kansrijke niche productietechnieken

Kansrijke, niche productietechnieken van enkelstuks of kleine series van complexe, nauwkeurige producten

Stand der techniek:

per 24 juni 2013 Auteur: Jo vAn de Put

Bijeenkomst : “Kansrijke, niche productietechnieken van enkelstuks of kleine series van complexe, nauwkeurige producten” d.d. 24 juni 2013 2

Dit boekje is tot stand gekomen ter gelegenheid van de bijeenkomst


die door Syntens, in nauwe samenwerking met de Koninklijke Metaalunie en FDP, op 24 juni 2013 is georganiseerd. Deze bijeenkomst geeft mede invulling aan het MKB loket HTSM dat Syntens voor de topsector HTSM uitvoert.

© 2013 MOMEK Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze publicatie mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt in welke vorm dan ook, zonder vooraf schriftelijke toestemming van de auteur. Auteur: Jo van de Put Vormgeving: Christa Gruijters Namens MKB-loket HTSM: Uitgave Syntens


Voorwoord Middels het Topsectoren beleid van het kabinet Rutte wordt gericht gewerkt aan het verbeteren van de concurrentiepositie van bedrijven in deze Topsectoren. Een van deze Topsectoren is High Tech Systems en Materialen (HTSM). Om tot een gerichte aanpak te komen zijn er voor verschillende onderwerpen roadmaps ontwikkeld, waarin duidelijke richtingen zijn aangegeven voor kansen, enerzijds voor onderzoek en anderzijds voor bedrijven. Deze roadmaps zijn vaak in eerste instantie gericht op grote bedrijven maar zijn daarnaast ook erg belangrijk voor het MKB. Wel is het vaak nodig om voor het MKB een praktische vertaalslag te maken, zodat duidelijk wordt wat dit voor MKB kan betekenen. Door haar enorme kennis van het Nederlandse MKB is voor Syntens een belangrijke brugfunctie weggelegd tussen de topsector en MKB. De topsector heeft aan Syntens gevraagd om het MKB loket HTSM namens de topsector HTSM te bemensen. Naast de loketfunctie heeft Syntens ook de taak op zich genomen om kennis vanuit de topsector zo praktisch mogelijk naar MKB te brengen. In het kader van deze kennisvalorisatie heeft Syntens op 24 juni 2013, samen met de Koninklijke Metaalunie en FDP de bijeenkomst


georganiseerd. Deze bijeenkomst geeft invulling aan belangrijke aspecten uit de roadmap Mechatronica & Manufacturing. De kennis die tijdens deze dag is overgedragen is teven op een zo praktisch mogelijke manier in dit boekje samengebracht, zodat MKB hier gericht zijn voordeel mee kan doen.

Jo van de Put Innovatieadviseur Juni 2013


Inhoudsopgave

1. Inleiding 5

2. (Rotation) Friction welding 7

3. Etsen 13

4. Metaalgieten op basis van 3D-printen 18

5. Electro Chemical Machining 24

6. Metal Injection Moulding 29

7. Elektromagnetisch Puls verbinden 35

8. Additieve manufacturingtechnieken voor metalen 42

9. Elektroformeren 53

10. Dankwoord 58


1. Inleiding De roadmap Mechatronica & Manufacturing geeft een duidelijk beeld waar het de komende jaren steeds meer naartoe zal gaan. Om de concurrentiepositie te verbeteren worden producten steeds nauwkeuriger en complexer ontworpen. Nadat deze producten zijn ontworpen moeten deze ook geproduceerd kunnen worden. Hierdoor loopt men vaak tegen de grenzen van de huidige productietechnieken. Productietechnieken die invulling kunnen geven aan deze extra zware eisen zijn doorgaans nauwelijks bekend bij de meeste engineers. Dat heeft ons ertoe gebracht om een bijeenkomst te organiseren rondom deze niche productietechnieken met veel potentieel. Tijdens de bijeenkomst van 24 juni 2013 zijn deze technieken door experts onder de aandacht van de deelnemers gebracht. Dit boekje is samengesteld om de aanwezigen op een compacte manier alle relevante informatie over deze technieken mee te geven, zodat iedereen snel de stand der techniek (op 24 juni 2013) kent en daarmee zijn voordeel kan doen. Dit boekje heeft alleen tot stand kunnen komen met medewerking van experts die mij van voldoende kennis en materiaal hebben voorzien om dit zo op te kunnen stellen. Tevens hebben zij als expert mijn conceptversie (ieder op hun vakgebied) gelezen en van correcties en aanvullingen voorzien: ∗ Friction welding:

Dick Fix van Friction welding B.V.

∗ Etsen: Eric Kemperman van Etchform B.V.

∗ Metaalgieten op basis van 3D-printen: Henk Buining van TNO en Ron Klauss van RP2


∗ Electro Chemical Machineing (ECM): Hans-Henk Wolters van ECM Technologies B.V.

∗ Metal Injection Moulding (MIM): Rob Egberink van Mimo Technology

∗ Elektromagnetisch Puls verbinden: Jeroen Rondeel van Pulseform B.V. ∗ Additive manufacturingtechnieken voor metalen: Henk Buining van TNO ∗ Elektroformeren:

Hans Berenschot van Stork Veco B.V.


2. (Rotation) Friction welding Omschrijving van de techniek: Rotation Friction welding (wrijvingslassen) is een verbindings-techniek waarbij twee metalen onderdelen aan elkaar gelast worden (zie fig. 2.1). Minimaal een van de twee onderdelen (de kleinste) moet rotatiesymmetrisch zijn (omdat met deze techniek alleen rotatiesymmetrische lassen kunnen worden gemaakt). Een onderdeel laat men op een bepaald toerental roteren (zie 1 bij fig. 2.1) waarna het tegen het andere deel wordt gedrukt (zie 2 bij fig. 2.1). Zodra deze delen elkaar raken treed wrijving op waardoor de delen warm zullen worden. Onder invloed van een drukkracht wordt de wrijvingswarmte opgevoerd tot in het smeedgebied van het materiaal (zie 3 bij fig. 2.1). Zodra het materiaal voldoende plastisch is worden de delen vast tegen elkaar gedrukt waarna de rotatie stopt (zie 4 bij fig. 2.1). Bij deze warmte en druk worden de atomen van de twee onderdelen zo dicht bij elkaar gebracht dat een las ontstaat (atomen trekken elkaar blijvend aan). Hierdoor wordt het materiaal eigenlijk aan elkaar gesmeed. Door het met een grote kracht tegen elkaar drukken van de onderdelen zorgt ervoor dat materiaal in de laszone weggedrukt wordt. Dit materiaal stulpt naar buiten uit (en bij buis ook naar binnen). In de meeste gevallen is het gewenst om dit overtollige materiaal te verwijderen. Dit wordt met een draaige-reedschap op dezelfde machine uitgevoerd (zie 5 bij fig. 2.1).

