Inleiding "De tijd dat we thuis een auto printen en in elkaar schroeven ligt nog ver voor ons. Maar onderdelen van die auto thuis downloaden en printen; dat ligt in de nabije toekomst" Kees Buijsrogge (TNO Industrie & Techniek) 1 Bovengenoemd citaat lijkt een droom, maar soortgelijke uitspraken hoor je steeds vaker. Voor ons een reden om eens nader naar de productietechniek Rapid Manufacturing te kijken. Het bedrijf Materialise uit Leuven werd ons daarvoor aangeraden. Zij zijn de grootste op het gebied van Rapid Manufacturing. Allereerst is er gekeken naar de verschillende technieken op het gebied van Rapid Manufacturing. Dit wordt behandeld in het onderdeel Taxonomie. Hier worden onder andere de volgende vragen beantwoord: Wat is er allemaal mogelijk? Welke materialen worden er gebruikt? Welke toleranties zijn haalbaar? Vervolgens zijn we bij Materialise langs geweest om de, voor ons nog, onbeantwoorde vragen te beantwoorden, en een goede indruk te krijgen over alles wat er bij de techniek komt kijken. In Bijlage I vindt u een visuele weergave van ons bezoek aan Materialise. Na ons bezoek aan Materialise hebben zijn we gaan nadenken over een geschikt concept welke met behulp van Rapid Manufacturing gemaakt kan worden. Hier wordt aan het eind van het verslag nader op teruggekomen. Tenslotte wordt daar ook de productie driehoek uitgewerkt voor de gekozen methode. Figuur 1: Hoofdkantoor Materialse 1 Citaat uit een artikel in het tijdschrift Management Team (13 11 2008, geschreven door Ewald Smits) na te lezen op: http://www.mt.nl/artikel/1686424/rapid_manufacturing.html Pagina 2
Inhoudsopgave Inleiding... 2 Over Materialise... 4 Taxonomie... 5 Selective Laser Sintering... 6 Solid Ground Curing... 8 Stereolithography... 9 3D mold prototyping... 12 Fused deposition molding... 13 Concept... 15 Productie driehoek... 16 Functie... 16 Kwaliteit... 18 Kosten... 19 Eindconcept... 20 Conclusie... 23 Bijlage I: visuele weergave bezoek Materialise... 24 Bijlage II: Productie middelen bij Materialise.... 25 Bijlage III: Materiaal mogelijkheden SLS... 27 Bijlage IV: Reactie Materialise op CustoMouse.... 28 Pagina 3
Over Materialise Materialise is een bedrijf dat in samenwerking met de universiteit van Leuven in 1990 is opgestart. Naast dat Materialise de grootste capaciteit aan Rapid Prototyping apparatuur heeft, staat het ook bekend als leverancier van innovatieve software oplossingen. Ze hebben vestigingen in Europa, Azië en Amerika, maar het hoofdkwartier zit nog steeds in Leuven. Op dit moment is het maken van prototypen de grootste bezigheid binnen Materialise. Echter gaan ze steeds meer inspelen op de nieuwe trend van customization, door middel van customized Rapid Manufacturing. Dit omdat zij verwachten dat in de nabije toekomst hier veel meer vraag naar is. Er vindt dus een verschuiving plaats van Rapid prototying naar Rapid Manufacturing. Materialise bestaat nu uit vier afdelingen: Materialise Industrial Services Deze afdeling biedt tal van technieken om prototypes te produceren. Hiermee helpt Materialise dus productontwikkelaars met het ontwerpen van het perfecte product. Materialise Software In het kort: Al de technieken van Rapid prototyping werken met software als CAD en andere 3Dsoftware. Materialise is bezig dit allemaal nog efficiënter te maken. Materialise.MGX Dit is een lijn van producten die Materialise uitbrengt. Deze bestaat uit lampen en andere kunstobjecten die door bekende designers ontworpen zijn voor Materialise. Het speciale is dat ze allemaal worden gemaakt met de methodes die Materialise te bieden heeft. De lampen hebben allemaal gemeen dat ze alleen door middel van het opbouwen van laagjes gemaakt kunnen worden. Materialise Dental Deze tak van Materialise biedt een aantal producten en services die tandspecialisten ondersteunt in hun werk. Materialise Dental heeft een sterk technologische positie in het medische visualiseren. Figuur 2: Design lamp. Pagina 4
