Identificeren van Killer Applicaties voor Additive Manufacturing

Transcriptie

1 Identificeren van Killer Applicaties voor Additive Manufacturing Sjef van Gastel, Lectoraat Innovatieve Productietechnologie, Fontys Hogeschool Engineering 1

2 Inleiding: Fontys Hogescholen en Objexlab 2

3 Fontys Hogescholen Ca. 30 instituten Ca studenten Ca medewerkers 3

4 Fontys Hogeschool Engineering Fontys Hogeschool Engineering Mechanical Engineering ( 700 students) Mechatronics ( 400 students) Electrical Engineering ( 500 students) 4

5 Leerlijnen curriculum 5

6 Laboratoria Objexlab (3D printen) Fuel Cell Lab Energie & Proces Lab Productietech. Lab Mechatronics Robotics Materialen Lab Sustainability Lab Meet- en Regel Lab 6

7 Founding Partners 7

8 Objexlab Business Model EDUCATION: Bachelors, Minors Courses Workshops Training VO, MBO, HBO, HBO+ Internships, Graduation, Promotion, Entrepreneurship APPLIED RESEARCH: Design Rules, Guidelines Thermal Engineering Test & Analysis Parameter Research Product Properties Material Properties SME, OEM and P in E PROJECTS: Prototyping Design & Engineering Low Volume production SME, OEM, PARTNERS Teachers Professors Students Trainees Companies DEMO CENTER: Promotion Facility Sharing Demo machines/processes INDUSTRY 8

9 PROJECTEN Rapid Prototyping, Ontwerp en Engineering 9

10 Toegepast onderzoek Field Lab 3DMM 3D Project ASML KSC Mold Printing (hybrid) Redesign cooling water distributor 10

11 Onze faciliteiten Scanner Cubify Sense Form 1 SLA Dimension FDM Fortus 400 FDM Object Polyjet SolutionX Rexscan Ultimaker 2 FDM (bay) 5 x Makerbot Replicator 2X FDM Prusa FDM Uprint FDM Concept Laser M3 SLM 11

12 SOFTWARE Benchmark Research 12

13 Seminars - Conferenties ABNAMRO World Tennis Tournament Rapid Pro 2015 Hannover Messe 2015 RTL Z Masterclass Symposium 3D printing and Logistics 3D printing materials conference 3D printing design and engineering Symposium Gemeente Helmond Wonderlab Mikrocentrum OST Gezonde Toekomst Rotary Club Weert Ewals Cargo Care DDW/DTW Spark Tech Lab Precisiebeurs Fontys Science Event High Tech Event ING Bank Rabobank Metaalhuis ESA ESTEC Vanguard Initiative EU Additive World University 3Dprint EU (Windesheim) 3D PrintEvent Teqnow 8 October 2015 Fontys Objexlab RAbdoel 13

14 Publicaties / artikelen 14

15 Samenwerking (Raad van advies) 15

16 Cursusmodules Additive Manufacturing (1/2) 1. Inleiding Additive Manufacturing (AM) 2. Onderzoek vaardigheden 3. Topologie optimalisatie (incl. toepassing van Altair Inspire en Femap) 4. Ontwerpregels voor AM 5. Procestechnologie FDM en SLM printproces 6. Reverse Engineering 7. Materiaalkundige aspecten van AM 8. Onderzoek en testen van geprinte onderdelen 9. Productietechnologie van AM 10. Identificeren van AM Killer Applications 16

17 Cursusmodules Additive Manufacturing (1/2) 11. Projectmanagement en workflowmanagement voor AM 12. Economische aspecten van AM 13. Vergelijking conventionele productietechnologie met AM a. Vergelijking materiaaleigenschappen b. Vergelijking kostprijs en doorlooptijd c. Mogelijkheden voor post-processing bij AM d. Hybride technologie (o.a. reparatie van defecte machineonderdelen met AM) 14. Overzicht van AM technologieën en machines a. Aanschafcriteria b. Kwalitatief en kwantitatief vergelijkingsoverzicht 15. Productievoorbereiding en slicing (o.a. gebruik van Magics ) 16. Toekomst van AM (mede in relatie met Industry 4.0 ) 17

18 Identificatie van voor additive manufacturing 18

19 Vergelijking subtractieve met additieve productietechnologie Subtractief (Conventioneel bewerken) Materiaal eigenschappen gegarandeerd Meerdere processtappen Beperkte vormgevingsvrijheid Slechtere buy-to-fly verhouding Hoogste kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit) Additief (3D printen) Materiaal eigenschappen zijn resultaat van zowel uitgangsmateriaal als van 3D printproces Beperkt (geringer) aantal processtappen (Bijna) onbeperkte vormgevingsvrijheid (Nog) Beperkte kwaliteit (toleranties, oppervlaktekwaliteit) 19

