=== 2012 SOL id e === Lezing gehouden bij Constructeursdag 2012

Transcriptie

1 === 2012 SOL id e === 2 Lezing gehouden bij Constructeursdag 2012 Goedemiddag, Ik schreef in de laatste Constructeur, dat de onstuimige groei die additive manufacturing (AM), ook bekend als 3D printing (3DP), de laatste jaren doormaakt, hoge verwachtingen heeft gewekt voor wat betreft huidige en toekomstige toepassingsmogelijkheden. De inmiddels gerealiseerde toepassingen lopen ver uiteen en hun verscheidenheid neemt voortdurend toe. Dit heeft gevolgen voor de ontwerper. Graag spreek ik met u over 3D printing in relatie tot het thema van deze dag: out of the box-ontwerpen. Indien u vraag hebt, onderbreek me gerust! U en misschien anderen aanwezigen zitten wellicht met dezelfde vragen hier, en vragen komt de levendigheid ten goede. Menigeen heeft kennis genomen van het op elkaar drukken van laagjes. Op tal van plaatsten staan 3D printers, waar ze heel verschillend worden ingezet. Die verschillen vloeien voort uit een wisselwerking tussen de plaatselijke behoefte en wat de er aanwezige printer aankan. De toepassingen variëren van eenvoudige kunststof spuugmodelletjes tot hoogtechnologische metalen productonderdelen. Een deel van de stukken ontstaat door het plaatselijk (of selectief ) vernetten van vloeibare monomeer, dat een vast polymeer doet ontstaan, een ander deel door het plaatselijk versmelten van metaalpoeder, en zo meer. 1/10

2 Het woord box doet mij in dit verband, om een mij onbekende reden, denken aan een black box. Je stopt er wat in en wat anders komt eruit. Een verklaring voor wat erin gebeurt, is bij zo n magische doos niet aan de orde. Voor veel mensen is een 3D printer een magische doos. Ze zien er wat in gestopt worden en wat anders eruit komen, met aan de ene kant tamelijk vormloze materie (poeder, vloeistof, gesmolten materiaal, vellen papier of iets dergelijks) en aan de andere klonten materiaal. Niet zo maar vormloze stukken, maar vormen die vooraf nauwkeurig zijn bepaald. We hoeven niet te weten wat er in zo n box gebeurt. Net zo min als dat we kennis moeten hebben van de werking van de laserprinter, om een tekstje van ons scherm op een velletje papier te krijgen. Dit ontbreken van enige noodzaak kennis te hebben van wat binnenin gebeurt, verklaart de populariteit aan de onderkant van de markt, die voor wat betreft 3D printing de laatste jaren haast exponentieel is gegroeid. En niet alleen apparaten, maar ook bedrijven waar men online digitale 3D vormen in kan stoppen, en waaruit na enige tijd iets tevoorschijn komt - dat dan door een postorderbedrijf tot de voordeur wordt gebracht - zijn te beschouwen zwarte dozen. Ik noem Shapeways en i.materialise, die maandelijks tienduizenden voorwerpen maken die via hun websites zijn besteld door bijna even zoveel consumenten. Daarnaast zijn er heel eenvoudige printers in de handel. De werking daarvan is zo simpel, en zo zichtbaar, dat je kunt stellen dat daarbij van een black box geen sprake is. Toch wil ik hier niet stellen, dat de ontwerper zich niets hoeft aan te trekken van de do s en dont s van 3D printing of additive manufacturing, van wat er binnenin die doos gebeurt. In mijn adviespraktijk kom ik te vaak ontwerpers tegen voor wie productontwikkeling gesneden koek is, maar geen benul hebben van productieontwikkeling. Wie het maximale uit een proces wil halen, moet dat proces kennen. Zo kun je voor een spuitgietdeel zeer geringe afwijkingsruimte afdwingen met toleranties, ook op plaatsen waar dat geen enkele nut heeft voor wat betreft de functionaliteit van het stuk. Niks aan de hand, zegt u? Als onzinnige toleranties een matrijsmaker tientallen uren extra kosten, met de bijbehorende effecten op de kostprijs en de doorlooptijd, zou dat weldegelijk uw belangstelling moeten hebben! 2/10