Taxonomie Op het gebied van Rapid prototyping/manufacturing zijn verschillende productie methoden. Bij Materialise wordt gebruik gemaakt van alle productiemethodes, behalve Laminated object manufacture Dit is een productiemethode gebaseerd op laagjes papier, die vooral in de beginfase van het Rapid prototyping werd toegepast. Rapid prototyping/manufacturing is een productieprincipe wat gebaseerd is op het in laagjes opbouwen van een 3D product. De verschillende productie methoden zijn onderverdeeld in Laser methods en Deposition methods. Elke methode die wordt gebruikt bij Materialise zal in dit verslag verder worden uitgewerkt. 2 In onderstaand figuur worden het productie principe en productie methoden schematisch weergegeven. De productie middelen die gebruikt worden bij Materialise zijn per methode weergegeven in Bijlage II. Rapid prototyping/ manufacturing Laser methods Deposition methods Laminated object manufacture Selective Laser Sintering Solid ground curing (polyset) Stereolithography 3D mold prototyping (z corp) Fused deposition molding Figuur 3: Productie principe en productie methoden. 2 Hierbij is gebruik gemaakt van de volgende bronnen: http://www.materialise.com CES Edupack 2008 (Aerospace version) Bezoek Materialise (Jurgen Laudus) Pagina 5
Selective Laser Sintering Selective laser sintering (SLS) is een rapid prototype methode, waarbij poeder laagje voor laagje door middel van een laser aan elkaar gesmolten wordt. Op een platform wordt een laagje poeder aangebracht (zie in onderstaande figuur het wiper blade ). In dit laagje poeder wordt met een laserstraal (infrarood) sommige korrels aan elkaar gesmolten. Het poeder wordt net onder de glasovergang temperatuur gehouden zodat de laser net de temperatuurverhoging geeft die het poeder aan elkaar smelt. Dit zorgt wel voor een afname van de kwaliteit van het poeder zodat het poeder niet onbeperkt hergebruikt kan worden. Hierna zakt het platform een klein stukje en wordt er op het bestaande laagje poeder met daarin het samengesmolten werkstuk een nieuw laagje poeder aangebracht en worden er bepaalde korrels aan elkaar gesmolten. Dit proces herhaalt zich totdat het model klaar is. Het poeder wat niet aan elkaar gesmolten is wordt verwijderd. Figuur 5: schematische weergave SLS proces bij Materialise. Figuur 4: Werking SLS. Polymeer, keramiek en metaalpoeder kan gebruikt worden bij dit proces. Werkstukken van metaal zijn echter vrij poreus. Daarom wordt er bij de afwerking van deze werkstukken vloeibaar brons overheen gegoten wat er voor zorgt dat het product een acceptabele dichtheid krijgt. Toepassingen SLS modellen zijn zeer geschikt als functionele modellen. Daarnaast wordt deze techniek ook veel gebruikt voor: Complexe modellen, Modellen die een hoge temperatuur moeten weerstaan, Sterke en stijve modellen, Producten voor de voedselindustrie (foodsafe). Pagina 6
Materiaal Er zijn een groot aantal materialen geschikt voor gebruik van SLS. Een overzicht van deze materialen is weergegeven in Bijlage III. Bij Materialise maken ze voornamelijk gebruik van PE en soorten Nylon: Nylon: Glasgevulde nylon: Alumide: Carbon nylon: functioneel sterk en stijf is nog beter dan glasnylon flexibel Het grote verschil is echter dat carbon gevuld nylon wel vier keer zo duur is als gewoon nylon. Specificaties Materialise geeft op haar website aan de volgende specificaties te kunnen garanderen: Minimale accuraatheid van ± 0.25% of ± 0.2 mm Minimale dikte van 1 mm. Maar 0.3 mm is ook haalbaar het onderdeel is dan zo dun dat het als een scharnier kan fungeren Het te maken product of onderdeel kan maximaal 700x380x580 mm groot zijn SLS onderdelen hebben typisch een korrelige oppervlakte structuur. Ze kunnen gezandstraald worden voor een gladde afwerking, geverfd en gecoat worden. Verder kan aan het poeder zelf een kleurstof toegevoegd worden. Kosten Kosten hangen af van de grootte van het onderdeel, van het te gebruiken materiaal, van de loonkosten van het personeel ter plaatse en of de machine al afbetaald is of niet. De trend is dat SLS onderdelen steeds goedkoper worden doordat de technologische vooruitgang er voor zorgt dat de productietijd wordt verkort en omdat de kostprijs van de machines lager wordt. Voordelen Er is geen ondersteuning nodig, doordat het overige poeder voor de ondersteuning zorgt, Er zijn complexere vormen mogelijk, Zeer functioneel, Goed bestand tegen hoge temperaturen, Goed bestand tegen chemische producten, Verschillende materialen mogelijk (beperkt, overloop is niet mogelijk), Kleine series, Kan gesteriliseerd worden. Nadelen De oppervlakte kwaliteit is minder, Risico op vervorming, Beperkte maximale grootte (680x380x550), Er is ruimte nodig om het poeder er weer uit te laten, Er kan maar met één soort materiaal gewerkt worden. Pagina 7