Fig. 2.1: Principe van wrijvingslassen


Constructie details: Het lasoppervlak moet rotatiesymmetrisch zijn. Hiertoe dient het onderdeel van het kleinste deel rotatiesymmetrisch te zijn. Het andere onderdeel mag in principe elke gewenste vorm hebben. Het rotatiesymmetrische onderdeel kan massief rond materiaal of buisvormig rond materiaal zijn. Wel dient beseft te worden dat als met buis wordt gewerkt, de inwendige ril meestal niet meer (eenvoudig) verwijderd kan worden. Het is mogelijk om twee verschillende metalen op deze manier aan elkaar te verbinden. Productafmetingen: Productafmetingen worden bepaald door de afmetingen van de productiemachine die gebruikt wordt. Aangezien er op dit moment in Nederland slechts een toeleverancier is die deze productietechniek als dienstverlening aanbiedt noemen we hier de afmetingen die dit bedrijf kan realiseren: • Lasoppervlak mag maximaal 6500 mm² zijn. • Maximale lengte die gelast kan worden is 3500 mm. • Het kleinste rotatiesymmetrische deel mag een maximale diameter

van 160 mm. hebben. • De minimale diameter die verwerkt kan worden is 20 mm.

Fig. 2.2: Foto van het lasproces (zie 4 bij fig. 2.1)


Toleranties: Doordat de warmte rotatiesymmetrisch wordt ingebracht zullen de delen veel nauwkeuriger met elkaar in lijn zijn dan bij andere lastechnieken. Er zullen vrijwel geen krimkrachten optreden die ervoor zorgen dat de hartlijnen van de onderdelen niet meer in elkaars verlengde liggen. Oppervlakteruwheden: De lassen worden middels draaien afgewerkt (het overtollige materiaal wordt flash genoemd). Deze flash wordt verwijderd als deze 1200 graden celcius is. Hiervoor gelden dezelfde toleranties en oppervlakteruwheden. Realiseerbare details: Minimale doorsnede van de te verbinden delen is 20 mm. Materialen: Wrijvingslassen is een verbindingstechniek die in principe geschikt is voor alle materialen die een plastische fase hebben. Hieronder vallen alle metalen en alle thermoplasten. Hier hebben we het alleen over productietechnieken voor metalen zodat we ons daar op beperken.

Fig. 2.3: Voorbeeld van effectieve inzet van (Rotation) Friction welding


Twee onderdelen van het zelfde materiaal zijn altijd op deze manier te lassen. Daarnaast is het mogelijk om onderdelen van verschillende materialen aan elkaar te lassen (hierbij is echter niet alles mogelijk). Indien men hier gebruik van wil maken is het verstandig om vooraf contact met de toeleverancier op te nemen. Productiesnelheid: Uitgangsmateriaal kan in principe gewoon gezaagd materiaal zijn (mits haaks gezaagd). Een complete goede doorlassing kan tot stand worden gebracht zonder dat de onderdelen voorbewerkt hoeven te worden (zie fig. 2.4). Las kan vaak binnen een of enkele minuten worden gemaakt. Bij zuigerstangen zal dit wat langer duren omdat dit een solid is, bij buis gaat het sneller omdat er aan de omtrek direct wrijving ontstaat Toepassingsgebieden: Wrijvingslassen heeft enkele typische toepassingsgebieden: • Als een product grote diameter verschillen heeft (zie fig. 2.5) is

het vaak veel zinvoller om het uit delen op te bouwen in plaats van uit massief te draaien. Hierdoor kan veel materiaal en bewerkingstijd worden bespaard.

• Indien verschillende materialen aan elkaar moeten worden verbonden is dit een lastechniek die zonder opmenging van het materiaal tot een stevige metallische verbinding leidt.

• Verbinden van buis of staf aan niet rond materiaal. • Als hoge eisen aan de lasverbinding moeten worden gesteld.

Fig. 2.4: Op deze doorsnede is goed te zien dat de las door en door goed is gelast. In deze foto

is het uitgestulpte materiaal nog te zien dat nog moet worden weggedraaid.


Prijzen: De prijs hangt sterk af of opspangereedschappen gemaakt moeten worden (bijvoorbeeld voor een niet rond onderdeel). Daarnaast is de te produceren hoeveelheid van belang (over hoeveel producten de instelkosten verdeeld kunnen worden). Indien producten geschikt zijn voor deze techniek, dan kan de kostprijs ten opzichte van gebruikelijke productietechnieken tot wel 10% terugvallen. Toeleveranciers: In de Benelux is er op dit moment slechte een bedrijf die deze productietechniek als dienstverlening aanbied: • Friction Welding Holland te Kampen

Fig.2.5: Voorbeeld de te behalen voordelen met Friction welding


Wanneer biedt deze techniek kansen: • Als een product grote diameter verschillen heeft is het vaak veel

zinvoller om het uit delen op te bouwen in plaats van uit massief te draaien. Hierdoor kan veel materiaal en bewerkingstijd worden bespaard.

• Indien verschillende materialen aan elkaar moeten worden verbonden is dit een lastechniek die zonder opmenging van het materiaal tot een stevige metallische verbinding leidt.

• Verbinden van buis of staf aan niet rond materiaal. • Als hoge eisen aan de lasverbinding moeten worden gesteld.

Fig. 2.6: Nog enkele toepassingsvoorbeelden


3. Etsen Omschrijving van de techniek: Etsen is een proces waarbij materiaal wordt verwijderd door het gericht plaatselijk chemisch op te lossen. De mate van materiaal-verwijdering wordt bepaald door het uitgangsmateriaal, door de etsvloeistof en door de verblijftijd in deze etsvloeistof. Door die plaatsen waar men geen materiaal wil verwijderen chemisch af te dekken kan voorkomen worden dat het materiaal daar wordt verwijdert. Het materiaal kan afgedekt worden middels een chemisch bestendig masker. Dit masker kan op verschillende manieren worden aangebracht. Een chemisch bestendige laag kan op het materiaal gespoten worden en vervolgens weer plaatselijk (daar waar materiaal moet worden verwijderd) worden verwijderd. Veelal wordt voor het opbouwen van het masker echter gewerkt met een fotogevoelige laag. Eerst wordt het materiaal oppervlak gereinigd (vetvrij maken). Op dit zuivere oppervlak wordt een fotogevoelige laag aangebracht. Door deze fotogevoelige laag plaatselijk te belichten en vervolgens te ontwikkelen, wordt deze fotogevoelige laag plaatselijk verwijderd. Daar waar deze laag is verwijderd wordt het materiaal blootgesteld aan de etsvloeistof en hierdoor wordt het materiaal verwijderd. Nadat het etsproces is voltooid wordt het restant van het masker verwijderd. Indien gebruik gemaakt wordt van een fotogevoelige laag spreken we over fotochemisch etsen. Het materiaal dat aan het etsmiddel wordt blootgesteld zal in alle richtingen gelijkmatig afnemen. Afhankelijk van de etsdiepte zal daardoor dus ook onder het masker materiaal worden verwijderd. Dit is dan ook de reden dat etsen met name bij dunne materialen wordt toegepast. Middels etsen is het zowel mogelijk om zowel blinde als doorlopende gaten in het materiaal aan te brengen.