3 Laten we zeggen, dat we inside the box moeten gaan om uit zo n magische doos het best mogelijke te toveren, en dat we er meer uithalen als we enige kennis hebben van wat binnenin gebeurt. Daarbij moeten we niet zozeer op een andere manier ontworpen, maar moeten we wél aandacht hebben voor nieuwe, soms betere opties, en misschien een klein beetje afleren wat we gewend zijn te doen. Het gaat daarbij om opties in het ontwerpen, net zo goed als opties in het maken van een product. En zelfs opties die rechtstreeks verband houden met de eindgebruiker. Ik kom hierop terug. Zoals u wellicht hebt gelezen in de aankondiging, of als u mij langer kent, is het langs additieve weg verkrijgen van voorwerpen een van mijn belangrijkste aandachtsgebieden. Ikzelf pas het toe sinds 1997, publiceer er al meer dan tien jaar over, adviseer erover en verricht enig onderzoek, onder meer met enkele spin-offs van de universiteit in Leuven. Bij het additive vervaardigingsproces wordt materie (poeder, vloeistof, gesmolten materiaal enzovoort) plaatselijk samengebracht, waar zo een klont ontstaat. Dat samenbrengen wordt niet afgedwongen door een of andere in staal gehouwen gat, zoals bij spuitgieten het geval is, en kan telkens in een andere vorm resulteren. Probeer dat maar eens met een matrijs! Die vrijheid, de vrijheid van het 3D printen, is totaal anders dan de mogelijkheden, net zo goed als de beperkingen, die we gewend zijn. Om die vrijheid volledig te benutten, moeten we heel veel bekende zaken loslaten. We moeten outside the box gaan. Of misschien moet ik zeggen: we moeten onze box vergroten, zodat er meer in past. Voldoet onze manier van ontwerpen dan niet langer, als gevolg van een paar technologische nieuwigheden? Onzin! Zonder digitale middelen zou het ontwerpproces niet anders zijn dan nu het geval is. Het gaat om de manier waarop we het ontwerpproces invullen: met wat maken we wat? U bent vast bekend met het begrip rapid prototyping. Waarschijnlijk weet u, dat dit begrip het 3D printen van prototypes betreft, op een wijze die doorgaans in veel minder tijd tot resultaat leidt dan waartoe de modelmaker in staat is. We kunnen tegenwoordig in beduidend minder tijd dan voorheen, rapid dus, tot ons volgende ontwerp komen. Dat hangt trouwens samen met de alsmaar kortere wordende time 3/10

4 to market, de tijd om een idee om te zetten in iets tastbaars. Middels rapid prototyping kunnen we voor weinig geld en in weinig tijd ons ontwerp verifiëren, in allerlei stadia van de totstandkoming ervan, bijvoorbeeld als we alleen nog maar een conceptje hebben. Dat kunnen we in geprinte vorm, in no time voorleggen aan onze klanten. En als we heel veel klanten hebben consumenten in dat geval dan aan panels, met enkele consumenten die representatief zijn voor de hele groep. Als we verkeerd zitten met ons idee, dan krijgen we dat zo heel vroeg terug, wat niet alleen tijd, maar ook geld scheelt. Het risico veel geld te steken in iets dat niet gewild is, hoeft dus niet meer zo groot te zijn in vergelijking met zoals het vroeger eraan toeging. Het in korte tijd, op een eenvoudige manier maken van prototypes middels 3D printing vind ik anno 2012, niet outside the box. Immers, rapid prototyping is onder heel wat ontwerpers de laatste jaren gemeengoed geworden. Bedrijven komen er vandaag de dag voor uit. Halverwege het vorige decennium verzwegen ze liever dat ze rapid werkten. Ze vreesden dat de buitenwereld hen zou veroordelen om hun goedkope werkwijze die mogelijk zou worden geassocieerd met een inferieur resultaat. En er speelde nog iets. In de maakindustrie konden ze prijzen rekenen die hoorden bij de conventionele manier van werken, en het tijdsvoordeel en de extra winst konden ze door rapid te werken, ongemerkt in hun zak steken. Daarentegen worden rapid tooling en rapid manufacturing tot op heden lang niet in dezelfde mate als rapid prototyping toegepast. Verre van dat. En dat terwijl allerlei stalen productiehulpmiddelen langs additieve weg rechtreeks zijn te realiseren. Hetzelfde geldt voor eindproducten. Waarom blijft de groei ervan achter? Welnu, dat achterblijven heeft enerzijds te maken met tekortkomingen aan de desbetreffende machines en materialen, en anderzijds met tekortkomingen aan de zijde van de ontwerper. Dit licht ik u graag toe. Neem laser sintering, waarbij doorgaans polyamide-poeder wordt samengeklonterd. Als dezelfde opdracht naar dezelfde machine is gestuurd, is het resultaat lang niet altijd gelijk aan het vorige. Als de verschillen gering zijn, zouden we die kunnen opvangen door een dergelijke onzekerheid of marge in gedachte te 4/10