20 Vergelijking conventionele productietechnologie met 3D printen Kostprijs per stuk Kostprijs per stuk Levertijd Complexiteit Seriegrootte Complexiteit Conventionele productietechnologie 3D Printen 20

21 Status 3D printen (AM) voor machinebouw Veelbelovende nieuwe productietechnologie Verkorting time-to-market Zeer grote vormgevingsvrijheid Potentieel voor lagere productiekosten Grote mate van onbekendheid bij het bedrijfsleven Aarzeling om AM technologie toe te gaan passen ( onbekend maakt onbemind ) AM technologie is nog volop in ontwikkeling ( wanneer instappen? ) Eerste toepassingen voornamelijk van FDM technologie (prototypes) De meeste constructeurs zijn (nog) niet bekend met de mogelijkheden en beperkingen van 3D printen 21

22 De uitdaging.. 22

23 Onderscheidende eigenschappen van additive manufacturing Maatwerk onderdelen Voorbeelden: Medische toepassingen, reverse engineering onderdelen (reserve onderdelen) Vormgevingsvrijheid ( Freeform parts ) Gekromde gaten en kanalen in onderdelen Rasterpatronen Vrij gekromde oppervlakken Massareductie & stijfheidsoptimalisatie Materiaal alleen daar aanbrengen waar noodzakelijk (topologie optimalisatie) Sprieten en rasters Variabele materiaaldichtheid Integratie van functies Elastische scharnieren / manipulatie-elementen / intelligente structuren Specifieke materiaaleigenschappen Voorbeeld: Anti reflecterend (mat) oppervlak voor optieken Voorbeeld: Porositeit van gesinterde (SLS) onderdelen 23

24 Topologie optimalisatie in ontwerpproces Topologie optimalisatie: Materiaal alleen daar plaatsen waar het waarde toevoegt 24

25 Topologie optimalisatie: Stap 1 Bron: EADS (DE) ontwerpruimte en randvoorwaarden vaststellen 25

26 Topologie optimalisatie: Stap 2 Bron: EADS (DE) Optimaliseren van sterkte en (eventueel) stijfheid 26

27 Topologie optimalisatie: Stap 3 Optimaliseren voor Additive Manufacturing Minimaliseer benodigd support Optimale print oriëntatie Minimaal support Minimale printtijd Opspanmogelijkheden voor nabewerking Bron: EADS (DE) Optimaliseren voor maakbaarheid 27

28 Topologie optimalisatie: resultaat Bron: EADS (DE) 28

29 Topologie optimalisatie: voorbeeld (1) Case 1 Uitgangssituatie: ophangoog met krachtvector Resultaat topologie optimalisatie (FEMAP): 50% massa reductie bij gelijkblijvende sterkte Case 2 Uitgangssituatie: lagerblok Na topologie optimalisatie Na herontwerp en printen Uitgevoerd door Fontys student in kader van stage Additive Manufacturing (voorjaar 2015) 29

30 Topologie optimalisatie: voorbeeld (2) Assembléon Hybrid3 pick & place machine TPR robot uph per robot Herontwerp Assembléon TPR robot: Lichtere & stijvere slede Luchtlagers Doel: uph 30

31 Topologie optimalisatie: voorbeeld (2) 1. Assembléon (origineel: gelast uit plaatstaal) 2. Inspire model (topologie optimalisatie) 3. Iteratie 1 (herontwerp) 4. Iteratie 2 (verdere T.O. en herontwerp) Uitgevoerd door Fontys studenten in kader van minor Additive Manufacturing (voorjaar 2015) 31

32 Topologie optimalisatie: voorbeeld (3) Oorspronkelijk ontwerp (gefreesd): Cargo door actuator beam (Airbus A350) Topologie optimalisatie van oorspronkelijk ontwerp Geoptimaliseerd ontwerp voor verspanen Geoptimaliseerd ontwerp voor gieten Geoptimaliseerd ontwerp voor 3D printen Bron: Airbus (DE) 32

33 Topologie optimalisatie: GE Bracket design contest Top 10 solutions Winning design You need almost an artistic approach to design, the ability to model and analyze structures, and also the knowledge to pick the right materials and the correct manufacturing equipment. There is a lot that goes into the mix, and collaboration is the perfect tool for finding the best solution. (Michael Idelchik, Director Advanced Technologies Research at GE) 33

