18/1/2011
SPECIALISATIEPROJECT IO‐2041
BRAVILOR BONAMAT BEHUIZING FRESH‐BREW KOFFIEMACHINE PLAATBEWERKEN – LASERSNIJDEN MATERIAAL
Jan-Willem de Kruif| Groep 3.02
Inhoudsopgave
Titel
pagina
3
Het bedrijf Bravilor Bonamat
4
Het productieproces
6
Werking laser Bewerkingsmogelijkheden Economische aspecten Materiaal eigenschappen bij snijden
6 10 12 15
Ten geleide
‐ ‐ ‐ ‐
Ondersteunende Processen
17
Het ontwerp
21
In het kort Uitgewerkt ontwerp Kosten
21 22 28
Ontwerpregels en richtlijnen
29
Gebruikte bronnen
30
‐ ‐ ‐
2
Ten geleide Het productie proces lasersnijden staat in dit verslag centraal. We hebben gekozen voor dit proces omdat het nieuw, snel en flexibel is. Het bedrijf wat wij bezocht hebben, Bravilor Bonamat, gebruikt deze techniek voor de productie van bedrijfs koffiemachines. Wij zijn de uitdaging aangegaan om de behuizingen van koffiezet apparaten een aantrekkelijkere uitstraling te geven. Het ontwerp is de behuizing van een fresh‐brew koffieapparaat. Hierbij wordt de nadruk gelegd op veelzijdigheid en variatie, aangezien het gericht gaat zijn op het personaliseren van een koffieapparaat voor een specifiek bedrijf. Dit betekent dat een bedrijf zijn eigen fresh‐brew kan bestellen met een persoonlijke uitstraling. Om dit te bereiken zal er uit de behuizing een afbeelding, tekst – of welke wensen er ook zijn – gesneden of gegraveerd worden, grotendeels door middel van lasersnijden.
.
3
Het bedrijf Bravilor Bonamat Bravilor Bonamat is opgericht in 1948 Het bedrijf is altijd een familiebedrijf geweest en bedrijf begon als eenmanszaak in een klein pand in Amsterdam. Het was een groothandel in benodigdheden voor in hotels en kantines. Zijn zoons begonnen aan de keukentafel om kleine producten fabriceren. Later gingen zij verder met hun vaders bedrijf als fabrikant. Sinds 35 jaar zijn ze in Heerhugowaard gevestigd en hebben zich daar flink uitgebreid tot ruim 300 wat 120.000 producten per jaar oplevert die worden verkocht in 80 landen. Voor korte tijd hebben ze ook keukens ontworpen maar omdat dit concurrentie met de klanten opleverde zijn ze zich puur op koffiezetapparatuur voor bedrijfskantines en recepties gaan concentreren. Ook zijn er nu dochterbedrijven in Europa waar ook nog 80 man werkzaam zijn. Productie Vele productieprincipes worden toegepast. Enkele machines zijn volledig automatisch. Aan en afvoer wordt geregeld met lopende band en een robotarm manoeuvreert het product langs verschillende bewerkingsstations. Dit wordt vooral toegepast bij simpele buig bewerkingen en nabewerkingen zoals polijsten. Daarnaast zijn er computergestuurde machines die wel continu in de gaten worden gehouden door een persoon. Dit geld voor nauwkeurige snij en persbewerkingen. Verder wordt de assemblage van apparaten vooral met de hand gedaan aan de lopende band. Voor de snelfilter serie is een klik systeem dat assemblage en demontage vergemakkelijkt. Er zijn nu nog maar twee schroefjes nodig voor één koffiezetapparaat. Er zijn plannen om dit verder door te voeren in andere modellen. Processen Laser snijden Het proces waar we voor hebben gekozen wordt vroeg in het productieproces toegepast. Vaak worden uit een grote plaat metaal zoveel mogelijk uitslagen gesneden. Hier wordt er een lasersnijder gebruikt om de voorpanelen voor een instant koffiemachine uit te snijden. Ook de kleine ronde gaten voor knopjes en schroeven worden door de laser gesneden. Voor de zij panelen is een lasersnijder gecombineerd met een ponsmachine. Hier worden eerst een heleboel ventilatiegaten en schroefgaten uitgeponst en daarna wordt de plaat met de laser in de juiste vorm 4
uitgesneden. Het is dus een overweging wanneer laser snijden handig is en wanneer ponsen. Buigen Dit werd onder andere door een robot gedaan voor simpele loodrechte hoeken. Een andere plaat werd handmatig met een matrijs in een soort u‐vorm geperst. Stansen, persen en buigen gecombineerd Voor een plaatje voor het snelfilter model was een serie matrijzen na elkaar geplaatst. Op een smalle rol werd metaal aangevoerd. Het werd afgeknipt, er werd een gat in gestanst, een uitstulping geperst en een rand werd omgebogen. Spuitgieten Naast de metalen plaatdelen zitten er in koffiezetapparatuur ook veel kunststof delen. Een deel wordt bij Bravilor zelf geproduceerd en de rest wordt ingekocht. Het plastic wordt aangevoerd in korrels en gecombineerd met een van de vele kleurkorrels die daar op voorraad lagen. Specifieke en snelle productie Naast haar eigen merk koffiezetapparaten heeft Bravilor Bonamat een afdeling waar maar één model wordt gemaakt voor een bepaalde klant. Hier werken veertig mensen vijf dagen per week aan een apparaat dat met cups werkt. Alles wordt met de hand gedaan. Door de specifieke productie worden er 1000 apparaten per week gemaakt. Opslag Naast een gewoon magazijn is er ook een extra hoog magazijn wat heel slim is ingericht. Door de hoogte en de smallere paden kan er veel meer worden opgeslagen in deze ruimte. Speciaal hiervoor is een computergestuurde heftruc aangeschaft die het stuur overneemt in deze smalle gangen. Door de hoog opgestapelde producten is lopen in deze ruimte te gevaarlijk en dus verboden. De heftruc gaat met cockpit en al omhoog waar de medewerker het product kan scannen en pakken. Automatisch
5
gaat de heftruc terug naar de uitgang van het magazijn.