Solid Ground Curing Het SGC proces maakt gebruik van hars die door middel van UV licht wordt uitgehard. Door een rooster dat boven de hars hangt, word bepaald welke delen belicht worden en welke niet. Dit rooster is een transparante plaat waar toner op wordt aangebracht (vergelijkbaar met het principe van een kopieermachine). De blootgestelde hars wordt met een krachtige UV lamp uitgehard. De restanten vloeibare hars wordt weggezogen. Gesmolten was vervangt de weggezogen vloeibare hars, zodat er nog wel ondersteuning wordt gecreëerd. De laagjes die worden uitgehard, hebben een dikte van 0,1 tot 0,3 mm. Figuur 6: principe Solid Ground Curing Materialen Materialise heeft voor deze methode 4 materialen beschikbaar: Objet FullCure 720 Dit is een materiaal voor algemene doelen. Het is vooral handig voor modellen waarin een grote diversiteit aan maten, vormen, functies etc. zit. Objet VeroWhite Dit is ook een hars voor algemene doelen en het heeft een witte kleur. Het maakt verbeterde mechanische eigenschappen mogelijk en ook een verbeterde mogelijkheid tot buigen Objet TangoBlack Dit is een flexibel, rubberachtige hars. Hij is heel handig voor auto industrie en andere mechanische doeleinden. Objet TangoPlus Ook dit is een flexibel, rubberachtige hars. Geschikt voor producten die waarschijnlijk blootgesteld zullen worden aan lang en ruig gebruik. Voordelen Een van de grote voordelen van deze methode is dat je hele precies mechanische producten kunt maken. Deze methode is heel nauwkeurig en door de verschillende materialen kunnen specifieke eigenschappen gecreëerd worden. Daarnaast is deze methode ook relatief snel. Figuur 7: voorbeeld Solid Ground Curing product Pagina 8
Stereolithography Beginnend met een 3D model, een onderdeel wordt laagje voor laagje opgebouwd in een vat van vloeibare polymeer dat hard wordt als het wordt geraakt door een laserstraal. Beginnend met een STL bestand, de benodigde ondersteuningen voor overhangingen en holtes worden automatisch gegenereerd in het model. Het bestand met de benodigde ondersteuningen wordt dan in dunne horizontale plakjes gesneden en geprogrammeerd in de stereolithography machine. Figuur 8: principe Stereolithography. Deze machine gebruikt een computergestuurde laser om de desbetreffende doorsnede/laag te tekenen op de vloeibare polymeer die hard wordt als het geraakt wordt door de laserstraal. Het onderdeel laat men dan zakken tot een diepte die overeenkomt met de laagdikte en de volgende laag wordt dan direct op de oude laag getekend. Dit wordt herhaald totdat het onderdeel klaar is. De ondersteuningen worden handmatig verwijderd nadat de producten uit de machine gehaald zijn. Materialise is bekend in de automotive industry voor haar uitmuntende kennis in het produceren van grote prototypes. Deze grote componenten zijn uit één stuk opgebouwd in exclusieve mammoth prototyping machines. Toepassingen Deze techniek wordt vooral gebuikt voor het maken van concepten (binnen 24 uur). De nadruk ligt hierbij op visuele concepten, concepten om assemblage te testen of een model voor een matrijs. Materialen Bij Materialise wordt gebruikt gemaakt van de volgende materialen: Poly1500 De eerste Mammoth modellen werden gebouwd in Poly1500, een hars dat perfect is voor rigide, functionele, grote componenten. TuskXC2700T Tusk2700 is een sterke, rigide hars dat eigenschappen vasthoudt over een diversiteit van omgevingscondities. Omdat veel van deze eigenschappen overeenkomen met die van extrusie klasse materialen als Polybutyleen Tereftalaat (PBT) en transparantklasse als Acrylonitrile Butadieen Styreen (ABS), 2 veelgebruikte plastics in manufacturing, heeft Tusk2700 bewezen heel geschikt te zijn voor menig automotive applicaties. Protogen White Protogen White is geschikt voor toepassingen voor algemeen gebruik met ABSachtige specificaties en is ideaal voor markten dat vraagt naar accurate RTV patronen, taaie concept modellen, hoog nauwkeurige onderdelen. Pagina 9
Naast de genoemde materialen zijn ook de volgende materialen mogelijk voor stereolithography: PMMA (Polymethylmethacrylate/Acryllic) SMMA (styrene methylmethacrylate) Technische specificaties Standaard aanlooptijd: Vanaf 2 dagen (24 uur voor Next Day models, 4 8 voor mammoth models), afhankelijk van de grootte en aantal componenten. Standaard nauwkeurigheid: Standaard Stereolithography +/ 0.1% (min +/ 0.1 mm) Gevoelig voor UV licht (direct zonlicht) Oppervlakte structuur: Zonder nabewerking varieert dit naar de oriëntatie van de lagen. Verschillende afwerkingniveaus van hoogglans tot een ruwe textuur zijn verkrijgbaar met nabewerking. Overzicht: Next Day Stereolithography Standard Stereolithography Mammoth Stereolithography Layer thickness 0.15 0.2 mm 0.1 0.15 mm 0.15 mm Accuracy +/ 0.2% (min. +/ 0.2 mm) +/ 0.1% (min. +/ 0.1 mm) +/ 0.2% (min. +/ 0.2 mm) Maximum size part 650x650x450 mm 500x500x580 mm 2100x680x800 mm Finishing degree Basic finishing Smooth on A face/b face on request Smooth on A face/b face on request Lead time 24h 2 5 days 4 8 days Pagina 10