5 ontwerpen. Een beetje zoals landbouwwerktuigen worden ontworpen: ook al staat na verloop van tijd alles schots en scheef, en zijn stangen krom getrokken, het geheel functioneert nog steeds. Helaas zijn in het geval van laser sintering de verschillen soms dermate groot, dat een dergelijke benadering nauwelijks toereikend is. Zo kan de dichtheid van dergelijke delen aanzienlijk verschillen. Ik heb het in mijn eigen onderzoek meegemaakt, dat twee op het eerste gezicht identieke delen, bekeken met een sterke lichtbron erachter, een volkomen ander beeld geven. En dat bij naderhand aangebrachte pigmenten bij het ene deel tot een tiende van een millimeter diep zijn terug te vinden en bij het andere deel tot drietiende. Iets vergelijkbaars is te zeggen in relatie tot de gladheid van het oppervlak en van de sterkte van zulke delen. Kortom, de kwaliteit van dergelijke werkstukken is niet erg constant. Overigens, om die problematiek te beteugelen of beheersbaarder te maken, wordt momenteel gewerkt aan een ISO norm voor additive manufacturing. Een aantal Nederlandse organisaties levert daaraan een bescheiden bijdrage via NEN. Bij laser melting, waarbij metaalpoeder wordt samengeklonterd, is de dichtheid hoegenaamd volledig. Daarom wordt dat proces laser melting genoemd, en niet laser sintering, terwijl in essentie geen verschil tussen deze twee processen bestaat. Overigens, het is niet onmogelijk om, uitgaande van polyamide, stukken te printen met een hoegenaamd volledige dichtheid. Daarbij spelen andere nadelen echter een rol. Bijvoorbeeld meer vervorming als gevolg van plaatselijke warmteophoping. Immers, een laser doet poeder smelten. Hoe hoger het smeltpunt ligt en hoe meer versmelting plaats vindt, des te meer energie wordt ingebracht. Dat kan de bouwtijd nadelig beïnvloeden en tot aanzienlijke vervorming leiden, en bij asymmetrische delen zelfs in kromgetrokken stukken resulteren. Dat vereist dat de ontwerper, zeker in geval van laser melting kennis heeft van het vervaardigingsproces, met inbegrip van alle beperkingen. De meeste ontwerpers ontberen die kennis nog. Dat is niet zo gek, al is het maar omdat veel kennis nog niet is uitgekristalliseerd en bovendien nog niet is vertaald in handige ontwerphulpmiddelen, in de sfeer van CAD en CAM. Sterker, de meeste CAD producten zijn gebaseerd op conventionele bewerkingen, zoals draaien en vrezen. Die bewerkingen zijn beschikbaar als rechtlijnige en draaiende extrusies, zij het, dat in het virtuele domein in beginsel geen materiaal 5/10

6 wordt verwijderd (de subtractieve benadering) maar het tegengestelde plaats vindt 152 (de additieve benadering). In mijn laatste onderzoek heb ik vastgesteld, dat om de vormvrijheid die 3D printing biedt volledig te benutten, de ontwerper vooralsnog ook gebruik moet maken van software voor het maken van onder meer animatiesoftware, bijvoorbeeld 3DS Max van Autodesk. Of van CAD-achtige pakketten die zijn ontwikkeld uitgaande van meer vormvrijheid bij de vervaardiging, zoals Rhino. Maar ja, Rhino is nogal dom. Ik bedoel hiermee te zeggen, dat dit pakket de bouwwijze van een vorm vergeet en het dus niet mogelijk is een vormbepalend onderdeel dat eerder is verwerkt te vervangen door een ander, waarna alle bewerkingen die erna op zijn uitgevoerd, op de aangepaste vorm worden gedaan. Zo is het evenmin mogelijk met variabelen te werken. Goed, invoegtoepassingen voor Rhino, zoals Grasshopper, ondervangen dit enigszins, maar niet in de mate die resulteert in de mogelijkheden die wat dit betreft bekend zijn uit gangbare, conventionele CAD pakketten. Autodesk zou op dit vlak richting kunnen geven. Het heeft Inventor voor CAD en 3DS Max voor animatie. Het zou handig zijn sommige tools uit 3DS Max voorhanden te hebben in Inventor. Dan zijn veel meer vrije vormen mogelijk. Maar die zijn niet nauwkeurig, wordt er vaak geroepen. Hoe nauwkeurig heb je vrije vormen nodig, vraag ik me dan af. Als je de nauwkeurigheid maar hebt op plaatsen waar die er toe doet, bijvoorbeeld waar meerdere onderdelen ineenvallen. Verder hoeven niet alle organische vormen als door een beeldhouwer gevormd tot stand te komen. Het is ook mogelijk om bestaande vormen 3D te scannen, en de gescande informatie om te zetten in 3D te printen data. Dat lijkt u misschien niet relevant, maar laat ik u dan wijzen of de hoortoestellen van het type dat in het oor wordt geplaatst in plaats van erachter. Hoortoestelproducent Phonak print die allemaal in onder invloed van laser uithardende vloeistof. Die vormen zijn grillig, zonder dat er virtueel beeldhouwen aan te pas is gekomen. Laat ik in dit verband SolidThinking noemen, van Altair, een soort Rhino, met minder mogelijkheden om vormen te bewerken, maar wel met beduidend meer geheugen voor wat betreft de totstandkoming van vormen. De reden dat ik SolidThinking hier 6/10

