Door Marjolein de Wit-Blok
Het oorspronkelijke artikel verscheen in het tijdschrift Constructeur en is online beschikbaar.
Paro Software organiseert een rondetafelgesprek
Tijdens een mini-symposium van de Vereniging Hydrauliek Platform (VPH) afgelopen zomer bleek uit twee presentaties dat 3D-printen ook een producttechniek is met mogelijkheden op dit gebied. Of die mogelijkheden op korte termijn voldoende zijn voor grootschalige toepassing is een ander verhaal. Daarom een 'ronde tafel' met Marc Paro van Paro Software, Adri Overbeeke van Hydrauvision en Job van Berkel van Mazak over de verschillende perspectieven.
Hydrauvision is een gespecialiseerd bedrijf in hydraulische aandrijftechnologie en was Adri Overbeeke een van de sprekers op het VPH symposium. Het bedrijf was een van de deelnemers aan het Europees CompoLight project dat liep van november 2008 tot oktober 2011. Het project onderzocht onder andere het 3D-metaalprinten van spruitstukken en onthulde verschillende interessante eigenschappen. Dat begint met het oorspronkelijke doel van 3D-printen: rapid prototyping - even snel een plastic model produceren dat dan op zijn minst op functionaliteit getest kan worden. Bij stuurblokken beperkt het gebruik van plastic de mogelijkheden om het model op volle druk te zetten, maar het juiste verloop van de verschillende gangen in het blok kan wel gecontroleerd worden.
Zeg nooit nooit
Toch is het geen productietechniek die Marc Paro, directeur van Paro Software, in korte tijd zal omarmen. Paro is gespecialiseerd in de engineering van stuurblokken. Dit begint met het opstellen van een hydraulisch schema dat vervolgens wordt omgezet in een 3D-model dat de basis vormt voor het uiteindelijke CNC-programma. Door de deels automatische omzetting van schema naar model wordt de kans op fouten in de uiteindelijke productietekening geminimaliseerd. Een belangrijk voordeel gezien de productietijd die bij een complex stuurblok enkele uren kan bedragen. First-time-right productie is meer dan wenselijk.
Marc Paro: "Ik sluit nooit iets uit. Daarvoor is het voorbeeld van Steve Ballmer te bekend."
Marc Paro verwijst hier naar hoe Steve Ballmer, de toenmalige CEO van Microsoft, lachte toen hem in een interview werd gevraagd of de iPhone ooit een aanzienlijk marktaandeel zou krijgen. Ballmer was er zeker van dat die dag nooit zou komen en verklaarde dat er geen kans was dat het zou gebeuren.
Marc vervolgt: "Waar veel mensen dachten dat een telefoon zonder fysiek toetsenbord echt niet zou winnen, leert de huidige tijd anders. Laat ik dus niet degene zijn die zegt dat 3D-printen niet zal werken in de manifold-industrie."
Kern van de zaak
Maar hij denkt niet dat de voordelen van 3D-printen voldoende onderscheidend zijn voor de productie van spruitstukken. Zeker niet wat de doorlooptijd betreft.
Marc Paro: "Een hydraulisch schema ontwerpen, dit omzetten in een model en dan een programma - dit zijn allemaal processen die blijven bestaan. Of je nu een programma maakt voor uw CNC-machine of jouw 3D-printer. Wat de 3D-productie zelf betreft, denk ik niet dat het tijdbesparend is, en zelfs als dat het geval is, denk ik niet dat dit significant is, zeker niet gezien het feit dat spruitstukken vaak in kleinere aantallen worden geproduceerd, zelfs regelmatig als enkelstuks, zodat de wet van de grote aantallen hier niet van toepassing is."
Job van Berkel, algemeen directeur van Yamazaki Mazak Europe voegt hieraan toe: "In dat opzicht werken we momenteel aan delen van het totale proces waar grotere tijdbesparingen mogelijk zijn. De aandacht voor ons als machineleverancier gaat momenteel uit naar de nabewerking. Dus een snelle en foutloze conversie van een CAM-bestand naar een definitief CNC-programma. Daarmee zou je een van de meest tijdrovende onderdelen van conventioneel bewerken kunnen verminderen, en dat is waar het om draait."
Gratis ontwerp
Adri Overbeeke, die namens Hydrauvison betrokken was bij de CompoLight, voegt hieraan toe: "De resultaten van dit onderzoek zijn nu tien jaar oud en dus niet meer actueel wat betreft de haalbare doorlooptijden. Ik denk dat je ervan uit kunt gaan dat het printen zelf nu sneller gaat. Op basis van het onderzoek kan ik dus geen concrete cijfers geven, maar er zijn andere voordelen die uit het onderzoek gedestilleerd kunnen worden die specifiek te maken hebben met de manier waarop een product uit lagen wordt opgebouwd. Met name het vrije ontwerp is een eigenschap die voordelen kan opleveren bij het ontwerpen."
Voor stuurblokken betekent een vrij ontwerp dat de ingenieur niet langer gebonden is aan de beperkingen van traditionele bewerking. Bijvoorbeeld het feit dat een boormachine alleen rechte gaten kan boren.