Voordelen Nadelen Show and tell onderdelen met goede oppervlaktes en fijne detaillering Visuele prototypes om 3D tekeningen te controleren Prototypes voor gelimiteerde tests op functionaliteit Mallen voor spuitgieten en vacuum spuitgieten Hoge nauwkeurigheid, hoge oppervlaktekwaliteit Onderdelen voor visueel, esthetisch testen Kleine en grote onderdelen van schakelaar componenten tot auto dashboard Verschillende materialen Verschillende afwerkmogelijkheden Korte aanlooptijd (3 5 werkdagen) Mammoth: o snel veel en grote onderdelen zonder lijmen. (meer dan 2 meter) o Weining dead time tussen 2 lagen o Korte aanlooptijd (4 8 dagen) o Sterke onderdelen te danken aan Poly1500 en Tusk2700 harsen o Hoge functionaliteit Fragiel voor functionele applicaties (niet met Mammoth), Dit proces is relatief langzaam en gelimiteerd tot harsen die hard kunnen worden van UVlicht, Stukprijs hoog vergeleken met andere productiemethoden, Werkt met thermoharders wat daarna niet meer gesmolten kan worden worden: Ondersteuningsmateriaal gaat dus verloren, Harsen zijn vluchtig, dit vereist goede ventilatie, Beperkte mechanische eigenschappen, Holtes binnen je product zijn niet mogelijk, Product is bros, Zonder na bewerking zal het product door UV licht uit de omgeving verkleuren. Pagina 11
3D mold prototyping Bij 3D Ceramic Mold Printing (CMP) wordt een Multi jet printkop gebruikt. Dezelfde als bij een bubble jet printer. Deze druppelt bindmiddel op een bed van fijn gieterij zand. Na een heen enweer beweging van de printkop wordt een nieuwe, dunne, zandlaag verspreidt over het oppervlak van het model. Dit gebeurt door een freeskop. Op deze manier wordt er bij de volgende heen en weer beweging van de printkop een nieuwe laag verlijmd zand gecreëerd. Het definitieve model wordt, na het losschudden van het ongelijmde zand, de mal voor een shell casting. Op deze manier kunnen er enkelvoudige metalen onderdelen met complexe vormen gefabriceerd worden. Figuur 9: principe 3D mold prototyping Materialen Materialise gebruikt momenteel een Z Corp materiaal voor 3D printen: ZP 131. ZP 131 is een materiaal voor meervoudige doeleinden. Het levert de meeste stevigheid, de beste resolutie en de hoogste kleur precisie. Het is ideaal voor een goede pasvorm en functionaliteittesten. Voordelen Het voordeel van 3 dimensoneel printen is dat er gebruikt wordt gemaakt van meervoudige jets, hetgeen zorgt voor een toename in de opbouwsnelheid van het model. Ook wordt model direct in de gekozen kleur geprint. Figuur 10: voorbeeld product gemaakt mbv. 3D mold prototyping Pagina 12
Fused deposition molding Bij Fused Deposition Molding (FDM) wordt het product laagje voor laagje opgebouwd uit een thermoplastisch materiaal. In de kop wordt het materiaal gecontroleerd verwarmd en wordt op de juiste plaats een druppeltje losgelaten. Hierbij beweegt of de kop, of de tafel naar de juiste positie. Dit is afhankelijk van de machine. Als input is een 3D CAD file vereist. In figuur 9 is het proces weergegeven. De verschillende laagjes hebben een dikte tussen de 0.127 en de 0.245 mm. Doordat het materiaal snel weer stolt, is het mogelijk om overhangingen te realiseren. Wanneer er een Figuur 11: principe Fused deposition molding lege ruimte onder zit (zoals in de afbeelding) kan ook gebruik gemaakt worden van ondersteuningsmateriaal. De nieuwste ondersteuningsmaterialen zijn in water oplosbaar en zijn er dus complexere vormen mogelijk omdat het niet meer weggesneden hoeft te worden. Materialen Bij Materialise wordt gebruik gemaakt van de volgende materialen: ABS ABS heeft ongeveer 80% van de sterkte van het ABS wat voor spuitgieten wordt gebruikt. Hierdoor is het materiaal uitermate geschikt voor functionele toepassingen. ABSi ABSi is een ABS type met een hoge impact sterkte. ABSi is een semi transparant materiaal. PC ABS PC ABS is een mengsel van polycarbonaat en ABS. Het combineert de sterkte van PC met de flexibiliteit van ABS. PC ISO PC ISO wordt voornamelijk gebruikt voor verpakkingen en medische toepassingen. Naast de genoemde materialen is het ook mogelijk om met andere thermoplasten, wax of metalen (Aluminium of Magnesium) te werken. Dit wordt niet bij Materialise toegepast. Pagina 13