Door het plaatmateriaal van twee zijden aan te etsen is het mogelijk om de nauwkeurigheid van doorlopende gaten verder te vergroten. Bij etsen speelt de hardheid van het uitgangsmateriaal geen enkele rol. Bij het etsproces treed geen braamvorming op. Etsen brengt geen spanningen in het materiaal aan zodat de materialen niet zullen vervormen en de fysische materiaaleigenschappen worden niet veranderd. Constructie details: Doordat het materiaal overal gelijkmatig wordt afgenomen is het verstandig om goed na te denken of het product eenzijdig of tweezijdig geëtst moet worden. Daarnaast zijn er enkele beperkingen waar rekening mee gehouden moet worden zoals: • Inwendige hoekradius: voor de inwendige hoekradius dient

minimaal met de plaatdikte te worden gerekend. • Uitwendige hoekradius: voor de uitwendige hoekradius dient

minimaal met 0,75 maal de plaatdikte te worden gerekend. • Als sleuven moeten worden geëtst dient de sleufbreedte minimaal

1,1 tot 2 maal de plaatdikte te zijn (afhankelijk van het toegepaste materiaal).

• Als sleuven worden geëtst dienen de tussenliggende dammen een minimale breedte te hebben die varieert tussen 0,8 en 2 maal de plaatdikte (afhankelijk van het toegepaste materiaal).

• Net als bij lasersnijden van dunne plaat kan ook bij etsen gebruik gemaakt worden van microjoints die de producten tijdens productie vasthouden en die na productie kunnen worden losgebroken. Bij het ontwerp dient men al wel rekening te houden met de eventuele plaats van deze microjoints.

• Ontwerpwijzigingen kunnen doorgaans snel en tegen lage kosten worden doorgevoerd. Hierdoor kan het ontwerpproces snel geoptimaliseerd worden.


Productafmetingen: Etsen is een proces wat met name wordt toegepast op dun plaatmateriaal met een materiaaldikte van 3 µm tot 1,5 mm. Dikkere plaatmaterialen zijn op zich goed mogelijk maar dan zijn andere bewerkingstechnieken vaak weer geschikter. De maximale afmetingen van het te bewerken plaatmateriaal wordt in principe alleen begrensd door de afmetingen van het belichtingsraam. Toleranties: Als vuistregel voor de bereikbare toleranties kan worden aangehouden ± 10% van de materiaaldikte die geëtst wordt (met een minimum van ± 0,01 mm. In overleg zijn eventueel kleinere toleranties haalbaar. Oppervlakteruwheden: De oppervlakteruwheid is met name van belang als er slechts een gedeelte van de materiaaldikte wordt weg geëtst. Aangezien de oplossnelheid overal in principe gelijk is (mits de condities gelijk zijn) zal de oorspronkelijke oppervlakteruwheid ook weer onder in het weggeëtste vlak terug te vinden zijn. Materialen: Vrijwel alle metalen kunnen via etsen worden bewerkt. Veel toegepaste materialen zijn: • Koper en koperlegeringen waaronder ook beryliumkoper,

fosforbrons en messing • Roestvaststaal legeringen zoals AISI 301, 302, 304, 310, 316, 321

en 430 • Nikkel, Hasteloy, Inconel 617, Invar, Alloy 42 en 7C27Mo2 • Molybdeen en Zilver • Titanium • Goud en Tantaal


Productiesnelheid: Productiesnelheid hangt af van te bewerken materiaal, de etsvloeistof (en de temperatuur daarvan). Daarnaast is de stroming van de etsvloeistof van belang. Toepassingsgebieden: Etsen kan overal worden toegepast waar in dun materiaal, zonder dat krachten op het materiaal worden uitgeoefend, nauwkeurige braamloze producten moeten worden geproduceerd. Hierbij kan gedacht worden aan bijvoorbeeld connectoren, codeerschijven, filters en zeven, inktjet nozzles en dergelijke. Geëtste producten worden toegepast in tal van branches zoals: automotieve industrie, defensie industrie, fijnmechanica, grafische industrie, lucht- en ruimtevaart, medische technologie, micro elektronica en dergelijke. Prijzen: Door de beperkte gereedschapskosten (maken van maskers), die onafhankelijk is van de complexiteit, is deze techniek relatief goedkoop. Zeker omdat meerdere producten gelijktijdig kunnen worden geproduceerd. Toeleveranciers: Etsen is op dit moment nog echt een niche productietechniek die slechts door enkele toeleveranciers worden aangeboden zoals: • Etchform BV te Hilversum (productie in Nederland) • Stork Veco B.V. te Eerbeek (productie in Nederland) • Precision Micro Europe te Best (productie in buitenland) Wanneer biedt deze techniek kansen: Etsen is reeds een oude techniek. Toch biedt deze techniek nu nieuwe kansen doordat producten kleiner, complexer en nauwkeuriger moeten worden. Zodra sprake is van onderdelen die uit dun plaatmateriaal gemaakt moeten worden kan etsen interessant zijn.


Hoe complexer de vormgeving en hoe nauwkeuriger de product moeten zijn, hoe eerder etsen interessant kan zijn. Etsen is een techniek die daarbij zowel voor enkelstuks productie als voor serie productie erg geschikt is.


4. Metaalgieten op basis van 3D-printen Omschrijving van de techniek: De laatste jaren zijn er veel verschillende ontwikkelingen geweest op het gebied van het laagsgewijs opbouwen van producten. Technieken zoals fused depsosition modeling FDM), stereolithografie en selectief laser sinteren (SLS) zijn rapid prototying technieken die breed bekend zijn. Deze technieken zijn erop gericht om direct een (meestal kunststof) product (prototype) te produceren. In toenemende mate ontwikkelen rapid prototyping technieken zich tot volwaardige productietechnieken. Naast de technieken die direct een gereed product opleveren zijn er ook indirecte technieken. Zo kan bijvoorbeeld op basis van een moedermodel een siliconenmal afgevormd worden, die gebruikt kan worden om met vacuüm gieten producten in af te gieten. Naast dergelijke technieken voor kunststof wordt in toenemende mate gekeken om vergelijkbare productietechnieken ook voor metaal in te kunnen zetten. In hoofdstuk 7 wordt de directe productietechniek waarbij metalen producten (middels selectief lasermelting) direct uit poeder worden opgebouwd, besproken. Naast deze directe productietechniek voor metalen zijn er de laatste jaren diverse indirecte productietechnieken ontwikkeld. In dit hoofdstuk gaan we alleen in op die indirecte technieken die gebruikt worden om metalen gietdelen te produceren. We kijken daarbij met name naar die technieken die gebruikt kunnen worden om het uiteindelijke product middels zandvormgieten of een variant van verloren-wasgieten te kunnen produceren. Daarnaast zijn er nog allerlei andere varianten die grotendeels nog in onderzoek zijn. Het voert in dit kader dan ook te ver om ook dergelijke technieken te behandelen.


Verloren-wasgieten Bij verloren-wasgieten kunnen twee verschillende methodes worden gebruikt om tot het verloren model te komen. De eerste methode is door middels een van de eerder genoemde RP-technieken een model te maken. Dit model wordt gebruikt om een siliconenmal af te gieten. Deze mal wordt vervolgens gebruikt voor het afgieten van wasmodellen. Daarna wordt dit wasmodel op de gebruikelijke manier van een keramische deklaag voorzien, waarna het product kan worden afgegoten (zie fig. 4.1).