34 Voorbeeld AM toepassingen: Implantaten Kom voor heup implantaat ( ARCAM, SE) Kaakimplantaat ( BIOMED, NL) Schedelimplantaat ( Materialise, BE) Gepersonaliseerde implantaten Op maat gemaakt: Optimale pasvorm binnen het lichaam Betere aanhechting Betere acceptatie (minder afstotingsverschijnselen) 34

35 Voorbeeld AM toepassingen: Machineonderdelen Brandstof nozzle (GE, USA) Warmte dissiperende oppervlakken (Delphi, USA) Reserveonderdelen klassieke auto (Metric Wrench, USA) Integreren van functies van meerdere onderdelen in één onderdeel Gewichtsbesparing Optimaliseren van structuren (topologie optimalisatie) Gekromde gaten / kanalen Kostenreductie (integraal) 35

36 KILLER APPLICATION Identificatie (workshop) 36

37 Additive Manufacturing: Killer Applications Toepassen van de mogelijkheden van AM om competitieve voordelen te bereiken die op basis van conventionele bewerkingstechnologie niet haalbaar zouden zijn. Voorbeeld: X-ray collimator uit Wolfram (Smit, Best, NL) 37

38 Vragen (eerste ronde): Inventariseren 1. Wat zijn de onderscheidende karakteristieken van de producten van uw bedrijf t.o.v. uw concurrenten ( competitive edge )? 2. Hoe realiseert u dit onderscheid? a. Typische productkenmerken die het onderscheid bepalen? b. Welke (onder)delen van uw product(en) zijn bepalend hiervoor? 3. Zijn er typische kenmerken van AM (kortere TTM, customizing, vormgevingsvrijheid, massareductie, integratie van functies) die uw onderscheidend vermogen zouden kunnen versterken? 4. Zo ja: welke (onder)delen komen hiervoor in aanmerking? 38

39 Gazelle: Competitive Edge 39

40 Gazelle: Damesfiets 40

41 Gazelle: Damesfiets 1. Zijn er typische kenmerken van AM (kortere TTM, customizing, vormgevingsvrijheid, massareductie, integratie van functies) die het onderscheidend vermogen (licht fietsen, slim design, robuuste kwaliteit) zouden kunnen versterken? 2. Zo ja: welke (onder)delen komen hiervoor in aanmerking? 41

42 Vragen (tweede ronde): Kiezen 1. Kunt u de potentiële voordelen van de geïdentificeerde (onder)delen nader kwantificeren (bij voorbeeld: mogelijke kostenbesparing, doorlooptijdverkorting, prestatieverbetering)? 2. Ranking van de gevonden mogelijkheden, waarbij een afweging gemaakt wordt van inspanningen / risico s versus de potentiële opbrengsten? 3. Keuze meest veelbelovende toepassing voor AM 4. Hoe hiermee verder? 42

43 Voorbeeld: Empire MX6-EVO ATB SLM printed parts (Ti) 43

44 Herontwerp zadelpen voor AM Bouwplaat SLM printer Herontwerp frame: 2.1 kg 1.4 kg (-33%) 44

45 Voorbeeld: MAPAL metaalboren Onderscheidende karakteristieken MAPAL QTD boren: Hogere productiviteit (spaanafname) Betere koeling (geïntegreerde koelspiralen) Geoptimaliseerde spaanafvoer Grotere koelmiddelflow (+30%) Hogere beschikbaarheid (sneller wisselen) Compactere voet (snelspaninrichting) Lagere massatraagheid Langere levensduur Betere koeling 45

46 Voorbeeld: MAPAL QTD metaalboren Compacte 3D geprinte booropname met geïntegreerde koelkanalen 3D printen van QTD boren (SLM proces) 46

47 Voorbeeld: Manifold voor wafer steppers Bron: ASML (NL) 47

48 Voorbeeld: Manifold voor wafer stepper Massareductie van 50% Geoptimaliseerde vloeistoffenstroom Reductie van stoorkrachten op wafer stage (factor 10) Kostprijsreductie Maximale stijfheid door topologie optimalisatie Bron: ASML (NL) 48

49 Vragen? 49

50 Meer weten? Neem dan contact met mij op: Ir. Sjef van Gastel Fontys Hogeschool Engineering Rachelsmolen 1 Eindhoven (NL) Tel: Mail: s.vangastel@fontys.nl 50