Het productieproces Werking laser Een laser is een lichtbron die een smalle coherente bundel van licht kan voortbrengen. Coherent wil zeggen in dezelfde fase; dus de lichtgolven doven of versterken elkaar niet willekeurig.1
Het principe waarop een laser werkt berust op atomen en/of moleculen met aangeslagen elektronen.2 Een aangeslagen elektron is een elektron met een hogere potentiële energie dan strikt noodzakelijk. Dit gebeurt wanneer er energie aan een elektron wordt toegevoegd. Deze zoekt dan een hogere ‘baan’ of ‘elektronenschil’ op. 3 Op een gegeven moment valt dit elektron terug en straalt hij hierbij de energiewinst af; in het geval van een laser is dit een foton. Koolstofdioxidelaser Er zijn verschillende types lasers, bij het laser snijden bij Bravilor Bonamat wordt er gebruikt gemaakt van een gas‐laser. In een gaslaser is het medium, een stof opgebouwd uit atomen of moleculen die kunnen worden aangeslagen, een gasmengsel. Bij de lasersnijmachine van Bravilor ging het om een koolstofdioxidelaser, een elektrisch gedreven gaslaser. Het medium bij deze laser is een mengsel bestaande uit koolstofdioxide, stikstof, waterstof en helium. Het gasmengsel bevat voor ongeveer 10 tot 20 procent uit koolstofdioxide (CO2) als stikstof (N2). Van waterstof (H2) zijn maar enkele procenten aanwezig en de rest van het mengsel wordt aangevuld met helium (He). 1 http://en.wikipedia.org/wiki/Coherence_(physics) 2 3
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model
6
Werking Deze gassen bevinden zich in een gasontladingsbuis waardoor een elektrische stroom loopt, vergelijkbaar met een TL‐buis. Het aanslaan van de elektronen gebeurt in vijf stappen. 1) Elektronen, geleverd door een elektrische spanning, botsen op de stikstof. De elektronen in de stikstof bereiken hierdoor een aangeslagen staat. 2) De stikstof botst vervolgens op het koolstofdioxidegas, waarbij het stikstof in een lagere energiestaat komt en de elektronen van het koolstofdioxide aangeslagen worden. (stikstof kan zelf geen energie kwijtraken door het uitstralen van een foton omdat stikstof uit slechts één element is opgebouwd) 3) De koolstofdioxide‐elektronen vallen dan terug in hun normale staat en stralen dan een foton uit. Dit is het licht van de laser. 4) Om de stikstof weer in de beginstaat te krijgen is er koud helium aanwezig. De helium neemt het overschot van energie van de stikstof in de vorm van warmte op. 5) Vervolgens wordt het helium gekoeld. Dit gebeurt als de heliumatomen de wand van de buis raken. Deze buis moet daarom gekoeld worden.4 Neodymiumlaser Naast de koolstofdioxidelaser is er nog een type laser die in de industrie gebruikt word. Dit is de neodymiumlaser. Dit is een vastestoflaser. Dat wil zeggen dat er in plaats van een gas als medium een vaste stof als medium gebruikt wordt. Deze vaste stof is een kristal, namelijk een neodymium‐ gedoteerd Yttrium‐RVS‐granaat kristal, kortweg Nd:YAG. Om een laserstraal te verkrijgen wordt het medium optisch gepompt. Dat betekent dat er naast het staafvormige kristal lampen zijn aangebracht die het kristal bestralen met gewoon licht. Dit veroorzaakt een aantal natuurkundige processen die enigszins vergelijkbaar zijn met de stappen hierboven, maar dan met veel meer tussenstappen. We gaan hier dan ook niet verder op in.5 Toepassingen koolstofdioxidelaser en neodymiumlaser Beide lasers zijn geschikt om mee te snijden en te lassen. Echter is de neodymiumlaser een stuk sterker, maar is dan weer niet constant. De laser pulseert namelijk. De neodymiumlaser wordt naast industriële toepassingen ook gebruikt in de medische wereld, om bijvoorbeeld bloedvaten te dichten en om in het menselijk oog een vlies te doorboren of het netvlies zelfs te lassen. Qua prijs is de koolstofdioxide laser een stuk goedkoper. In de industrie zal men dus voornamelijk een koolstofdioxidelaser gebruiken, tenzij zeer hoge wattage nodig zijn.6 4
http://en.wikipedia.org/wiki/CO2_laser http://en.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG_laser 6 http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cutting 5
7
Lasersnijden Bij het lasersnijden wordt de bundel licht afkomstig uit het medium met behulp van een lens gefocusseerd tot een lichtstip waarvan de diameter slechts fracties van millimeters is. De lichtstraal is dan zo intens dat het materiaal plaatselijk verdampt of weggesmolten wordt. Hierdoor kunnen er zeer smalle en nauwkeurige gleuven gemaakt worden. Dit is echter niet genoeg om een goede snede te maken, het verdampte en gesmolten materiaal moet namelijk worden verwijderd om te voorkomen dat dit zich onder aan de plaat hecht of weer tussen de snede in stolt. Hiervoor wordt een gasstroom gebruikt. Deze wordt onder druk in de laserkop gespoten en verlaat de kop door dezelfde uitgang als de laser. Deze blaast het verdampte en/of gesmolten materiaal weg. Bij Bravilor ging het om stikstof, dit om oxidatie van de snijkanten tegen te gaan. Met een oxiderend gas, zoals zuurstof, kan ook lasergesneden worden. Dit heet dan laserbrandsnijden, omdat het gas verbrand onder invloed van de laser en hiermee een exotherme reactie veroorzaakt. Dit helpt vervolgens het materiaal te smelten/verdampen. Op deze manier kan materiaal tot 5 keer sneller gesneden worden dan bij normaal lasersnijden, maar de kwaliteit van de snijkanten is wel minder goed.7
7 Van de Put, J. (2009): Moderne industriële producti, Pearson Education Benelux, Amsterdam
8