Voordelen Goed geschikt om prototypen op functionele en vorm aspecten te testen, Het prototype is te maken van het uiteindelijke materiaal, Hoge kwaliteit, Relatief grote afmetingen mogelijk, Fijne detaillering; geen vervorming, Voor kleine series: relatief lage kosten, Relatief sterk materiaal, Geschikt tegen chemische stoffen. Nadelen Niet geschikt voor grotere series, Minder goede oppervlakte kwaliteit, Lange doorlooptijd, Heeft een ondersteuning nodig. Technische specificaties. Standaard laad tijd: 4 tot 5 dagen Laag dikte: ABS: 0.13 0.25 mm ABSi: 0.18 0.25 mm PC: 0.18 0.25 mm PPSU: 0.25 mm Maximale inhoud: 600x500x600 mm Figuur 12: Autospiegel in een SDM machine. Pagina 14
Concept Aangezien Mass customization een zeer belangrijk begrip gaat worden in de toekomst willen wij hier op inspelen. Met Rapid Manufacturing is massaproductie mogelijk met seriegrootte één. Dat wil zeggen dat er in grote hoeveelheden producten geproduceerd kan worden terwijl elk product uniek is. Gecombineerd met het feit dat vrijwel ieder huishouden een computer met muis heeft, is de keuze gemaakt om een computermuis produceren met behulp van een Rapid Manufacturing technologie. Elke geproduceerde muis zal uniek zijn, op maat gemaakt en gepersonaliseerd zijn. Hier door heeft elke muis een unieke fit met de hand van de gebruiker en zal de muis beter comfort bieden dan andere computermuizen. In figuur 15 wordt het idee achter het concept CustoMouse weergegeven. Door middel van een internet applicatie (website) kan een consument een foto of scan van zijn/haar hand in sturen. Daarbij kan de consument de kleur, een persoonlijke tekst of tekening doorgeven. Tevens kan de consument aangeven met welke vingers hij de verschillende knoppen bedient en met welke hand de consument de muis wenst te bedienen. Door een foto van de hand van de gebruiker te analyseren kan een op maat gemaakt 3D CAD model van een muis gemaakt worden. Figuur 13: Storyboard CustoMouse. Pagina 15
Productie driehoek Nu zullen we ons verder gaan richten op de optimalisatie van ons product. Dit doen wij aan de hand van de productiedriehoek. Die driehoek (Figuur hieronder) bestaat uit 3 aspecten: Functie, Kwaliteit en Kosten. Deze aspecten gaan wij behandelen voor SLS, de techniek waarmee onze CustoMouse gemaakt wordt. Figuur 14: productie driehoek. Functie De functie van een product wordt meestal duidelijk in het uiterlijk. Daarom is het belangrijk dat het product er goed uit ziet. In dit aspect wordt beschreven welke productvormen en groottes het proces kan realiseren en welke materialen het kan verwerken. Ook wordt hier verder ingegaan op de seriegrootte, kleuren en grafieken, textuur en uitstraling. Geometrie SLS is geometrisch weinig beperkt. Alle vormen zijn mogelijk zolang het ondersteunende poeder weg kan lopen. Voordelen kunnen behaald worden bij het maken van producten met verschillende onderdelen die aan elkaar scharnieren. Waar met spuitgieten verschillende mallen nodig zijn kan het hier in een keer geproduceerd worden. De grootte van het product kan bij Materialise maximaal 700x380x580mm groot zijn. In principe kunnen alle groottes gerealiseerd worden zolang de machine maar groter is dan het product zelf. De minimale dikte van deze methode is 1 mm, met uitzondering van een filmschanier. Deze kan op 0,3 mm dikte worden gemaakt. De dikte wordt bepaald door de korrelgrootte van het poeder en de hoeveelheid poeder die na een lasering naar beneden zakt. Pagina 16
Materiaal Materialen die gebruikt kunnen worden met SLS zijn verscheidene metalen en polymeren (thermoplasten). Bij Materialise wordt PA gebruikt, wel of niet aangevuld met een percentage van aluminium, koolstof, glas of roestvrij staal. Dit is hoofdzakelijk om de mechanische eigenschappen te veranderen. In een SLS machine kan maar een poeder tegelijk worden gebruikt. Dit is ook de reden dat alleen thermoplasten mogelijk zijn, thermoharders bestaan namelijk uit 2 soorten poeder. Seriegrootte Bij SLS (en alle andere Rapid Manufacturing methodes) moet je eigenlijk niet denken in seriegroottes vanaf minimaal aantal, maar juist tot een maximaal aantal. Met SLS is het mogelijk om massaproductie met seriegrootte 1 toe te passen. Omdat je niet afhankelijk bent van een mal of iets dergelijks kun je de vorm altijd variëren. De snelheid waarmee geproduceerd wordt ligt in verhouding met spuitgieten erg laag. Per serie 3 kost het wel een paar uur tijd. De reden dat deze productieproces toch sneller is, is omdat er geen investeringen gedaan hoeven te worden zoals het maken van een mal, wat ook veel tijd kost. Kleur en grafiek Aan het poeder zelf kan een kleurstof worden toegevoegd zodat het product een kleur krijgt. Het is echter niet mogelijk om 2 verschillende kleuren in het product te verwerken zonder na te bewerken. Met nabewerking kan het product nog geverfd en gecoat worden. Textuur en uitstraling SLS onderdelen hebben een typische korrelige Figuur 15: kleurenpalet. oppervlakte structuur. Met nabewerking kan een gladde afwerking gerealiseerd worden. Het is ook mogelijk om een textuur mee te printen. Alle textuurvormen zijn dan mogelijk. Zo kan er bijvoorbeeld een naam op een product geprint worden. 3 Als serie wordt hier een volle bak met producten verstaan. Pagina 17