Een tweede opkomende methode is om de ‘was’ middels een 3D-printer, laagsgewijs in de juiste vorm te printen. Deze techniek wordt op dit moment nog hoofdzakelijk gebruikt voor enkelstuks productie zoals voor sierraden. In plaats van was wordt meestal een ander soort kunststof gebruikt die verwerkt kan worden met een bepaalde 3D-printtechniek. Eigenlijk moeten we dan ook niet spreken van verloren was gieten, maar van verloren model gieten. Zandvormgieten Bij het zandvormgieten wordt middels selectief printen kwartszand met een (twee componenten) bindmiddel, laagsgewijs geprint. Hierbij is het ene component van het bindmiddel door het zand gemengd. Door het tweede component van het bindmiddel gericht te printen op het eerste component reageren deze twee met elkaar waardoor het zand zijn samenhang krijgt. Hierdoor hoeft dus niet vooraf een model gemaakt te worden.

Fig. 4.1: Voorbeeld van een product dat middels verloren-wasgieten is geproduceerd


Nadat de zandvorm is geproduceerd kan deze op de gebruikelijke manier worden afgegoten. In figuur 4.2 zijn twee zandvormdelen te zien die direct gebruikt kunnen worden op een metalen product af te gieten.

Constructie details: Aangezien de uiteindelijke productietechniek het verloren-wasgieten of het zandgieten is kunnen hier ook de voor deze technieken gebruikelijke details worden gerealiseerd. Productafmetingen: Verloren-modelgieten: Verloren-modelgieten wordt doorgaans gebruikt om kleine, nauwkeurige producten te maken. De beschikbare printers zijn hierop gericht zodat vrijwel alle producten die voor verloren-modelgieten in aanmerking komen op de beschikbare machines geproduceerd kunnen worden. Zandvormgieten: De haalbare productafmetingen hangen af van de grote van de gebruikte printer. De grootste printer die nu door Voxeljet in de markt is gezet kan maximaal een vorm van 4 x 2 x 1 meter printen (zie fig. 4.3).

Fig. 4.2: Voorbeeld van twee zandvormdelen die

middels 3D-printen direct vanuit een 3D- bestand zijn

geproduceerd.


Toleranties: Verloren-modelgieten: Globale haalbare tolerantie voor verloren-modelgieten is 0,3 tot 0,7 %. Deze toleranties worden door het printen van de was niet nadelig beïnvloed. Zandvormgieten: Globale toleranties voor zandvormgieten is 1,5 tot 3%. Doordat de printtechniek een maximale onnauwkeurigheid van 0,3% (met een maximum van ±0,3 mm) heeft wordt de giettolerantie hierdoor niet nadelig beïnvloed. In de praktijk zijn de gietdelen vaak nauwkeuriger dan wanneer gebruik gemaakt wordt van houten modellen. Oppervlakteruwheden en realiseerbare details: Oppervlakteruwheden worden door deze technieken niet nadelig beïnvloed. Ook de realiseerbare details blijven onveranderd (in sommige gevallen wordt het iets beter). Productiesnelheid: Verloren-wasgieten: De productiesnelheid voor verloren-modelgieten is vergelijkbaar met dezelfde technieken voor kunststoffen.

Fig. 4.3 Voxeljet 4000 is de op dit moment grootste printer voor het printen van zandvormen.


Zandvormgieten: De productiesnelheid is afhankelijk van de gebruikte machine en de afmetingen van de machine. Voxeljet heeft vijf verschillende machines die variëren van: • De kleinste machine met werkbereik 300 x 200 x 150 mm:

bouwsnelheid 12 mm/uur - wat resulteert in 0,7 liter/uur.

• De grootste machine werkbereik 4000 x 2000 x 1000 mm: bouwsnelheid 15,4 mm/uur - wat resulteert in 123 liter/uur.

Toepassingsgebieden: De toepassingsgebieden voor deze technieken liggen direct in het verlengde van de giettechnieken die ze ondersteunen. Met name daar waar het gaat om enkelstuks of kleine series complex gevormde delen kunnen geschikt zijn omdat daarbij de modelkosten relatief hoog uit zullen vallen. Bij zandgieten in kleine series kunnen soms met name de zandkernen aantrekkelijk zijn om te printen. Toeleveranciers: Verloren-wasgieten: Leverancier voor de machines: • 3D-systems te Rock Hill (USA) • Objet te Reinmünster (Duitsland) • Envisontec te Gladbeck (Duitsland) • Solidscape te New Hanshire (USA) • Rapidshape te Heimsheim (Duitsland)

Onder andere de volgende toeleveranciers bieden het aan om wasmodellen te printen: • RP 2 BV te Etten Leur • 3D-Artiflex te Venlo


• V & H Wasplotservice te Overloon

Zandvormgieten: Leverancier voor de machines: • Ex-one te Augsburg (Duitsland) • Voxeljet te Friedberg (Duitsland) Onder andere de volgende toeleveranciers kunnen geprinte zandvormen produceren of laten produceren: • Palio te Winterswijk • ZOLLERN Nederland B.V te Nieuwkuijk Wanneer biedt deze techniek kansen: Deze techniek biedt met name kansen als er behoefte is aan: • Enkelstuks of kleine series waarvoor de aanmaak van een model

relatief duur is. • Complexe vormen waarbij de kosten voor maken van de mallen

erg kostbaar is. • Zandkernen. • Bij onwikkelingtrajecten waardoor onderdelen makkelijk

aangepast moeten kunnen worden. Er kane en korte time-to-market worden gerealiseerd (ook bij het verwerken van aanpassingen).

• Bijzondere juwelen in kleine oplage. Deze technieken worden nog maar beperkt toegepast zodat veel kansen nog echt ontdekt moeten worden. Nauwe samenwerking met toeleveranciers is hierbij dan ook van groot belang.

Fig. 4.4: Product dat middels verloren-modelgieten is geproduceerd.


5. Electro Chemical Machining Omschrijving van de techniek: ECM is een productietechniek waarbij middels electrolyse materiaal wordt verwijderd. Onder invloed van een zoutoplossing en een elektrische stroom (gelijkstroom) gaat het materiaal in oplossing. De vorm die in het werkstuk moet worden aangebracht wordt in de elektrode aangebracht (zie figuur) . Deze elektrode wordt vervolgens op de negatieve pool aangesloten (kathode). Het werkstukmateriaal waar de vorm in aangebracht moet worden, wordt op de positieve pool aangesloten (anode). Om het proces goed te laten functioneren is een waterige zoutoplossing noodzakelijk. Deze geleidende vloeistof dient ervoor dat de atomen goed oplossen en zorgt er tevens voor dat het opgeloste materiaal wordt afgevoerd. Daarom is een goede spoeling van essentieel belang. Het proces kan geheel in de vloeistof worden uitgevoerd. Meestal wordt er echter gezorgd voor een goede spoeling door of bij de elektrode.