Lasersnijmachine bij Bravilor De lasersnijmachine bij Bravilor is er een van een gecombineerd type die ook kon ponsen. Dit om verschillende gaten en sneden achter elkaar op een plaat te kunnen uitvoeren en daarom dus erg tijdefficiënt. De laser‐ en ponskop van de machine bleef stationair terwijl de machine de te bewerken plaat in hoge snelheid in verschillende richtingen eronder door schoof. Platen die klaar waren werden automatisch afgevoerd. Het proces om materiaal te laser snijden met behulp van de een lasersnijmachine kan in 4 stappen worden onderverdeeld. 1) Programma: Het programma wordt ingeladen in de computer, deze stuurt de lasersnijmachine aan. Hierin staan de coördinaten van de te snijden stukken en de te ponsen stukken en de hoeveelheid. 2) Materiaal: Het RVS wordt klaargelegd aan de invoerkant van de machine. 3) Controle: De lasersnijmachine wordt gecontroleerd; is alles goed aangesloten en staat er niets in de weg? 4) De machine wordt ingeschakeld; vanaf nu gaat het allemaal volautomatisch. a. De machine pakt het materiaal op en positioneert het op de werkbank b. De machine schuift het materiaal rond om de te snijden en te ponsen stukken te bereiken c. Als er gewisseld moet worden tussen ponskop, dan wisselt die deze zelf. De verschillende ponskoppen liggen naast de machine. d. Als de machine klaar is zet hij het materiaal op een pallet en begint vervolgens opnieuw. Soorten lasersnijmachines Naast de koolstofdioxidelaser van Bravilor zijn er nog meer verschillende lasersnijmachines. Binnen de koolstofdioxidelasers zijn er verschillende uitvoeringen beschikbaar. Deze variëren in wattage en in uitvoering eromheen. Bijvoorbeeld meer assen waarover de laser kan bewegen of het materiaal eronder en extra robotarmen om het materiaal aan en af te voeren. Er zijn natuurlijk ook simpele varianten waarbij alleen de laserkop kan bewegen en waarbij het materiaal steeds opnieuw moet worden weggelegd en verwisseld. Het spreekt voor zich dat hoe uitgebreider deze apparaten zijn hoe duurder ze worden. De wattage van de laser slaat op de sterkte van de straal. Een hoger wattage zorgt voor meer ‘snijkracht’, er kan sneller of dieper gesneden worden. Lasersnijmachines hebben een maximale output maar deze kan ook naar beneden geschroefd worden om bijvoorbeeld alleen te graveren. 9
Bewerkingsmogelijkheden Functie Lasersnijden is een proces waar vooral platen mee worden bewerkt. Uit die platen kunnen alle soorten vormen worden gehaald omdat een laser eenvoudig computer gestuurd een baan kan volgen die gewenst is. Er is dus geen product specifiek gereedschap nodig. Laser snij‐ apparaten zijn er in verschillende afmetingen maar over het algemeen vrij groot. Uit een plaat van 200x500cm worden bijvoorbeeld 50 kleinere plaatjes gesneden. De plaat zit in een kast waar de laser zich in beweegt. Bij andere apparaten blijft de laser stilstaan en beweegt een grote tafel met materiaal onder de laser door. Mogelijke materialen die door een laser worden bewerkt zijn metalen, polymeren, composieten en ceramiek.
Kleuren en grafieken textuur en uitstraling Naast het snijden van plaat materialen leent een laser zich ook voor tal van andere bewerkingen. Graveren, lassen en het aanbrengen van kleurpatronen zijn hier voorbeelden van.
Graveren Bij graveren wordt materiaal verdampt. Een specifieke drempelwaarde moet worden overschreden. Bij elektrisch constructieve materialen i s deze waarde zeer hoog. Het gat wat wordt gevormd is vaak conusvorming.
Ablatie In plaats van het verwijderen van metaal kan ook met een laser een eerder aangebrachte coating deels worden verwijderd. Verf, afdeklagen en anodiastie zijn zeer geleidend voor laserbewerking. Het absorberingsvermogen van deze lagen is namelijk zeer hoog. Net als bij graveren wordt hier een laag verdampt en ontstaat er een duidelijk contrast.
Temperen Het temperende effect houdt in dat onder invloed van de laserstraal structurele veranderingen aan de oppervlakte van een materiaal worden aangebracht afhankelijk van de maximale temperatuur in het metaal, de eigenschappen van het metaal en de parameters van de laser wordt de kleur bepaald. Een groot voordeel is dat hier de afwerking van het oppervlak niet wordt aangetast
Inbranden Het plaatselijk toevoegen van een coating lever het tegenovergestelde effect op van ablatie. Het poeder wat hier op het metaal wordt gespoten bind zich met 10
het metaal door middel van een oxidatieproces. Het resterende materiaal wordt achteraf verwijderd.
Kleurverandering en bleken Kunststoffen kunnen door een laser van kleur worden veranderd. Een bepalende factor hierbij de golflengte van de laser. Daarom wordt vaak een dubbele frequentie laser gebruikt. Laserstraling penetreert hier het kunststof waarbij kleurpigmenten chemisch veranderen. Toch blijft ook hier de oppervlakte onveranderd.
Foto’s en plaatjes Sublimeren, wat later ook wordt genoemd als snijproces, wordt toegepast om foto’s of plaatjes in kleur op een oppervlak aan te brengen. Op dit oppervlak is een toplaag van polymeer aangebracht die de inkt van vooraf bedrukt papier via een hitte transfer overneemt.
Seriegroottes Lasers zijn duur in aanschaf maar kunnen ingesteld worden om verschillende producten te maken. Wil een bedrijf één product maken met behulp van een laser dan zullen ze er veel van moeten maken om de kosten terug te verdienen. Wil je meerdere producten maken dan is een laser efficiënter dan bijvoorbeeld verschillende stansgereedschappen die maar 100.000 keer meegaan. De aanschaf van de laser is dus een investering op de lange termijn.