Kwaliteit Kwaliteit van een product is belangrijk en is zeker iets waar wij aandacht aan willen besteden. Dit aspect zal daar helemaal over gaan, aan de hand van punten zoals toleranties, ruwheid en afwerking. Toleranties SLS is een behoorlijk nauwkeurige methode van Rapid Manufacturing. Er kunnen zeer nauwe maattoleranties worden gehaald. De maattoleranties zijn gebonden aan de grootte van de laser en de dikte van de poederkorrels. Hoeveel het poeder na elke lasering naar beneden zakt, geeft de dikte aan. Bij een dikkere laser zijn de maattoleranties minder nauw dan bij een kleine laser. Maattoleranties zijn altijd belangrijk als een ontworpen product veel hoeken of andere oneffenheden heeft. Hoe minder hoeken en oneffenheden hoe minder invloed de maattoleranties een kritieke invloed op het product hebben. Bij Materialise gelden de volgende toleranties: Minimale accuraatheid van ± 0.25% of ± 0.2 mm Minimale dikte van 1 mm. Maar 0.3 mm is ook haalbaar het onderdeel is dan zo dun dat het als een scharnier kan fungeren Het te maken product of onderdeel kan maximaal 700x380x580 mm groot zijn Ruwheid en Afwerking De ruwheid die een product krijgt bij SLS is afhankelijk van de korrelgrootte van het poeder. Aan deze ruwheid is niet zo heel veel te veranderen omdat er eigenlijk altijd het zelfde poeder gebruikt wordt. Echter, na SLS, volgt er altijd een nabewerking met de hand. Deze afwerking zorgt voor een mindere ruwheid en een betere uitstraling van het product. Bij deze nabehandeling worden alle oneffenheden weggeschuurd en dan kan er eventueel ook nog glans of kleur worden toegevoegd. Bij Materialise worden SLS producten ook vaak gezandstraald om de ruwheid te verminderen. Homogeniteit Een product dat ontstaat door SLS heeft weinig vertoon van enige homogeniteit. Dit omdat het product vaak custom is en aangepast aan een enkele persoon of situatie. Er kunnen verschillende wanddiktes door het hele product heen ontworpen zijn. Stabiliteit Ook bij SLS wordt er rekening gehouden met krimp. De temperatuur wordt tijdens de manufactering constant gehouden net onder het smeltpunt. De opwarm en afkoeltijd zijn ongeveer gelijk en afhankelijk van de grootte van het te produceren product en dus van de hoeveelheid materiaal, in dit geval het poeder. Pagina 18
Kosten Als laatste aspect van de driehoek behandelen we de kosten. Aan de hand van een aantal punten wordt duidelijk welke dingen bij ons de prijs van ons product zouden bepalen. Stuksprijs Om een goede inschatting te maken van de stuksprijs van een CustoMouse, moeten we letten op 2 dingen die de prijs bepalen: Materiaalkosten en Loonkosten. Materiaalkosten zijn de kosten die gemaakt worden bij het kopen van het materiaal. Bijvoorbeeld: polyamide kost ongeveer 2,50 per kilo. Dit wordt natuurlijk niet per kilo, maar in veel grotere hoeveelheden gekocht. Loonkosten zijn de kosten die gemaakt worden om het personeel te betalen. Wat dat betreft is deze methode erg duur, omdat er constant iemand bij de machine moet zijn. Daarnaast is er nog de nabewerking die met de hand moet worden gedaan. Hoeveel uur daaraan besteed moet worden hangt af van de grootte product. Uurloon van personeel zal rondt de 60, per uur liggen. Dit zijn de dingen die de productiekosten bepalen. Daarnaast rekent Materialise natuurlijk ook nog kosten voor zichzelf, om de lonen van ander personeel te bekostigen etc. Investering Materialise heeft al de nieuwste SLS machines in bezit, dus daar hoeven ze geen nieuwe investeringen. Ook hebben ze de producten waar je de nabehandeling mee kunt doen. Als je eventueel een speciale nabehandeling wil, zou je daar nog in moeten investeren. Voor ons concept werd door Materialise aangeraden een snelle nabehandeling toe te passen met een rotary vibrator. Dit zou dan wel een investering zijn. Doorlooptijd De tijd die het kost om een muis te produceren hangt van een aantal fases af. Als