Fig.5.1: Principe van ECM


ECM is een contactloos proces waarbij het materiaal niet thermisch wordt beïnvloed. Ook worden er geen krachten op het werkstuk uitgeoefend zodat het proces de materiaal eigenschappen in het geheel niet beïnvloed. ECM wordt ingezet om producten helemaal vorm te geven. Daarnaast kan deze techniek ook gebruikt worden om gaten aan te brengen (elektrochemisch boren), bramen te verwijderen (elektrochemisch ontbramen) of op de oppervlaktestructuur te verbeteren (elektrochemisch polijsten). ECM lijkt in eerste instantie globaal op eroderen (EDM). Bij eroderen wordt echter gewerkt met een isolerende vloeistof waardoor het materiaal wordt verwijderd door vonkoverslag. Door deze vonkoverslag wordt het materiaal zwaar belast en ontstaat een zogenaamde witte zone. Bij ECM wordt gewerkt met een geleidende vloeistof, waardoor de elektrische stroom zorg draagt voor het losweken van de metaalatomen. Hierdoor worden de materiaal eigenschappen niet negatief beïnvloed. Constructie details: Kleine details kunnen probleemloos worden aangebracht, mits de vloeistofstroom is gewaarborgd. Lange smalle gaten en aparte vormen kunnen worden gerealiseerd (zie fig. 5.2).

Fig. 5.2: Een dergelijke spiraalvorm kan middels ECM relatief snel worden aangebracht.


Productafmetingen: De productafmetingen zijn gekoppeld aan de machine waarop geproduceerd gaat worden. Vooraf overleg met de toeleveranciers is hiervoor dan ook wenselijk. Toleranties: Middels ECM zijn erg fijne toleranties haalbaar. Zoals eerder gezegd kan deze techniek ook gebruikt worden om te polijsten, zodat dus gesteld kan worden dat polijsttoleranties haalbaar zijn. Oppervlakteruwheden: Afhankelijk van het toegepaste materiaal is een oppervlakte ruwheid Ra < 0,02 µm haalbaar. Realiseerbare details: Zeer fijne detail zijn middels ECM te realiseren. De enige begrenzing is de stabiliteit van de elektrode en de stromingsmogelijkheden van de vloeistof. In figuur zijn middels ECM fijne koelribben aangebracht. Materialen: Alle elektrisch geleidende metalen kunnen middels ECM worden bewerkt. Hierbij doet het er niet toe hoe hard het materiaal is (gehard gereedschapsstaal wordt net zo snel goed verwijderd dan ongehard gereedschapsstaal).

Fig. 5.3 : Links het product voor en rechts na ECM

behandeling. Duidelijk is te zien hoe een groot aantal fijne

koelribben zijn aangebracht.


Materialen die goed te bewerken zijn:

• Staalsoorten • RVS soorten • Aluminium legeringen • Titaan legeringen • Koper legeringen • Nikkel legeringen • Kobalt legeringen • Molybdeen • Wolfraam

Productiesnelheid: Hardheid, taaiheid en thermische weerstandsvermogen (thermal resistance) hebben geen invloed op de materiaalverwijderingssnelheid. Ook de materiaalsoort is nauwelijks van invloed op de verwijderingsnelheid, zodat aluminium vrijwel net zo snel wordt verwijderd als gehard gereedschapsstaal. Als indicatie kan aangehouden worden dat de materiaal afnamesnelheid ongeveer 1,5 cm³/min is (bij 1000 A DC). De afnamesnelheid bij ECM ligt veel hoger dan bij EDM (eroderen). De productiesnelheid is evenredig met de toegepaste stroomsterkte. Deze kan echter niet ongelimiteerd worden opgevoerd. Toepassingsgebieden: Elektrochemisch ontbramen en polijsten wordt veel toegepast. ECM wordt met name daar toegepast waar in moeilijke materialen veel lastige vormen moeten worden aangebracht. Per te bewerken product moet het proces nauwkeurig worden bekeken waardoor dit proces doorgaans minder geschikt is voor kleine series, tenzij met standaard elektroden kan worden gewerkt (zoals bij elektrochemisch boren).


Prijzen: Indien deze techniek goed wordt ingezet kan deze tot prijsverlagingen leiden van enkele tientallen procenten ten opzichte van alternatieve productietechnieken. Toeleveranciers: ECM is op dit moment nog een duidelijke niche productietechniek. Hierdoor zijn er slechts een klein aantal toeleveranciers die ECM als dienstverlening aanbieden waaronder: • ECM Technologies BV te Leeuwarden • Encoma BV te Weert Tot voor kort was Philips Drachten een belangrijke speler op dit gebied die ook zelf eigen machines ontwikkelde. Deze Philips activiteit is inmiddels overgenomen door Irmato in Weert. Wanneer biedt deze techniek kansen: Bij specifieke vormgeving dient eerst het proces te worden ontwikkeld (parameters bepalen). Hierdoor biedt het proces met name kansen bij grotere series van moeilijke producten (en materialen). Als voorbeeld van een dergelijk product (zie figuur ) waarbij dit turbinewiel binnen 12 minuten is geproduceerd. Daarnaast biedt het veel kansen voor het aanbrengen van standaard gaten (elektrochemisch boren) waardoor de verwijderingsnelheid hoog kan zijn

Fig. 5.4 : Turbinewiel dat in 12 minuten is geproduceerd. Dat is met andere technieken niet mogelijk.


6. Metal Injection Moulding Omschrijving van de techniek: Metal Injection Moulding (MIM) is een productietechniek waarbij vanuit metaalpoeder producten worden gevormd. Voordat het product geproduceerd kan worden wordt metaalpoeder vermengd met een bindmiddel(kunststof). Doordat metaalpoeder en bindmiddel goed gemengd zijn ontstaat een mengsel dat goed te spuitgieten is. Nu wordt de productvorm middels spuitgieten vormgegeven. Het nu geproduceerde product bestaat echter nog voor een belangrijk deel uit bindmiddel (wordt ‘groen’ product genoemd). Om dit bindmiddel te verwijderen volgt nu eerst een ovenproces waarbij het bindmiddel wordt verwijderd (het product wordt nu bruin genoemd). Dit bruine product is dus eigenlijk niets anders dan losse metaalpoeders die aan elkaar hangen met allerlei ruimtes tussen de poeders. Om nu tot functionele onderdelen te komen volgt een tweede ovenproces. In deze over wordt het metaalpoeder op een temperatuur gebracht die net onder het smeltpunt van het metaalpoeder ligt. Door de aantrekkingskrachten zullen de metaalpoeders toch in elkaar vloeien (sinteren) waardoor een dicht product ontstaat.

Fig.6.1: Enkele voorbeelden van typische MIM- producten


In principe is het mogelijk om de groene producten eerst nog te bewerken voordat de ovenprocessen plaatsvinden. Op deze manier kan met een spuitgietmatrijs eerdere uitvoeringsvormen van een product worden gevormd, waardoor nog kleinere series aantrekkelijk kunnen worden. Wel moet dan het kwetsbare, groene product worden verspaand. In de praktijk wordt dit echter niet of nauwelijks toegepast, behalve bij keramische materialen. Constructie details: Bij MIM komt het product middels spuitgieten tot stand. Hierdoor gelden voor MIM in principe dezelfde constructiedetails als die ook voor spuitgieten van kunststof gelden. Wel dient men er rekening mee te houden dat bij MIM met metaal en niet met kunststof gewerkt wordt. De minimaal benodigde wanddikte is afhankelijk van de Lengte/wanddikte verhouding. Hiervoor dient rekening gehouden te worden met: Wanddikte Lengte/Wanddikte verhouding(max.) 0,3 ≤ d < 1 mm L/d < 10 - 15 1 < d < 3 mm L/d < 15 – 30 d> 3 mm L/d > 25 - 35 Producten die middels MIM zijn geproduceerd zijn vrijwel altijd direct en volwaardig en nauwkeurig eindproduct. Alleen in heel speciale gevallen kan het nodig zijn om nog een bepaalde nabewerking uit te voeren (komt zelden voor).

