AM vergt toch echt een andere manier van werken

Fontys studenten verkennen in Objexlab Metal potentieel metaalprinten voor externe partij

Studenten van Fontys Engineering hebben in hun minor Smart Product Development with Additive Manufacturing onderzocht of je een hydraulisch auto-onderdeel kunt 3D printen. Het antwoord op deze vraag is de opmaat naar een onderzoek naar de economische haalbaarheid van additive manufacturing voor dit onderdeel. Designen voor AM blijkt nog niet zo eenvoudig voor studenten die opgeleid worden voor het klassieke frezen en draaien.

Risicoarm

De vier studenten, Bart Coenen, Bram Pelders, Sem Adriaans en Tom Swinkels, zijn in de minor begeleid door onderzoeksleider 3D printen in metalen Rein van der Mast. De opdracht voor de studenten was te onderzoeken hoe je het hydraulisch autoonderdeel zo slim mogelijk kan 3D printen. Een reden om te gaan printen, is dat de complexe kanalen voor de oliedoorvoer beter te maken zijn met 3D printen dan gieten. In de minor zijn de studenten direct gestuit op het feit dat ontwerpen voor additive manufacturing een heel andere aanpak vergt dan voor verspanende bewerkingen. Rein van der Mast wijst op de aanwezigheid van harde overgangen van vlakken, zonder afronding. “We zijn gewend een massief stuk te pakken. We houden het aantal bewerkingen zo klein mogelijk en halen er zo min mogelijk vanaf, want dan zijn we het snelst klaar. Alles wat we er meer aan doen, maakt de vervaardiging onnodig duur. Het resultaat is behoorlijk lomp, altijd. Kijk eens rond in de natuur. Daar wordt veel minder verspild en zijn de vormen om die reden veel ‘organischer’.” Vloeiende overgangen tussen elkaar rakende vlakken zijn bij additive manufacturing functioneel. Ze resulteren vaak in minder uitschieters voor wat betreft de inwendige spanningen, zowel tijdens het printen als erna, en minder oneffenheden in het productoppervlak ten gevolge van krimpverschillen tussen de elkaar opvolgende lagen.

Temperatuurverschillen

Typisch voor 3D metaalprinten zijn de hoge temperatuurverschillen in het werkstuk tijdens het 3D printen. Hierdoor ontstaan er aanzienlijke verschillen in uitzetting in combinatie met spanning, een evenwicht dat zich tijdens het printen voortdurend verplaatst. Plotselinge overgangen in de vorm van het werkstuk komen de printkwaliteit niet ten goede, net zo min als grote dikteverschillen. Het lijkt op wat spuitgieters kennen als 'inval', waarbij kuiltjes in het productoppervlak ontstaan waar een materiaalophoping aan de achterzijde langzamer afkoelt dan de rest en zo nog iets 'doorkrimpt' en soms hele producten bij het afkoelen doet vervormen. Een uitstulping maakt het oppervlak

Om het nabewerken bij Machinefabriek De Valk te vergemakkelijken, is ervoor gekozen om het werkstuk op de bouwplaat te laten.

kwetsbaar. Onder het oppervlak van een kuil hopen spanningen zich eenvoudig op. Als de 'top' van een uitstulping scherp is, breken er makkelijk stukken uit. En als een kuil heel diep en nauw is, gedraagt hij zich als een kerf. Vloeiende overgangen laten zich van oudsher lastig met hoge nauwkeurigheid verwezenlijken. Ze laten zich veel gemakkelijker 3D printen. Ze dienen dan wel vooraf digitaal te zijn gemodelleerd.

Onvoldoende ondersteuning in CAD

Van der Mast: "In CAD vertegenwoordigen grofweg de translaties de freesbewerkingen en de rotaties de draaibewerkingen. 3D printen biedt ook ruimte aan 'vrije' vormen: rare, meervoudige gekromde, ietwat willekeurig vormgegeven vlakken. CAD ondersteunt deze nieuwe vrijheid over het algemeen nog nauwelijks. Om werkelijk alles te pakken dat 3D printen in huis heeft, moet je als constructeur uitwijken naar pakketten zoals nTopology en solidThinking Evolve van Altair, waar uiteraard topologieoptimalisatie onderdeel van

Minor Smart Product Development with Additive Manufacturing is."

Siemens NX

De studenten van Fontys Engineering, met name Tom Swinkels, hebben zich heel aardig weten te redden met Siemens NX, dat bij Fontys Engineering de standaard CAD oplossing is. Tom Swinkels, vierdejaars student: "Het viel in eerste instantie niet mee om organische vormen te realiseren met de basisfuncties in NX. Dit komt mede doordat we in onze opleiding vooral te maken hebben met conventionele fabricagemethoden. Het modeleren van onderdelen voor draai- en freesbewerkingen vergt een andere aanpak dan het modeleren van organische vormen. De basisfuncties van NX zijn vooral gericht op het modeleren van zulke draai- en freesproducten. NX beschikt echter over een aantal functies die het organisch modeleren vergemakkelijken. Denk hierbij aan de functies Combined Projection Curve en Swept. Met deze functies hebben we de vloeiende leidingen in ons ontwerp kunnen krijgen."

Het eindresultaat: het onderdeel kan 3D geprint worden. De opdrachtgever gaat het nu testen waarna de economische haalbaarheid onderzocht zal worden.

Precompetitief onderzoek

Rekening houden met nabewerken Een ander aspect waar Rein van der Mast de studenten op gewezen heeft, is het nabewerken. Dat kan eenvoudiger door het werkstuk en de supportstructuren pas in de laatste fase van de nabewerking los te maken van de bouwplaat. “Je klemt dus de bouwplaat, niet het werkstuk.” Een stap verder gaat zijn advies om de supportstructuren onderdeel te maken van het product, waardoor ze niet naderhand hoeven te worden verwijderd. "Dat maakt het product wel iets groter en zwaarder, maar de winst in de nabewerking is aanzienlijk." De nabewerking werd uitgevoerd door machinefabriek De Valk in Valkenswaard, dat veel ervaring heeft met metaalprinten, met inbegrip van het nabewerken van dergelijke werkstukken.

Het uiteindelijke werkstuk dat nu getest gaat worden. Het automotive onderdeel is in 316L geprint op de Renishaw AM400 metaalprinter die sinds dit jaar in het Objexlab Metal staat. De 3D printer kon daarmee meteen zijn meerwaarde qua groter bouwvolume bewijzen. (foto's Fontys)

Minor Smart Product Development with Additive Manufacturing

Naast hun hoofdstudie of 'major' kunnen studenten in het HBO en WO tegenwoordig een 'minor' volgen om hun horizon te verbreden. Daarbij volgen ze, nadat ze hun propedeuse hebben gehaald, cursussen bij hun eigen of een andere studierichting, of zelfs bij een andere onderwijsinstelling. Fontys biedt al enkele jaren de minor SPDAM aan: Smart Product Development with Additive Manufacturing, waaraan de laatste jaren jaarlijks ruim dertig studenten hebben deelgenomen. De studenten werken in groepen van vier tot zes. Iedere groep wordt begeleid door een docent van Fontys. Een onderdeel van de minor zijn lezingen van 3D print experts van onder meer ASML, Bosch, DSM, Nexperia en TU-Delft. Deze organisaties bieden binnen de minor 3D printen gerelateerde onderzoeksopdrachten aan.