eerste moet het product in een CAD file worden gezet. Dit moet naar de machine worden gestuurd en dan kan het product geprint worden. Hoelang dat printen duurt hangt af van de grootte van het product. Daarna kan er nog een nabehandeling volgen. Hoe meer er nog aan het product moet gebeuren, hoe langer het duurt. Veiligheid Bij de SLS methode zelf is erg veilig, het personeel kan veilig bij die machine in de buurt komen. Ook de inhoud van de machine in niet schadelijk voor je. De nabehandeling heeft wel meer kritieke puntjes. Bijvoorbeeld: Bij schuren komt er stof vrij, die je niet mag inademen. Hetzelfde geld voor bepaalde coatings en verfsoorten. Milieu Bij Materialise zijn ze totaal niet bezig met sustainability. De SLS methode is van zichzelf al niet erg milieuonvriendelijk. De methode gebruikt natuurlijk wel veel stroom (vooral als hij 5 dagen aanstaat!), maar er komen geen schadelijke stoffen vrij. De materialen die gebruikt worden zijn niet sustainable. Ook het restafval kan maar voor de helft hergebruikt worden. Pagina 19
Eindconcept Slechts de rug (de bovenkant met de klikknoppen) van de muis zal door middel van Rapid Manufacturing technologie bij Materialise gemaakt worden. De klikknoppen zullen door middel van een filmscharnier met de rug van de muis verbonden zijn. De bodemplaat met de printplaat en alle elektronische componenten en het scroll wiel worden door een derde partij geleverd. Na assemblage wordt de muis opgestuurd naar de consument. Pagina 20
functie Het gebruik van een filmscharnier is uitermate geschikt om te produceren met de SLS techniek. Door de afmetingen van de muis, om precies te zijn het onderdeel wat met SLS gemaakt wordt, is zodanig dat het boven elkaar gestapeld kan worden in de SLS machine. Dit zorgt ervoor dat de ruimte in de SLS machine efficiënt gebruikt kan worden. In ongeveer vijf dagen kunnen er 650 exemplaren geproduceerd worden in één SLS machine. 4 Het materiaal wat gebruikt wordt met de SLS methode is polyamide, een soort nylon. Polyamide is sterk genoeg voor de fysieke belasting die uitgeoefend wordt tijdens het gebruik van een computermuis. Tevens is SLS goed geschikt voor zowel visuele als functionele toepassingen, zoals weergegeven in figuur 16. Figuur 16: vergelijking verschillende productiemethoden. Kwaliteit We kiezen ervoor om de muizen relatief grof uit de SLS machine te komen. Het glad schuren van de muizen en het aanbrengen van de kleur wordt achteraf gedaan in een geautomatiseerde lijn. Kosten Voordeel van de SLS techniek is dat er maar liefst 650 exemplaren in één bak passen. Zo kan de stuksprijs vrij laag gehouden worden. Nadeel van de SLS methode is dat de producten een korrelig oppervlak hebben. Het is mogelijk om de producten na te bewerken. Deze nabewerking kan geautomatiseerd worden. De geschatte prijs per muis zal dan rond de tien euro liggen. 5 4 Bron reactie Jurgen Laudus; Bijlage IV 5 Bron: reactive Jurgen Laudus; Bijlage IV Pagina 21
Technische haalbaarheid Om te bepalen of het technisch mogelijk is om een hand te analyseren en dat te vertalen naar een succesvol ontwerp, is het concept voorgelegd aan Dik Plettenburg, expert op het gebied van handprotheses. Op basis van het gepresenteerde concept, schatte de heer Plettenburg in dat de breedte en de lengte van de handpalm bepalend zullen zijn voor de bolling van de muis. De lengte en de breedte van de vingers zullen bepalend zijn voor respectievelijk de locatie en de afmetingen van de knoppen. Het is mogelijk om deze bepalende maten uit een foto of een scan van de hand af te leiden, volgens Dik Plettenburg. De uitdaging zal met name liggen in het software gedeelte. Er zal specialistische software ontwikkeld moeten worden die de juiste parameters van een scan af kan leiden zodat het proces geautomatiseerd kan worden. Daarna moeten deze parameters vertaald worden middels een algorithme om tot een 3D CAD ontwerp van de behuizing van een muis te geraken. Deze uitdagingen lijken overkombaar te zijn en de conclusie is dan ook dat het concept op dit moment realiseerbaar lijkt. Figuur 17: bepalende maten. Pagina 22