Fig.6.2: Zelfs kleine diepe gaten is mogelijk met MIM


Productafmetingen: Theoretisch kunnen de producten die met MIM geproduceerd kunnen worden erg groot zijn (de enige eis is dat het te spuitgieten moet zijn en dat het in de ovens moet kunnen). Zodra producten echter groot zijn komen andere productietechnieken eerder in aanmerking die dan voordeligere producten op kunnen leveren. In de praktijk hebben MIM producten dan doorgaans ook slechts een volume van maximaal ongeveer 5 cm³. Toleranties: • Typische maatnauwkeurigheid ± 0,3% (absoluut ± 0,05 mm.). Als

limiet kan ± 0,1% worden gehaald (absoluut ± 0,02 mm.) • Rechtheid, parallelliteit 0,5% van de lengtemaat. • Hoeknauwkeurigheid ± 0º30' Oppervlakteruwheden: Typische oppervlakteruwheid Ra = 0,3 – 0,8 µm. Als limiet kan een Ra = 0,2 µm worden gehaald. Realiseerbare details: Als kleinste details kunnen worden gerealiseerd: • Product moet lossend zijn • Hoekradius ≥ 0.075 mm. • Lossing ≥ 0.5° • Diameter ≥ Ø 0.1 mm. • Wanddikte ≥ 0.3 mm. en ≤ 30 mm. • Gewicht ≥ 0.02 gr. t/m 100 gr. • Lengte ≤ 100 mm. Materialen: In principe kunnen alle metalen waarvan metaalpoeders beschikbaar zijn gebruikt worden om middels MIM te produceren. Veel gebruikte materialen zijn: • Roestvaststaalsoorten


• Nikkellegeringen • Kobaltlegeringen • Titaan en titaanlegeringen • Gereedschapsstalen • Koper en bronslegeringen Iedere toeleverancier werkt doorgaans met een eigen assortiment van materialen waar men uit kan kiezen. Daarom is het belangrijk om in een vroegtijdig stadium contact te hebben met de toeleverancier. Productiesnelheid: De producten worden middels het spuitgietproces in de juiste vorm gebracht. Hierdoor is de productiesnelheid erg hoog. Daarna volgen de ovenprocessen die batchgewijs worden uitgevoerd. MIM maakt het mogelijk om in korte tijd grote hoeveelheden van complexe, kleine producten uit moeilijk verspaanbare materialen te produceren. Een typische doorlooptijd van order tot levering is ≤ 2 weken (herhaalorder, gegeven Mimo Technology). Toepassingsgebieden: MIM onderdelen worden met name toegepast op die plaatsen waar kleine, complexe onderdelen worden gevraagd. Liefst als deze met zekere regelmaat terugkomen. Hierdoor heeft deze techniek zich onder andere in de loop der jaren bewezen in: • Automobiel industrie • Lucht- en ruimtevaart • Medische industrie • Telecom en semiconductor • Optische industrie • Security • Machinebouw


Prijzen: Productprijs hangt af van het toegepaste materiaal, de materiaalhoeveelheid per product, de complexiteit van het product (zit in de matrijsprijs) en van de te produceren hoeveelheden. Indien een product zinvol met MIM kan worden geproduceerd kan het prijsvoordeel t.o.v. andere technologiën soms oplopen tot 90% (afhankelijk van complexiteit en seriegrootte). Toeleveranciers: In Nederland zijn twee toeleveranciers actief die zelf produceren. Het gaat hierbij om: • Mimo Technology te Oldenzaal • ITB te Boxtel Daarnaast zijn er nog enkele partijen die deze techniek namens buitenlandse producenten aanbeden. Wanneer biedt deze techniek kansen: Deze techniek is met name interessant bij kleine, complexe onderdelen (≤ 50 gr.). Hoe complexer de onderdelen, hoe sneller deze techniek interessant wordt (eventueel ook voor producten die zwaarder zijn dan 50 gr.). Kleine complexe delen (< 50 gr.) zijn seriegroottes van 2500 stuks vaak al rendabel. Bij zeer hoogwaardige, complexe producten is MIM al zinvol in te zetten vanaf een seriegrootte van 500 stuks.


Voor een algemene indicatie van MIM ten opzichte van andere technieken zie onderstaande figuur.

Fig. 6.3: Indicatie van het toepassingsgebeid voor MIM (bron: Mimotech)


7. Elektromagnetisch Puls verbinden Omschrijving van de techniek: Elektromagnetisch Puls verbinden (Electro Magnetic Pulse Forming (EMPF) is een verbindingstechniek die gebruik maakt van elektromagnetische krachten om de verbinding tot stand te brengen. De twee te verbinden delen (binnen- en een buitendeel) worden met een bepaalde overlap over elkaar geschoven (zie fig. 7.1).

Vervolgens wordt de verbindingsplaats in een elektromagnetische spoel geplaatst. Om de verbonden onderdelen later weer uit de spoel te kunnen nemen wordt hiervoor gebruik gemaakt van een deelbare spoel. Door nu in een erg korte tijd (~35µs) een grote spanning (tot wel 500 kA) door de spoel te sturen wordt een in de spoel een erg sterk magnetisch veld opgewekt. Dit sterke magnetische veld genereert wervelstromen in het buitendeel van de verbinding. Deze wervelstromen op hun beurt genereren weer een sterk magnetisch veld in het buitendeel. De twee magnetische velden hebben een gelijke polariteit waardoor ze elkaar afstoten. Bij voldoende amperage zijn deze krachten groot genoeg om een sterke verbinding tot stand te brengen.

Fig. 7.1: Priciepe van elektromagnetische puls verbinding


Via EMPF kunnen twee verschillende soorten verbindingen tot stand worden gebracht: • Lasverbinding • Krimpverbinding

Lasverbinding Door het kiezen van de juiste machine-instellingen kunnen de atomen van buiten- en binnendeel zo dicht bij elkaar gebracht worden dat er een metallische verbinding (las) ontstaat. Dit vraagt een gedurende een kort moment een erg hoge kracht. Een dergelijke las lijkt dan ook erg op een explosielas (materialen van binnen- en buitendeel haken in elkaar). Deze las wordt onder “koude”omstandigheden aangebracht wardoor er geen sprake is van een warmtebeïnvloede zone. Doordat de materialen metallische met elkaar zijn verbonden ontstaat een gasdichte verbinding. Aangezien dit een koud lasproces is zijn hierbij geen beschermgassen nodig. Tevens is het hierdoor mogelijk om materialen met een geheel verschillend smeltpunt aan elkaar te lassen. Het magnetisch pulslasproces moet steeds uitgevoerd worden met een initiële luchtspleet tussen binnen- en buitendeel. Deze kleine luchtspleet is noodzakelijk om ervoor te kunnen zorgen dat het materiaal van het buitendeel voldoende snelheid heeft om de atomaire verbinding met het materiaal van het binnendeel aan te gaan. Krimpverbinding Het elektromagnetisch pulskrimpen vindt op een vergelijkbare manier plaats als het elektromagnetisch pulslassen. Het grote verschil is echter dat met veel kleinere krachten gewerkt kan worden. Middels het pulskrimpen wordt een vormverbinding gemaakt die uiterlijk vergelijkbaar is met clinchen.