7 aanhaal, betreft echter een invoegtoepassing waarbij eindige elementen een rol spelen. Het is mogelijk om een envelop te definiëren, zegmaar een virtuele doos om het te creëren deel heen. Daarbinnen kan met aangeven waar welke krachten en momenten spelen. Aansluitend kan men de software op te dragen een vooraf in te stellen percentage uit deze doos te nemen, daar waar de bijdrage aan de sterkte en stijfheid het geringst is. Het resultaat is vaak een ruwe, als organisch materiaal aandoende vorm. Door dat resultaat als onderlegger te nemen in een CAD omgeving, is met die informatie een veel strakkere vorm te maken. Zulke vormen zijn doorgaans nog ietwat grillig en lenen zich niet erg voor conventionele bewerkingsprocessen, zoals ik noemde ze al draaien en vrezen. Middels 3D printing zijn dergelijke vormen echter wel goed realiseerbaar. Niet alleen onze kennis, maar ook de beschikbare hulpmiddelen schieten dus nog te kort om uit deze nieuwe vervaardigingprincipes alles te halen wat erin zit, al zijn er nu al wel tal van mogelijkheden voorhanden om ietwat improviserend wél tot resultaat te komen. Verder noem ik hier de hybride oplossingen, want het gaat niet om een keuze tussen alles middels de ene techniek of alles op de andere manier. Combinaties kunnen minstens zo interessant zijn, waarbij sommige delen bijvoorbeeld middels draaien, frezen of spuitgieten worden verkregen, en andere middels additive manufacturing. Dat is zeker interessant bij gepersonifieerde producten in het kader van customization. Hierop kom ik terug. Verder is in opkomst het platen van geprinte kunstsof delen. Niet alleen met een dunne laag om ze mooier te maken en het oppervak af te sluiten voor bepaalde omgevingsinvloeden, maar ook met een dikke laag om ermee lichte, stijve delen te realiseren. Ook daarin zitten nieuwe kansen voor de ontwerper. Geprinte reserveonderdelen wil ik in dit verband niet onvermeld laten. Het printen van reserveonderdelen biedt namelijk belangrijke voordelen ten opzichte van de klassieke benadering, te weten het maken en op voorraad houden van grote hoeveelheden artikelen. Dat maken kost geld, dat opslaan ook. En als na jaren geen reservedelen meer nodig zijn, en er zijn er over, dan zijn die voor niks gemaakt. 7/10

