximale hoogte die geprint moet worden is 17 mm. Dus 1 printsessie kost 3,5 uur. Per print kunnen er op het platvorm van 298 x 185 mm 16 pennen, 16 doppen en 16 punten. Om 36 onderdelen te printen moet er dus drie keer geprint worden. Dus totaal wordt er 10,5 uur geprint. Dit maal het uurtarief komt op 10,5 x 7,35 = 77,18 euro voor de machinekosten van het printen.

30

Oven De machine uurkosten van de oven zijn hieronder weergegeven met behulp van de aangevoerde exelsheet.

Het gips met de wasboom staat 2 uur in de oven, dit komt neer op 0,66 euro voor de machine kosten van de oven. Gietmachine De machine uurkosten van de gietmachine zijn hieronder weergegeven met behulp van de aangevoerde exelsheet.

31

Het gieten kost 1 uur. Hiermee komen de kosten voor de gietmachine op 8,46 euro. Totale kosten Als we al deze kosten bij elkaar optellen krijgen we: - Arbeidskosten - Materiaalkosten: Kunststof Gips Metaal - Machinekosten Printer Oven Gietmachine

897,50 euro

Totale kosten

1387,89 euro

150 euro 254 euro 0,0876 euro 77,18 euro 0,66 euro 8,46 euro

Als we dit per pen berekenen komt het neer op 1387,89/36 = 38,55 euro per pen.

32

6 Ontwerpregels We hebben de volgende ontwerpregels toegepast: Kuvet vulling - Product moet in de hoogterichting minimaal 70 mm van de rand zijn aan de aangietkant. Aan de andere kant moet dat minimaal 20 mm zijn. - Product moet radiaal ongeveer 10 mm van de rand wegblijven. - Een goede onderlinge afstand van verschillende delen in de kuvet varieert per geometrie. Hoe minder raakvlaak, hoe korter de afstand kan zijn. Afstanden variëren tussen 1 mm, bij dunne ronde vormen, en 10 mm, bij grote vlakken die parallel lopen. - Met ronde voorwerpen is de diameter van het voorwerp genoeg als afstand tussen verschillende voorwerpen, pendikte afstand tussen pennen in ons geval. - Van de boom naar het product moet (echter) minimaal anderhalf keer meer afstand tussen zitten, door de grote diameter van de boom. Deze afstand is belangrijk voor de sterkte van de gipswand tussen de verschillende producten, waardoor het metaal in zijn vorm blijft, niet overspringt en gelijkmatig afkoelt. - Aan de buitenkant(en) is het slim om pennen met elkaar te verbinden, met kleine wasstaafjes van 10 mm bijvoorbeeld, hierdoor creëren we een grotere pennendichtheid zonder gebruik te maken van extra takken. De boom - Wanneer er stijgend gegoten wordt moeten er wasuitloopkanaaltjes gemaakt worden aan de andere kant van de te gieten vorm. Als er dalend wordt gegoten is echter maar een kanaal nodig, wat als aanvoer en uitvoer dient. - Diameter van boom is 25 mm, die van de takken 20 mm. - Diameter van uitgietopening van de kroes is 10 mm.

33

7 Bronnen CES ProtoMetals (Ron Klauss) Boek: Moderne Industriële productie – J. van de Put http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm http://computer.howstuffworks.com/stereolith.htm http://www.realizeinc.com/ http://www.garpa.org/assets/CS2000_ch_introductionoflom.pdf http://www.rapidtechnologies.nl/Kennisbank/Oplossingen/Laminated-object-manufacturing http://www.3dprinter.nu/laminated_object_manufacturing.php http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm http://www.novu.nl/prototyping/site/aspx/kennisbanknovu.aspx?action=methode&id=4 http://www.materialise.com/laser-sintering-prototyping http://www.protocam.com/html/sls.html http://selectivelasersintering.org/ http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm http://www.techok.com/fuse-deposition-modeling.html http://www.materialise.com/fused-deposition-modelling http://www.quickparts.com/LowVolumePrototypes/FDM.aspx http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm http://www.efunda.com/processes/rapid_prototyping/sgc.cfm http://www.engineershandbook.com/RapidPrototyping/sgc.htm http://knowledge.stereolithography.com/activekb/questions/12/Solid+Ground+Curing http://www.mne.psu.edu/lamancusa/rapidpro/primer/chapter2.htm#fdm http://www.efunda.com/processes/metal_processing/sand_casting_intro.cfm http://books.google.nl/books?id=4yj4BgrYZqYC&printsec=frontcover&dq=sand+casting&source=bl& ots=7tn3Hd1JQd&sig=53GCf2tqB0z50e88s7XKR0xTi8&hl=nl&ei=ykEsTePoGo7sOce8hakK&sa=X&oi=book_result&ct=result&resn um=10&sqi=2&ved=0CFMQ6AEwCQ#v=onepage&q&f=false http://glas.kunst-en-licht.nl/static/Sandcasting.pdf http://www.ppcpinc.com/ http://www.efunda.com/processes/metal_processing/invest_casting.cfm http://www.tetan.eu/verloren-was-gieten.html http://www.morgo.nl/pdf/morgoverloren_wasmodelgieten.pdf http://www.morgo.nl/pdf/morgoverloren_schuimmodel_gieten.pdf http://www.submarineboat.com/lost_foam_casting.htm http://www.foundry.ray-vin.com/lostfoam/lostfoam.htm http://www.lostfoam.com/content/featured_articles/article1.php http://www.indutherm.de/en/products/VTC200.php http://www.indutherm.de/en/technology/Vibration_engl.php http://www.indutherm.de/share/PDF_Tab-Produktseiten/Tab_VTC200_engl.pdf http://www.ajstools.com/products/casting/vacuum4.html http://www.indutherm.de/share/PDF_Tab-Produktseiten/Tab_CC_VCC_series_engl.pdf http://www.indutherm.de/en/technology/technologie_funktionsprinzip_engl.php 34

http://www.3dsystems.com/products/datafiles/invisionsr/ds-invision_sr_3-d_printer_06.pdf http://www.3dsystems.com/products/datafiles/visijet/datasheets/DS_VisiJet_US.pdf http://www.3dsystems.com/products/3dprinting/materials/index.asp Presentatie ProtoMetals Literatuurstudie Gietstukken - Ir. D. van Goolen]

35