Het binnendeel wordt voorzien van een reliëf. Door de elektromagnetische puls wordt het materiaal van het buitendeel met kracht vervormd dat dit ook het reliëf volgt (zie fig. 7.2). Hierdoor is een sterke vormverbinding verkregen, die afhangt van het gekozen reliëf. Doordat er geen atomaire verbinding tussen binnen- en buitendeel tot stand komt is deze verbinding in principe niet gasdicht (afhankelijk van het gekozen reliëf kan het voor bepaalde gassen echter toch gasdicht zijn). Overige mogelijkheden met elektromagnetische krachten Een elektromagnetische puls is niet alleen in te zetten voor krimp- of lasverbindingen. Deze contactloze manier van kracht op een werkstuk brengen biedt ook mogelijkheden om bijvoorbeeld vlakke plaat om te vormen (ook hierbij lijkt het proces op het explosief omvormen). Door een vlakke plaat op een ponsmatrijs te leggen en er vervolgens een magnetische puls op los te laten kunnen contactloos, erg nauwkeurige gaten in plaatmateriaal worden aangebracht.

Fig. 7.2: Resultaat van de elektromagnetische pulse verbinding


Door allerlei kennisinstellingen worden dergelijke productietechnieken op dit moment onderzocht en verder ontwikkeld. Elektromagnetische omvormen is een erg snel proces. Veel materialen zullen hierdoor verder vervormbaar (voordat scheurvorming optreedt) zijn dan middels andere vormgevingsprocessen mogelijk is.

Constructie details: • Pulslassen

Bij pulslassen treden erg grote krachten op. Daarom is het hierbij noodzakelijk om cilindrische delen aan elkaar te verbinden (de enorme optredende krachten zijn dan met elkaar in balans zodat de vormgeving gehandhaafd blijft).

• Pulskrimpen Bij pulskrimpen treden veel kleinere krachten op. Hierdoor kunnen cilindrische, elliptische en rechthoekige werkstukken worden verbonden.

Fig. 7.3: EMPF machine


Productafmetingen: In principe zijn de productafmetingen allen gelimiteerd door de beschikbare productiemachines en de elektromagnetische puls die ze op kunnen brengen. Voor het pulskrimpen moeten we voorlopig uitgaan van een maximale buitendiameter van 160 mm. De productafmetingen worden verder met name bepaald door de elektromagnetische kracht die de verbindingsmachine kan opbrengen. Bij goed geleidende materialen kan een dikkere wanddikte worden vervormd dan bij een minder goed geleidend materiaal. Toleranties: Toleranties zijn in principe niet van toepassing omdat het materiaal van het buitendeel wordt doodgedrukt wordt tegen het materiaal van het binnendeel. Oppervlakteruwheden: Oppervlakteruwheden zijn hier niet relevant. Wel kan met voorgelakte onderdelen gewerkt worden die niet worden beschadigd. Realiseerbare details: Hangt er van het materiaal van het buitendeel en de wanddikte af. Materialen: Deze techniek leent zich voor alle geleidende materialen, waarbij wel geldt dat hoe beter een materiaal elektrisch geleidend is, hoe beter (met minder energie) het middels een elektromagnetische puls te verbinden is. Hierbij is het alleen noodzakelijk dat het buitendeel elektrisch geleidend is. Buitendelen van aluminium of koper zijn dan ook met minder energie te verbinden dan bijvoorbeeld roestvaststaal. Deze verbindingstechniek maakt het mogelijk om voor de binnen- en de buitendelen andere materialen te kiezen )(hybride verbinding). Aangezien de verbinding contactloos tot stand komt kunnen voorgelakte materialen worden toegepast.


Aangezien EMPF een relatief jonge techniek is zijn en nog slechts ervaringen opgedaan met een beperkt aantal materialen, zodat niet alle machine-instellingen voor een specifieke toepassing vooraf bekend zullen zijn. Productiesnelheid: De productiesnelheid van een verbinding is erg hoog (miliseconden). De tijd wordt met name bepaald door het verwijderen van het gereed product en het inleggen van de onderdelen voor het volgende product. Toepassingsgebieden: De meest belangrijke toepassingsgebieden voor deze techniek wordt gezien in de volgende sectoren: • Automobielindustrie • Lucht- en ruimtevaart • Koel- en aircosector. De toepassingen zitten dan in het verbinden van buizen aan flenzen, het verbinden van deksels aan filters en dergelijke.

Fig. 7.4: Voorbeeld van een lasverbinding


Prijzen: Veel van de verbindingen die met deze techniek gemaakt worden werden voorheen gemaakt middels hardsolderen. EMPF kan dan de kostprijs van de verbinding met ongeveer 50% verminderen. Toeleveranciers: Op dit moment zijn er in Nederland slechts twee bedrijven actief met deze techniek: • Pulseform te Venlo

Ontwikkeld en bouwt machines voor EMPF • Tubeworkx te Almelo

Past EMPF techniek voor klanten toe Wanneer biedt deze techniek kansen: EMPF is een techniek die uitermate geschikt is als vervanger van soldeer- en lijmtechnieken. Doordat het een contactloze techniek is kunnen ook voorgelakte onderdelen worden verbonden. Aangezien geen materiaal hoeft te worden toegevoegd (zoals soldeer of lijm) is dit een snel en zuivere (milieuvriendelijke) techniek. Deze techniek is dan ook overal zinvol inzetbaar waar een betrouwbare en voordelige verbinding wordt gewenst.

Fig. 7.5: Voorbeeld van een krimpverbinding


8. Additieve manufacturingtechnieken voor metalen

Omschrijving van de techniek: Bij additieve manufacturingtechnieken (AM) wordt een product geproduceerd door materiaal toe te voegen. Er zijn allerlei technieken die gebruik maken van het toevoegen van materiaal. Als we het hebben over additieve manufacturingtechnieken voor metalen wordt echter meestal die technieken bedoeld die uitgaan van poedervormige materialen. Door selectief materiaal aan het product toe te voegen kan het product naar zijn eindvorm toegroeien. Om dit voor elkaar te krijgen wordt uitgegaan van een nauwkeurig aangebrachte laag metaalpoeder. Door nu plaatselijk energie aan het poeder toe te voegen (middels een laser of een elektronenstraal) zal het metaal daar ter plaatse sinteren, of bij meer energietoevoer smelten. Nadat alle poeder dat deel van het product moet gaan uitmaken in deze laag is behandeld, zakt het bouwplatform één laagdikte, waarna een nieuwe laag metaalpoeder wordt aangebracht. Het overtollig aangebrachte metaalpoeder wordt middels een veegarm (recoater) weer verwijderd, zodat er overal exact dezelfde laagdikte is opgebracht. Door nu in dit verse poederbed opnieuw op de gewenste plaatsen energie toe te voeren wordt dit proces herhaald waardoor het poeder onderling én met de onderliggende laag versmelt. Verschillende benamingen: Veel machineleveranciers hebben de neiging om zelf een eigen benaming voor de techniek te bedenken. Hierdoor wordt doorgaans veel spraakverwarring gecreëerd. Hierbij gaat het om termen als 3D-printen, SLS (selectief laser sinteren), SLM (selectief laser melting), Laser cusing, DMLS (direct metal laser sintering).