11
Economische aspecten Aanschaf laser snijmachine Er zijn uiteraard veel verschillende soorten lasersnijmachines te onderscheiden. Zij kunnen niet alleen verschillen in omvang, snelheid van het snijden, doorvoersnelheid van het materiaal, gebruikte medium maar zeker ook in de prijs. Om het geheel overzichtelijk te houden spitsen we ons in deze toe op de lasersnijmachines die bij Bravilor te vinden zijn, dat zijn gaslasers (CO2‐Lasers). Een kleine lasersnijmachine (20kW) zal in de aanschaf rond de $300.000 kosten8.
Kosten gebruik laser snijmachine Onderstaand tabel geeft een indicatie van de stroomconsumptie van een lasersnij machine. Dit varieert van een kleine lasersnijmachine (20kW) naar een grote tot ongeveer 200kW.
De consumptie van een lasersnijmachine van gemiddeld formaat zal dus rond de 100kWh liggen. Voor een kWh wordt ongeveer 0.22,‐ betaald9. Een uur de laser laten werken zal dus 22,‐ aan stroom kosten. Puur hierop ingegaan moet een lasersnijmachine per uur producten met een waarde hoger dan 22,‐ produceren om rendabel te zijn, maar er dient ook nog naar de kostprijs van het materiaal, lasersnijmachine zelf en personeel gekeken te worden. In dit voorbeeld laten we de overheadkosten buiten beschouwing. 8 9
http://www.teskolaser.com/waterjet_cutting.html http://www.nuon.nl/energie/energieprijzen/
12
Wel kan er nog gekeken worden naar het gas dat er in een uur gebruikt wordt als medium en om te laseren. Onderstaand tabel geeft een indicatie van deze hoeveelheden. Ook valt hier te lezen met welke slijtgevoelige onderdelen je rekening moet houden, deze komen ook bij de bedrijfbegroting aan de orde, voor de aanschaf van een dergelijk apparaat. Het spreekt voor zich dat er voorafgaand aan het aanschaffen van een lasersnijmachine er een begroting opgesteld wordt om te kijken of de machine rendabel kan draaien, hiervoor zal er veel geproduceerd moeten worden, hier is een lasersnijmachine op zijn best: massaproductie.
Een simpel rekenvoorbeeld: Een laser van 1500W een uur laten draaien kost: (24+40)/2 = 32. 32 x 0.22 = 5.06,‐ stroom (2+16)/2 = 9L CO2 lasergas l (500+2000)/2 = 1250L N2 snijgas (Gebaseerd op een gemiddeld verbruik)
Veiligheidsaspecten tijdens het laser snijden Het overgrote deel van de lasersnijmachines is geautomatiseerd. Bij een groot aantal van deze machines doet de laser zijn werk achter veiligheidsglas. Voor het bedienend personeel zijn er ook veiligheidsmaatregelen die in acht genomen dienen te worden. Zo draagt de operator veiligheidskleding (brandvertragende kleding, veiligheidsbril, gehoorbescherming) en heeft hij op de interface een duidelijke noodknop zitten (zie foto). 13
Daarbij staan er op de vloer duidelijke lijnen afgezet. Je wordt geacht je binnen deze lijnen op te houden als de laser zijn werk doet. Dit gebied wordt in sommige gevallen ook overzien door middel van camera’s.
Lasersnijden achter veiligheidsglas
Veiligheidsknop op interface
Bepaling investeringen De investeringen worden uiteraard in eerste instantie bepaald door de productiehoeveelheid. Als er een kleine oplage gemaakt wordt van een product zal er minder snel worden laser gesneden dan bij een zeer hoge oplage, bij een hoge oplage verdient een laser zichzelf makkelijker terug aangezien de kwaliteiten van deze techniek dan optimaal gebruikt worden (snelheid productie, weinig tot geen afwerking vereist, kan volledig geautomatiseerd).
Doorlooptijd Proces De snelheid van het lasersnijden is afhankelijk van een groot aantal variabelen. Zo speelt niet alleen een rol met welke laser er gesneden wordt, ook de dikte van het materiaal, de dichtheid en, niet te vergeten, het soort materiaal is van groot belang. Daarbij is er ook nog een verschil in snelheid bij de verschillende bewerkingen die een lasersnijmachine uit kan voeren, bijvoorbeeld lassen, snijden of graveren. Ruwweg kan er gezegd worden dat een lasersnijmachine een kunststof met 12 meter per minuut kan verwerken en een metallisch voorwerp met 0.5 meter per minuut (voor staal)10.