8 Weggegooid geld dus. En bovendien, wat als tijdens het gebruik blijkt dat een onderdeel niet optimaal is ontworpen, waardoor het niet voldoet. Het breekt of ligt slecht in de hand, of iets dergelijks. Dan is het weinig zinvol dergelijke onderdelen te vervangen door dezelfde onderdelen. Het is veel zinvoller om eerst het ontwerp aan te passen om zo het product een update te geven, zoals dat met software heel gebruikelijk is. Daarbij bestaat de behoefte uit kleine series die geleidelijk tot stand komen, namelijk op het moment dat er een concrete vraag ligt. Daarvoor is spuitgieten, met z n nauwelijks veranderbare matrijs, ongeschikt. Voor het klantorder-gestuurd vervaardigen van delen leent 3D printing zich veel beter. Het klantorder-gestuurd vervaardigen brengt me bij mijn laatste punt, een die in het kader van outside the box hier erg op zijn plaatst is. In het begin van de industrialisatie gold: een voor allen. Later werden de productiemiddelen beter en gold: een voor velen, mede dankzij de computer. Inmiddels kunnen ook consumentenproducten, van oudsher massaproducten, klantorder-gestuurd tot stand komen. Dat kan dankzij de computer in combinatie met het Internet. Consumenten communiceren erbij rechtsreeks met producenten. Gevraagd naar de betekenis hiervan voor de ontwerper spreek ik hier de verwachting uit, dat de ontwerper met meer variatie te maken gaat krijgen. Die variatie gaat niet alleen hijzelf in het productenaanbod brengen, maar ook de consument, binnen de marges die de ontwerper ervoor zal laten. Daartoe zal de ontwerper sjablonen vaststellen, waarbinnen de consument (een individu, net zo goed als een professional) de eindvorm van één exemplaar bepaalt. Dat vereist een ietwat andere inrichting van de producten productieontwikkeling. Ontwerpers moeten de permutatie, oftewel het totaal van mogelijke uitvoeringsvormen, daarbij kunnen overzien. Zo nodig moeten ze die stuk voor stuk kunnen evalueren. Daarvoor is nieuwe software nodig. Dat is bij veel combinatiemogelijkheden geen sinecure, zeker gelet op de beperkte ruimte die sommige productnormen vandaag de dag op dat vlak geven. Het digitaal testen van de varianten ligt daarbij voor de hand, dat uiteraard niet interessant is in het geval van kleurverschillen, maar wèl als vormverschillen van invloed zijn op het fysieke gedrag van een product en zijn interactie met de omgeving. Kortom, ik zie genoeg aanleiding om te stellen dat de rol van menig 8/10

9 ontwerper zal veranderen. Additive manufacturing is, net als customization, echter nog jong en dus is de uiteindelijke vorm ervan nog geen uitgemaakte zaak. Hier, onder constructeurs, lijken mij nog de volgende vragen op hun plaats. Biedt 3D printing' belangrijke constructieve voordelen, zoals lichtere, sterkere en stijvere constructies? En hoe zit het met de kwaliteit van zulke delen? Bij dure prints, zoals die van staal, is de kwaliteit dik in orde. Daarom zie je laser melting toegepast in het geval van kunstheupen, kunstknieën en zelfs kunstkaken, net zo goed als bij de totstandkoming van uiteenlopende warmtewisselaars. De kwaliteit van het resultaat is stabiel en in het geval van bijvoorbeeld warmtewisselaars gemakkelijker en goedkoper te realiseren dan langs conventionele weg. Bovendien, met vormen die voortkomen uit een optimalisatie naar de bijdrage van het materiaal aan sterkte en stijfheid, zijn voorwerpen lichter uit te voeren dan voorheen. Voor gereedschappen is het interessant. Denk aan geprinte matrijsdelen en mallen. Ook stereolithografie wordt in dat verband steeds valer toegepast, bikkelhard door na het toevoegen aan het bad van keramisch poeder. Ik heb echter aangegeven dat bij bijvoorbeeld selective laser sintering de kwaliteit niet erg constant is. Om dergelijke delen in eindproducten toe te passen, vereist dat ze flink worden overgedimensioneerd, zeker als hun rol de constructie betreft. Die onzekerheid is nog grote bij combinaties van technieken. Neem het in kunststof printen van draagarmen, waarbij de binnenzijde is gevuld met een soort spons, die zwaarder en dichter is waar de op de arm inwerkende krachten groter zijn. Zo n geheel is verder te versterken door het aanbrengen van een dikke laag metaal op het oppervlak. Echter, veel van dit soort zaken staan nog in de kinderschoenen, en dat geldt helemaal voor normen om alle onzekerheden te beteugelen. Ergo, blijf op de hoogte van alle ontwikkelingen, experimenteer er mee en waar mogelijk, pas ze toe. Ik help u daar graag bij. Samenvattend, nieuwe technische mogelijkheden en vooral toepassingsmogelijkheden zullen nieuwe producten voortbrengen, net zoals de stoommachine, de computer en het Internet deden. Aandacht voor de toepassing is 9/10

10 van groot belang, omdat een 3D printer een hulpmiddel is, niet meer en niet minder. 272 Alleen de toepassing kan leiden tot succes. 10/10