Adri Overbeeke: "Integendeel. Met een ontwerp voor additive manufacturing kun je de gangen optimaal ontwerpen, bijvoorbeeld door alle (rechte) hoeken te vermijden, wat weer bijdraagt aan een optimale stroming en minimale drukval. Er zijn ook geen openingen die onvermijdelijk zijn bij het aanbrengen van boorbewerkingen en het later moeten afdichten met doppen, en het vrije-vorm ontwerp kan voorkomen dat je complexe oplossingen moet bedenken wanneer twee kanalen elkaar op hetzelfde punt kruisen, wat een van de problemen is die we destijds in een proefontwerp hadden opgelost door de kanalen zo te ontwerpen dat ze langs elkaar konden lopen zonder een en dezelfde doorsnede te kruisen."
Duizenden boorbeelden
Marc Paro is het eens met dit kenmerkende voordeel: "Heel duidelijk. Het enige is dat de voordelen groot genoeg zijn om in AM te investeren, en dat omslagpunt is volgens mij nog niet bereikt."
Job van Berkel: "Op dit moment is er bijvoorbeeld veel kennis beschikbaar over de optimale productie van stuurblokken door middel van machinale bewerking en over de materialen. We weten bijvoorbeeld dat een vijfassige CNC-bewerking met een groot gereedschapsmagazijn in staat is om blokken met honderden tot duizenden boorbeelden te produceren, want vergis je niet, dat is het aantal waar het bij een complex stuurblok om gaat."
Marc Paro: "Ontwerp voor functionaliteit en, zoals Job al aangaf, een probleemloze conversie naar een CNC-programma. Als en wanneer je zou overstappen op AM, dan zou je daar veel voordelen uit moeten kunnen halen om de bijbehorende kosten te rechtvaardigen, en de tijd die nodig is om kennis en ervaring op te bouwen in het werken met deze nieuwe productietechniek om de investering haalbaar te maken."
Grote gegevens
Marc Paro filosofeert verder: "Als we uiteindelijk verder zouden gaan met AM, zou ik geloven in de mogelijkheden van Big Data. Als je alle ontwerpen die je maakt zou opslaan in een database, dan zou je steeds meer kunnen vertrouwen op bestaande ontwerpen, wat de engineeringstijd verkort. Als je dan op een snelle manier tot een definitief ontwerp komt en de tijd die nodig is om tot een 3D-printbestand te komen beperkt is, dan kun je qua doorlooptijd stappen maken, denk ik, maar helaas bestaat die database nog niet en ik begrijp dat er in principe ook de nodige tijd gereserveerd moet worden voor de stap van ontwerp naar programma voor een 3D-printer."
Gewicht dat de weegschaal doet kantelen
Een tweede belangrijk voordeel dat uit het onderzoek van Adri Overbeeke naar voren kwam, is de mogelijkheid om het gewicht van een stuurblok met AM drastisch te verminderen;
Adri Overbeeke: "Een essentieel verschil tussen AM en verspanen is immers het feit dat er materiaal wordt verwijderd tijdens het verspanen, terwijl AM juist wordt gebruikt om materiaal toe te voegen. Het liefst zo weinig mogelijk in verband met de productietijd. Voldoende materiaal om alle verwachte krachten te kunnen opvangen, maar niet meer het eindresultaat is een gewichtsbesparing die - op basis van simulaties in de studie - kan oplopen tot 80%, dat zijn percentages die ertoe doen, in toepassingen waar gewicht een rol speelt, bijvoorbeeld in de lucht- en ruimtevaart, kan dit een onderscheidend voordeel zijn."
Als doorlooptijd secundair is
De eindconclusie aan tafel is dat AM pas interessant wordt voor hydraulische stuurblokken als de specifieke voordelen, zoals een vrij en compact ontwerp en gewichtsbesparing, opwegen tegen de doorlooptijd. De voordelen zijn in ieder geval niet om de doorlooptijd te verkorten.
Adri Overbeeke: "In principe wordt de doorlooptijd bepaald door het materiaal dat je kiest - kunststof of metaal - en het volume dat je moet printen. Dit betekent dat de grootte van het stuurblok echt cruciaal is voor de productiesnelheid, die bij machinale bewerking een iets minder belangrijke rol speelt. Dit betekent dat voor kleinere producten het omslagpunt eerder bereikt kan worden, maar vooral in het geval van spruitstukken waarbij een ontwerp nodig is dat niet met machinale bewerking bereikt kan worden."
Overbeeke vervolgt: "Een ander voordeel zou kunnen zijn dat je je stuurblok via AM overal ter wereld kunt afdrukken, wat een verschil kan maken in geval van nood. Je stuurt het bestand gewoon naar een locatie in de buurt, waar het vervolgens op locatie wordt afgeleverd. Natuurlijk moet zo'n machine beschikbaar zijn, maar in tegenstelling tot CNC-bewerking denk ik dat er minder kennis nodig is om het product uiteindelijk te produceren, omdat bijvoorbeeld het sturen van een CNC-programma niet automatisch tot het gewenste eindresultaat leidt omdat de kennis en vaardigheden van de operator ter plaatse vereist zijn."
De tijd is nog niet rijp
Marc Paro: "Ik denk dat we verder kunnen concluderen dat de technologie in principe geschikt is, maar dat de tijd misschien nog niet rijp is voor echte toepassingen. Wederom omdat de markt voor hydraulische stuurblokken relatief klein is en de batchgroottes beperkt zijn. Daarnaast denk ik dat er ook meer kennis en ervaring opgebouwd moet worden over de betrouwbaarheid van de kwaliteit waarmee je produceert. Ik kan me voorstellen dat het over tien tot twintig jaar gemeengoed is, maar ik denk niet dat je je als 'blokfabriek' zorgen moet maken."