10
http://nl.wikipedia.org/wiki/Lasersnijden
14
Materiaal eigenschappen bij laser snijden
Toleranties en ruwheid Lasers kunnen zeer precies werken op niet al te dik materiaal. Plaat materiaal tussen de 0.1 en 50 millimeter kan ermee worden bewerkt. De snijwijdte is dan 0.025 tot 1m met een nauwkeurigheid van 0.05 tot 1 mm. De ruwheid van deze bewerking is zeer minimaal bij de meeste materialen namelijk 0.001 tot 0.1 μm Proces in de materialen Voor verschillende soorten materialen zijn verschillende lasertechnieken ontwikkeld. In het algemeen wordt materiaal tot het kook of smeltpunt gebracht. Door gas wordt het gesmolten of verdampte materiaal weggeblazen. Om oxidatie van de snijkanten tegen te gaan wordt vaak een edelgas gebruikt. Belangrijke materiaaleigenschappen waar dus rekening mee gehouden moet worden zijn dus warmtegeleiding, kook/smeltpunt en oxidatiegevoeligheid. Staal Metalen zoals staal worden bijvoorbeeld gesneden via de ‘melt and blow’. Hierbij wordt het materiaal plaatselijk gesmolten en daarna onder hoge druk weggespoten. Een andere manier is laserbrandsnijden. Hier wordt het metaal gesneden via een exotherme reactie. Vlak boven het oppervlak reageert een gas met het metaal onder invloed van de laser. Hiermee kan door dik staal worden gesneden of sneller worden gesneden maar de kwaliteit is minder door oxidatie van randen. Kunststoffen Kunststoffen smelten gemakkelijker dan metalen. Er is hier veel minder laser vermogen nodig om door de kunststof heen te gaan maar het moet voorzichtig gebeuren. Het proces wat hier geschikt voor is heet sublimatiesnijden. Kunststoffen die hier mee worden gesneden gaan direct van de vaste fase over in de gasfase. Het materiaal wordt plaatselijk tot een kookpunt gebracht door de laserbundel waardoor snel een gat wordt geslagen vanwaar de snede verder wordt gemaakt. 15
Aluminium Het lassen van aluminium brengt wat problemen met zich mee. Bijvoorbeeld dat het materiaal wat wordt weggeblazen met gas aan de onderzijde van de plaat gaat vastzitten. Het materiaal is namelijk zeer reactief met zuurstof. Om dit te voorkomen kan men de focus van de laser anders instellen. Een groter nadeel is dat aluminium sterk reflecteert wat zou kunnen leiden tot beschadigingen van de laser. Het aanbrengen van folie of een grafiet coating kan hier de oplossing zijn. Titanium Laser snijden is een ideale techniek voor het bewerken van titanium. Het materiaal heeft een lage ontbrandingstemperatuur en een hoge gevoeligheid voor oxidatie. Bij laser snijden gaat maar weinig materiaal verloren wat zee voordelig is omdat titanium een vrij hoge prijs heeft. Glas Brosse materialen zoals glas zijn gevoelig voor breuk onder invloed van temperatuur. Bij laser snijden van glas wordt de breuk veroorzaakt door het plaatselijk verhitten wat resulteert in thermische expansie. De weg van de breuk kan worden gestuurd door de laser te bewegen. Door het smeltproces is de rand niet van hoge kwaliteit maar dit kan een voordeel zijn bij het met de hand monteren van beschermranden.
16
Alternatieve productieprocessen Vergelijking van laser snijden met andere processen Met betrekking tot de scheidende vormgeving van plaatmateriaal zijn er drie hoofdgroepen te onderscheiden, namelijk afschuivende vormgeving, verspanende vormgeving en thermisch scheidende vormgeving. Onder afschuivende vormgeving vallen onder andere stansen, ponsen en knippen, wat veelvoorkomende en traditionele productieprocessen zijn voor bewerking van plaatmateriaal. Men heeft hier te maken met een externe kracht die loodrecht op de materiaaloppervlakte aangebracht wordt, waardoor de atomen van elkaar afschuiven. De verspanende vormgeving bevat een groot aantal processen waarbij de kracht niet loodrecht op het oppervlak is gericht. De processen die voor ons ontwerp van toepassing zouden kunnen zijn, zijn boren, zagen en abrasief waterstraalsnijden. In de derde en laatste groep horen de thermisch scheidende vormgevingstechnieken, welke gebruik maken van plaatselijk hoge temperaturen om materialen van structuur en eigenschappen te veranderen. Hieronder vallen autogeen snijden (brandsnijden), plasmasnijden en natuurlijk lasersnijden als processen die geschikt zijn om plaatmateriaal te snijden. Er zijn een aantal grote verschillen tussen deze drie hoofdgroepen. Verder zijn binnen iedere groep ook nog veel verschillen. Met betrekking tot plaatmateriaal zijn er de volgende conclusies te trekken: Afschuivende vormgeving Afschuivende vormgeving bevat processen die goedkoop zijn in gebruik dankzij het lage energieverbruik en de hoge snelheid. Ponsen is gebaseerd op standaard gereedschappen, en is dus de ideale manier om simpele vormen uit plaatmateriaal te snijden. Dit geldt ook voor knippen, maar deze productiemethode kan alleen rechte randen van een plaat afsnijden. Met ponsnibbelen kunnen complexere vormen gemaakt worden, maar deze vormen hebben een ruwe afwerking. In de plaats hiervoor zou stansen gebruikt kunnen worden, wat de vorm in één keer eruit duwt. Dit betekent wel dat er dure stempels gemaakt moeten worden, wat alleen rendabel is bij een hoge oplage. Voor het product dat wij willen gaan ontwerpen zou dus waarschijnlijk een combinatie van knippen met (pons)nibbelen of stansen nodig zijn. Het nadeel hiervan is echter dat voor complexe vormen ponsnibbelen gebruikt zou moeten worden, aangezien het over kleine oplagen gaat en stansen hiervoor te hoge intiële kosten heeft. Ponsnibbelen heeft waarschijnlijk een te ruwe afwerking voor de hoogwaardige kwaliteit die nodig is voor de behuizing van ons product. Het is dus geen perfectie combinatie van productieprocessen voor het ontwerp. Wel kunnen knippen en ponsen gebruikt worden in combinatie met een ander productieproces. Stansen en ponsnibbelen zijn duidelijk niet geschikt.