Conclusie We zijn dit verslag begonnen met het citaat over de toekomst van deze techniek. Op dit moment wordt Rapid Prototyping nog niet veel gebruikt omdat het niet erg geschikt is voor hele grote oplages. In de toekomst zal dit zeker veranderen. Net zoals in ons concept zal de nadruk komen te liggen op het customizen van producten. 6 Het zal zelfs zover gaan dat mensen hun eigen product zelf thuis kunnen uitprinten, het lijkt ver weg maar naast een 2d printer zal er ook een 3d printer in het huis aanwezig zijn. Rapid Manufacturing is uiterst geschikt voor productseries met seriegrootte 1, dit is met de huidige technologieën nog te duur, echter in de toekomst zal dit zeker veranderen. Als de trend van het customizing straks in volle gang is, zal Rapid Manufacturing juist in een groot voordeel zijn ten opzichte van de momenteel veel gebruikte productietechnieken omdat dan de seriegrootte dus steeds veel kleiner zal worden. Bijvoorbeeld bij spuitgieten zullen de kosten omhoog schieten omdat er een dure mal gemaakt moet worden voor veel minder producten. Daarom is Rapid Manufacturing is de productiemethode van de toekomst. 6 The Long Tail Chris Anderson Pagina 23
Bijlage I: visuele weergave bezoek Materialise Pagina 24
Bijlage II: Productie middelen bij Materialise. Selective Laser Sintering machines 2 Sinterstation 2500 HS HiQ Build volume: 360x310x450mm 1 EOS P380 machine Build volume: 340x340x620mm 3 EOSINT P700 machines Build volume: 700x380x580mm 1 EOSINT P730 machine Build volume: 700x380x580mm 1 EOS Formiga P100 machine Build volume: 200x250x300 mm Figuur 18: EOS P700 PolyJet machines 1 Objet Eden500V Build area: 500x400mmx200mm Figuur 19: de PolyJet machine Pagina 25
Stereolithography machines Materialise has a range of 29 stereolithography machines. 4 Next Day machines Build areas: 2: 300x500x210 mm 1: 450x650x450 mm 1: 650x650x480 mm 10 Mammoth machines Build area: 2100x700x800 mm 4 SLA250 machines Figuur 20 Mammoth machine Build area: 250x250x250 mm 2 SLA3500 machines Build area: 350x350x350 mm 1 SLA5000 machine Build area: 500x500x500 mm 3 SLA7000 machines Build area: 500x500x500 mm For the Dental division: 3 SLA250 machines and 1 curtain coating machine 1 stereolithography machine for medical production Z Corp machines 1 Z Corp Spectrum Z510 Full Color System Build area: 254x356x203mm Fused Deposition Modelling machines Figuur 21: Z Corp machine 4 MC400s Build area: 355x254x254 mm 1 Vantage machine Build area: 400x350x400 mm 3 Titan machine Build area: 400x350x400 mm 12 Maxum machines Build area: 600x500x600 mm Figuur 22: FDM Center Pagina 26
Bijlage III: Materiaal mogelijkheden SLS Materialen die gebruikt kunnen worden volgens de CES database zijn onderstaande materialen. De materialen die Materialise gebruikt zijn vetgedrukt: Keramiek Metaal High en medium alloy staal High, medium en low carbon staal Ijzer, commerciële puurheid Stainless staal Tool steel Koper Nikkel Polymeer (thermoplasten) ABS (zowel niet aangevuld als aangevuld met een percentage aluminium, of koolstof, of glas, of roestvrij staal) AN MABS PA (zowel niet aangevuld als aangevuld met een percentage aluminium, of koolstof, of glas, of roestvrij staal) PC PMMA PPC PS PTFE SMMA Nylon Pagina 27
Bijlage IV: Reactie Materialise op CustoMouse. Dag Joost, Dit vind ik nu eens een goeie toepassing! Het voldoet aan een aantal puntjes die voor het gebruik van RM belangrijk zijn: Voldoende klein Customised design Gebruikt een filmscharnier: da s waar de LS technologie vaak voor gebruikt wordt Grote markt: iedereen heeft zo n muis aan zijn computer thuis, op z n bureau, in z n laptopzak, En in de gezondheidssector: typisch willen mensen wel wat meer geld uitgeven als het goed is voor hun gezondheid. Ik ben even aan het rekenen gegaan. Normaal kunnen in 1 SLS P730 machine zo n 650 stuks gebouwd worden. Dat duurt ongeveer 5 dagen. Ik denk dat we de prijs rond de 10 Euro moeten kunnen houden. We moeten er dan wel voor opletten dat we niet teveel finishing gaan doen. Je kan bijvoorbeeld de stukken niet manueel gaan opschuren. Wat wel zou kunnen is in een rotary vibrator (http://www.rosler.com/www_roesler2004rotary_vibrators_662_122_0_f.htm) de stukjes glad maken. Dat kan een automatische lijn worden zoals je op de website ziet. Om de cover een egale kleur te geven kan je ook nog gaan impregneren met één kleur, ook dat kan wel geautomatiseerd worden. Dus ik denk dat je er met 10 Eur wel kan komen, alles samen. Ik heb slechts 1 bedenking bij jullie concept: ga je op basis van een simpele scan van je hand een voldoende nauwkeurig gepersonaliseerd design kunnen maken, zeker dat RSI vermijdt? Maar daar vinden jullie wel een antwoord op. Puik werk! Als je nog meer info nodig hebt, laat gerust iets weten. Mvg, Jurgen Laudus International Sales Manager Industrial Services Materialise NV Technologielaan 15 3001 Leuven Belgium Tel. 0032-16 39 62 61 Fax 0032-16 39 62 75 Web: www.materialise.com Pagina 28