17
Verspanende vormgeving Bij verspanende vormgeving is het redelijk hetzelfde verhaal. Zagen en boren zijn ook relatief goedkope processen met een laag energieverbruik en hoge snelheid. Het nadeel hier is echter dat deze twee processen niet genoeg vormvrijheid bieden voor ons ontwerp. Met boren kunnen alleen ronde gaten gevormd worden. Met zagen is het proces ook gebonden aan simpele, rechte vormen. Beide processen zijn langzamer dan ponsen en knippen en zijn dus gemakkelijk te vervangen voor de laatst genoemde. Abrasief waterstraalsnijden is echter wel een zeer geschikt proces. Hier wordt door middel van een waterstraal gecombineerd met abrasief (minerale, scherpkantige deeltjes) het metaal gesneden. Voordelen zijn het ontbreken van warmte – waardoor er geen door warmte beïnvloede zone ontstaat –, het ontbreken van bramen en de mogelijkheid om hoogglimmende metalen te snijden. Het grote nadeel is de snelheid, die zeer laag ligt. Voor het ontwerp vallen zagen en boren dus af, en blijft de mogelijkheid tot waterstraalsnijden over. Verderop in het verslag wordt verder ingegaan op dit proces. Thermisch scheidende vormgeving Voor de thermisch scheidende vormgevingstechnieken zijn stuk voor stuk argumenten te bedenken om ze toe te passen op ons ontwerp. Het grote voordeel is dat ieder proces een grote vormvrijheid biedt doordat er materiaal op ieder mogelijk punt in het plaatmateriaal verwijderd kan worden. Het zijn zeer veelzijdige processen, ze kunnen dezelfde functies uitvoeren als alle voorgaande processen en kunnen stand‐alone voor het ontwerp gebruikt worden. Verder zijn de machines snel en simpel anders in te stellen waardoor er binnen korte tijd een ander ontwerp geproduceerd kan worden. Dit betekent dat het erg geschikte processen zijn voor kleinere oplagen. Er zijn echter wel een paar nadelen aan deze processen, namelijk de snelheid, de gebruikskosten en het gebied rondom de snede waar het materiaal door de hitte aangetast wordt. Ondanks deze nadelen valt er wel de conclusie te trekken dat één van deze processen – of abrasief waterstraalsnijden – gebruikt zal moeten worden voor de behuizing van het koffieapparaat. Dit komt doordat het voornamelijk over kleine oplagen gaat met een grote vormvariatie. Wel kan het gecombineerd worden met ponsen en knippen voor de standaard vormen. Keuze lasersnijden Aangezien we een product gaan ontwerpen dat binnen het portfolio van Bravilor Bonamat past, is het logisch om voor lasersnijden te kiezen. Dit kan dan gecombineerd worden met ponsen (Bravilor beschikt over een gecombineerde pons‐lasermachine) en knippen voor eventuele voorbewerkingen om het plaatmateriaal op geschikte grootte te snijden. Nu is het erg gemakkelijk om hiervoor te kiezen op basis van beschikbaarheid van machines, dus zullen we als volgende gaan kijken waarom Bravilor de beslissing heeft genomen om een lasersnijmachine aan te schaffen en niet een van de andere vele mogelijkheden.
18
De productieprocessen die we gaan bekijken zijn de overgebleven thermisch scheidende vormgevingstechnieken, namelijk plasmasnijden en snijbranden evenals de verspanende vormgevingstechniek abrasief waterstraalsnijden. Deze productieprocessen zijn namelijk stuk voor stuk zeer geschikt voor de complexere vormen in het ontwerp. Simpele vormen kunnen gevormd worden door middel van ponsen en knippen, wat de snelste en goedkoopste processen hiervoor zijn. Om het juiste proces uit te kiezen zal er naar verschillende factoren gekeken moeten worden. Er zijn geen betere of minder goede productieprocessen, de keuze voor een proces hangt af van de eisen die aan een ontwerp gesteld worden, vaak afgewogen tegenover de kosten en snelheid. Voor het gemak staat op de volgende pagina een tabel met de meest voorkomende factoren uitgezet voor lasersnijden, abrasief waterstraalsnijden, autogeen snijden en plasmasnijden. Conclusie uit tabel Lasersnijden is duidelijk het meest nauwkeurige en snelste proces van deze vier processen. Aangezien Bravilor Bonamat voor hoogstaande producten wil zorgen, zullen ze de keuze voor een groot gedeelte af hebben laten hangen van de nauwkeurigheid van het proces. Ook voor ons ontwerp zoeken we hoogwaardige afwerkingen. In dit geval weegt het verlangen voor goede kwaliteit op tegen de hogere kosten, welke ook weer gecompenseerd kunnen worden met de hoge snelheid en dus hogere productiviteit.
19
Overzicht van productieprocessen
Lasersnijden
Abrasief waterstraal‐ snijden
Autogeen snijden Plasmasnijden
Soort materiaal
Alle metalen, glimmende metalen zullen afgedekt moeten worden met een folie om reflectie te voorkomen.
Alle metalen.
On‐ en laaggelegeerd staal.
Alle elektrisch geleidende metalen.
Dikte materiaal (mm)
<20 mm
1 ‐ 50 mm
3 ‐ 1000 mm
1 ‐ 25 mm
Snijsnelheid (m/min)
0,5 ‐ 12
0,05 ‐ 5
0,1 ‐ 3
0,1 ‐ 10
Maatnauw‐ keurigheid (mm)
0,05
0,1
0,5
0,2
Snedebreedte (mm)
0,1 ‐ 0,4
0,5 ‐ 2
>2
>0,5
Aanschafkosten
€ 225 000,‐ voor een 20 kW pomp en een 6,5’ bij 4’ tafel.
€ 225 000,‐
€ 150 000,‐ tot € 375 000,‐
€ 90 000,‐
Verbruik
24 ‐ 40 kW + lasergas
22 ‐ 35 kW + water en abrasief
Zuurstof en brandgas
55 kW + plasma
Afwerking
Klein door hitte aangetast gebied en lichte vervorming, braamvrij.
Braamvrij, materiaal wordt niet aangetast of vervormd door hitte of grote krachten.
Lichte braamvorming, groot door hitte aangetast gebied en vervorming.
Door hitte aangetast gebied en vervorming aanwezig, niet‐ symmetrische snijranden.
20
Het ontwerp In het kort Het ontwerp is de behuizing van een fresh‐brew koffieapparaat. Hierbij wordt de nadruk gelegd op veelzijdigheid en variatie, aangezien het gericht gaat zijn op het personaliseren van een koffieapparaat voor een specifiek bedrijf. Dit betekent dat een bedrijf zijn eigen fresh‐brew kan bestellen met een persoonlijke uitstraling. Om dit te bereiken zal er uit de behuizing een afbeelding, tekst – of welke wensen er ook zijn – gesneden of gegraveerd worden, grotendeels door middel van lasersnijden. Het is de bedoeling dat het product een strakke en moderne uitstraling krijgt. Het product zal daarom van een metaal gemaakt worden, bij voorkeur roestvrijstaal of aluminium. Aangezien het gepersonaliseerde koffieapparaten zijn, zal het gaan over kleine oplagen (>100). De basisvormen blijven hetzelfde, namelijk de afmetingen van de behuizing en de plaatsing van de knoppen, maar het patroon kan variëren. De doelgroep die we aan willen spreken zijn de grootafnemers van Bravilor Bonamat. Dit zijn de grote bedrijven die minstens 100 fresh‐brew apparaten bestellen. Als het over kleinere aantallen gaat zal het zelfs met lasersnijden niet rendabel zijn om het ontwerp keer op keer aan te passen.
21
Uitgewerkt ontwerp Het ontwerp
Hierboven is een tekening van het ontwerp te zien. Er zijn bepaalde vaste elementen aanwezig om de primaire functie van de behuizing te ondersteunen, namelijk bescherming van het koffieapparaat en gebruiksvriendelijkheid voor de consument. Deze vaste onderdelen zijn de uitsparingen voor de knoppen, de uitsparing waar de koffie uit het apparaat komt en de luchtroosters aan de zijkant van de panelen. Deze vormen zijn gebaseerd op de bestaande fresh‐brew apparaten van Bravilor Bonamat, zodat deze niet aanpast hoeven te worden. De variabele onderdelen zijn aangegeven op de uitslag op de volgende pagina, namelijk het vak waar de naam van het bedrijf in komt te staan en de zijpanelen waar de persoonlijke print gemaakt kan worden. 22
Uitslag van de behuizing
Zoals op de uitslag hierboven te zien is, zijn er drie variabele onderdelen waar de klant mag beslissen hoe het eruit gaat zien. Er zijn hier wel echter enkele voorwaarden van toepassing om ervoor te zorgen dat de behuizing zijn functie nog behoudt. Zo mag er niet te veel materiaal weggesneden worden om de sterkte van het geheel te behouden en de onderdelen binnenin nog genoeg te beschermen. Om alsnog iedere afbeelding te kunnen maken kan er bijvoorbeeld overwogen worden om grote vlakken te graveren in plaats van eruit te snijden. Ook kan er beslist worden alleen de contouren van een vorm te snijden, wat heel goed mogelijk is met de precisie van lasersnijden. Beperkingen grootte van gaten in plaatwerk. Bij het maken van een gat in de zijkant van een behuizing van plaatwerk moet zeker aandacht besteed worden aan sterkte en veiligheid. De platen aan de zijkant van het apparaat zijn vrijwel plat en kunnen daardoor vrij weinig kracht opvangen zonder door te buigen. Door gaten te maken verminder je plaatselijk deze doorsnede. In ons geval word de plaat aan de zijkanten ondersteund door platen die er lood recht op staan. Toch willen we een marge stellen aan de afstand die er minimaal moet zijn tussen de zijrand van de plaat en de rand van het oppervlak van de uitgesneden vorm.
23
rooster
Het oppervlak waarbinnen de afbeelding moet vallen is een vierkant met variabele afmeting. De minimum rand (aangegeven met pijlen in de afbeelding) moet 15 procent zijn van de totale breedte van de plaat. Het oppervlak wat vierkant is heeft dus een breedte en hoogte van maximaal 70 procent van deze breedte. Binnen de afbeelding letten we erop dat gaten en sleuven niet zo breed worden dat er gemakkelijk vingers of voorwerpen ingestoken kunnen worden. Uitgegaan van de doorsnede van een menselijke pink stellen we de maximale breedte van gaten op 8mm. Rekeninghoudend met oneigenlijk gebruik moet er tussen gaten ook voldoende materiaal overblijven zodat er geen breuk optreed als er een klap op het apparaat wordt gegeven. We stellen de breedte van deze tussenliggende stroken materiaal op minimaal 6mm. Voorbeelden van tekeningen en printen Hiernaast is een voorbeeld te zien van een ontwerp dat in de behuizing gesneden kan worden. Hier kunnen verschillende opties overwogen worden van combinaties met graveren en snijden, wat allemaal een andere beleving op zal wekken. Zolang er aan de bovengenoemde voorwaarden wordt voldaan, kan een print geproduceerd worden.
24
Natuurlijk is het ook mogelijk om een tekening puur door graveren te maken. Aangezien dit het materiaal en de functie van bescherming veel minder belast is het mogelijk op dit op meer verschillende plaatsen toe te passen. Zo kan bijvoorbeeld op de voorkant van de behuizing bij de knoppen of rondom de luchtroosters versiering worden gezet. Materiaalkeuze Om het product een high‐end look te geven is de keuze gevallen op een metaal in plaats van een kunststof. Met de productiemethode van lasersnijden is het mogelijk om iedere soort metaal te lasersnijden, mits er bepaalde aanpassingen – zoals een afdekfolie of coating van grafiet – gemaakt worden bij hoogglimmende metalen. Ook moet er aan gedacht worden dat het metaal makkelijk te buigen is en goed hittebestendig is. Verder is het voor dit ontwerp erg belangrijk dat het een mooie uitstraling heeft en er niet goedkoop of ordinair uitziet. Door deze factoren bleven er twee materialen over die zeer geschikt waren voor het ontwerp, namelijk aluminium en roestvrijstaal. Deze hebben beiden een high‐end uitstraling en zijn gemakkelijk te bewerken. Voorbeeld van een roestvrijstaal product. Voorbeeld van een aluminium product. 25
Uiteindelijk is de keuze gevallen op roestvrijstaal, doordat het een makkelijker metaal is om te lasersnijden. Het is namelijk minder glimmend en de laser wordt dus minder teruggekaatst. Verder gebruikt Bravilor Bonamat al heel veel roestvrijstaal en dit zou dus minder aanpassingen in de machines nodig hebben. Het product wordt natuurlijk van plaatmateriaal gemaakt. Hiervoor is de keuze gevallen op een dikte van 1 mm, wat voor genoeg sterkte zorgt bij roestvrijstaal en ook nog een marge overlaat om in te kunnen graveren. Ook kan er bij deze dikte nog makkelijk gebogen worden. Het productieproces
Met behulp van deze uitslag wordt het productieproces nader bekeken. Het plaatmateriaal wordt aangeleverd in grote platen. Het is belangrijk om een goede volgorde aan te houden van snijden. Als een onderdeel uit een plaat gesneden wordt met lasersnijden, blijft de vorm nog vastzitten met een minuscuul randje materiaal, waardoor de vorm er niet meteen uitvalt maar netjes op zijn plek blijft zitten. Als alles gesneden is worden deze vormen eruit gedrukt. Toch is deze methode niet geheel veilig en is het belangrijk dat de kleine onderdelen als eerste gesneden worden en de hoofdcontour als laatste. Aangezien er met ponsen grote kracht op het plaatmateriaal uitgeoefend wordt, is het belangrijk dat er eerst geponst en vervolgens pas gelasersneden wordt. De kracht van het ponsen zou namelijk de minuscule verbinden kunnen verbreken voordat dit de bedoeling is.
26
Dit betekent dat uit een grote plaat roestvrijstaal als eerste stap alle onderdelen geponst moeten worden. Deze onderdelen zijn aangegeven in de uitslag hieronder met groen. Dit zijn allemaal standaard vormen waarvoor Bravilor al beschikt over de nodige stempels. Met behulp van de gecombineerde pons‐lasermachine kan hiermee in korte tijd en met weinig energie de eerste vormen uitgedrukt worden. Vervolgens worden de kleine onderdelen uit het plaatmateriaal gesneden met behulp van lasersnijden (aangegeven in rood). Hier zullen eerst de vaste onderdelen op de voorkant gesneden worden. Vervolgens worden alle gepersonaliseerde onderdelen gesneden of gegraveerd. Het is belangrijk dat deze twee soorten achtereenvolgend zijn zodat het programma gemakkelijk aangepast kan worden voor een nieuw ontwerp. Als laatste wordt de buitenste contour uit het plaatmateriaal gesneden. Hierbij is kans dat de uitslag los komt, maar dit is nu niet meer van belang aangezien alle onderdelen al gesneden zijn. Als alles gesneden is en de onderdelen los zijn, wordt het geheel gebogen. Dit zijn twee lijnen, die aangegeven zijn met blauw in de uitslag.
Hie
27
Kosten product Om ons concept te kunnen produceren is er natuurlijk een investering nodig. In dit deel proberen we een accurate schatting te maken van de productiekosten. Materiaal; inkoop De kosten van het materiaal per product. Het aluminium en het plexiglas worden niet op maat geleverd maar later op maat gemaakt. De kosten hier zijn echter wel gebaseerd op basis van het op maakt gemaakte deel. De prijzen zijn gebaseerd op RVS
maten 600 mm x 700 mm x 1 mm = 420000 mm³ = 0.00042 m³ dichtheid 8100 kilogram per m³ dus 0.00042 m³ = 3,402 kg prijs 5,00 per kilo €
Cijfers gebaseerd op informatie uit CES
17,01
Materieel; draaikosten Aangezien het materieel al aanwezig is worden de aanschafkosten buiten beschouwing gelaten. Dit zijn de draaikosten per product Lasersnijmachine
0,5 m per min. voor staal en 12 m per min. voor aluminium; geschatte snelheid is 4 m per minuut; geschatte afstand per product is 3,9 meter, dus 58,5 secondes; geschatte uurprijs 120 euro € 1,96
Ponsen
geschatte tijd 12 secondes; geschatte uurprijs 40 euro
€
0,13
Buigen
geschatte tijd 8 secondes; geschatte uurprijs 40 euro
€
0,09
Totaal_________________________ _+
€
18,92
Initiële investeringen Programma lasersnij‐ & pons‐machine
Concept verder uitwerken / optimaliseren
(60 uur werk a 150 per uur)
28
(2 uur werk a 150 per uur) € 9000
€ 300
Ontwerpregels en richtlijnen Bij het lasersnijden in roestvrijstaal van de door de klant gekozen afbeelding moet een minimum rand van 15% van de totale breedte van de plaat worden overgehouden. Bij het lasersnijden in roestvrijstaal van de door de klant gekozen afbeelding mag een gat maximaal 8 mm in doorsnede zijn, gebaseerd op de grootte van een pink. Bij het lasersnijden in roestvrijstaal van de door de klant gekozen afbeelding moet een minimum afstand van 6 mm tussen twee gaten aanwezig zijn. Bij de combinatie van buigen en graveren van roestvrijstaal is een dikte van 1 mm plaatmateriaal nodig. Bij het lasersnijden van roestvrijstaal kunnen snedebreedtes tussen 0,1 en 0,4 geproduceerd worden, afhankelijk van de lasersnijmachine. Bij het lasersnijden van roestvrijstaal kan een snelheid van 3,9 m/min bereikt worden. 29
Gebruikte bronnen Boeken en databases Van de Put, J. (2009): Moderne industriële productie, Pearson Education Benelux, Amsterdam Granta Design Limited(2009): Cambridge engineering selector (EduPack), Cambridge Productieprocessen ‐ ‐ ‐ ‐
Lasercutting Abrasive water jet cutting Flame cutting Plasma cutting
Materialen ‐ ‐
Steel Aluminum
Websites Materialen http://nl.wikipedia.org/wiki/Lasersnijden http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cutting 30
troteclaser.com Kosten http://www.nuon.nl/energie/energieprijzen/ http://www.teskolaser.com/waterjet_cutting.html Werking Laser http://en.wikipedia.org/wiki/Coherence_(physics) http://en.wikipedia.org/wiki/Electron http://en.wikipedia.org/wiki/Bohr_model http://en.wikipedia.org/wiki/CO2_laser
http://en.wikipedia.org/wiki/Nd:YAG_laser http://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cutting
Productieproces vergelijking www.teskolaser.com www.maropa.nl www.tosec.nl
31