Fig. 8.1: Dwarsdoorsnede manifold


Om misverstanden te voorkomen wordt deze techniek tegenwoordig internationaal voortaan Powder Bed Fusion genoemd. Directe technieken versus indirecte technieken: Additieve technieken kunnen zowel op een directe als op een indirecte manier worden ingezet om producten te fabriceren. Hier omschrijven we de directe methode, waarbij direct uit metaalpoeder een product wordt gevormd. Daarnaast kan deze techniek ook worden ingezet om op een indirecte manier producten te vormen. Hierbij wordt een additive techniek bijvoorbeeld gebruikt om een gietmal te vormen (of een ‘verloren’ model) die vervolgens wordt gebruikt om met vloeibaar metaal een eindproduct af te gieten. Deze indirecte techniek is in hoofdstuk 3 behandeld. Laser versus elektronenbundel: De meeste leveranciers van machines gebruiken een laser om de energie op de juiste plaats te krijgen. Alleen Alcan bouwt machines die voor de energietoevoer gebruik maken van een elektronenstraal. Welke energiebron wordt toegepast heeft directe consequenties voor zowel te behalen nauwkeurigheden als de kostprijs. Globaal kan men stellen dat bij het toepassen van de elektronenstraal de materiaaleigenschappen hoogwaardiger zijn en de productiviteit hoger is en dat bij het toepassen van laser betere details kan produceren en de oppervlaktestructuur vele beter is. Spanningsopbouw: Bij het stollen van metalen neemt het volume af. Hierdoor ontstaan in het materiaal spanningen (zoals iedereen kent van lasconstructies). Bij deze productietechniek maken we een product door een groot aantal lasjes te maken. Hierdoor worden intern grote spanningen opgebouwd, met alle gevolgen van dien. Om de spanningen enigszins onder controle te kunnen houden is het noodzakelijk om de producten op een dikke metalen grondplaat op te bouwen die het product tijdens productie recht moet houden. Het product wordt op deze grondplaat vastgelast.


Hierdoor moet het product later (middels draaderoderen) weer van de grondplaat worden vrijgemaakt. Door het temperatuurverschil zo klein mogelijk te houden kunnen de spanningen worden geminimaliseerd (opbouwen in een voorverwarmde opbouwkamer). Dit heeft tevens tot gevolg dat de bouwsnelheid kan worden verhoogd (er hoeft minder energie te worden toegevoerd). Bij SLS (selectief laser sinteren) van kunststoffen heeft het kunststofpoeder voldoende dragend vermogen om zelf als ondersteuning te kunnen functioneren. Bij metaalpoeders is dit dragend vermogen van het metaalpoeder echter onvoldoende, zodat hier meestal wel met supportconstructies gewerkt moet worden. Deze supports moeten later middels freesbewerkingen weer verwijderd worden. Tijdens het opbouwen komt het materiaal plaatselijk op smelttemperatuur. Daarom moet de smelt tegen oxidatie worden beschermd. RVS, gereedschapsstalen en nikkellegeringen worden meestal in een stikstofomgeving opgebouwd. Aluminium- en titaniumlegeringen worden meestal onder Argon opgebouwd. Daarnaast kan uiteraard ook onder vacuüm worden opgebouwd (wordt alleen toegepast door Arcan). Constructie details: Om deze techniek goed toe te kunnen passen zijn er een groot aantal constructiedetail om rekening mee te houden. Het voert te ver om die hier allemaal te behandelen. De meest belangrijke worden hier kort aangetipt: • Opbouwrichting: Vooraf moet goed nagedacht worden over de

opbouwrichting.

Fig. 8.2: Vloeiende stromingskanalen


Deze dient zo gekozen te worden dat de veegarm niet tegen oneffenheden aan kan lopen die tijdens het opbouwproces kunnen ontstaan (product parallel opbouwen met de beweegrichting van de veegarm.

• In grote dikke vlakken kunnen makkelijk grote spanningen ontstaan. Deze dienen dan ook vermeden te worden. Beter is het in dergelijke gevallen om het product onder een lichte hoek op te bouwen (hierdoor is de krimplengte in een laag kleiner).

• Vermijd scherpe hoeken. • Hoge smalle onderdelen kunnen vanwege de spanningen makkelijk

kromtrekken. Vermijd dergelijke onderdelen. Indien deze toch geproduceerd moeten worden, breng dan ondersteuningsstructuur aan.

• Zodra een product in een volgende laag verbreed moet worden is in principe support nodig. Zodra de hoek(plaatselijke hoek tussen product en horizon) aan de volgende eisen voldoet is support niet nodig: • Hoek ≥ 20 tot 30° bij Titanium • Hoek ≥ 30° bij RVS, Cobalt Chrome • Hoek ≥ 45° bij Aluminium en Inconel

• Indien volgens bovenstaande regels support nodig is, kan deze toch nog vaak voorkomen worden door het product onder een hoek te produceren, waardoor het product weer wel aan bovengenoemde eisen voldoet.

• Toeleveranciers die deze techniek aanbieden zorgen zelf voor het aanbrengen van het juiste support (als klant hoef je daar niet over na te denken. Een goede toeleveranciers zal het support zo aanbrengen dat het support weer goed en eenvoudig te verwijderen is. Productafmetingen: De te produceren productafmetingen zijn gelimiteerd door de beschikbaarheid van de om de markt zijnde machines. Globaal kunnen we de machines indelen in drie grootte klassen:


• Klein: Grootte van de opbouwruimte is doorgaans 125 x 125 mm. Afhankelijk van de machinefabrikant varieert de maximale bouwhoogte tussen 100 en 125 mm.

• Middel: Grootte van de opbouwruimte is doorgaans 250 x 250 mm. Afhankelijk van de machinefabrikant varieert de maximale bouwhoogte tussen 250 en 350 mm.

• Groot: Er zijn slechte enkele grote machines op de markt met als bouwgrootte: o Conceptlaser: 630 x 400 x 500 mm (l x b x h) o SLM: 500 x 280 x 325 mm (l x b x h)

Hoe groot de producten kunnen zijn die opgebouwd moeten worden hangt naast van de opbouwruimte in de gebruikte machine tevens af van de manier waarop het product opgebouwd moet worden. Daarnaast is het van belang welke nauwkeurigheidseisen er aan een product gestelmoeten worden. Hoe groter het product, hoe moeilijker het is om aan de gestelde nauwkeurigheidseisen te voldoen (spanningen zorgen voor maatafwijkingen). Toleranties: Via Powder Bed Fusion technieken worden vrijwel altijd “near shape” onderdelen geproduceerd. Dit houdt in dat voor de vlakken die nauwkeurig moeten zijn vrijwel altijd nabewerkingen nodig zijn. Zeker pasvlakken moeten altijd worden nabewerkt. Als indicatie voor de te bereiken nauwkeurigheid kan men uitgaan van: • Voor erg kleine producten ± 0,01 tot enkele honderdste mm • Voor kleine tot handgrootte producten ± 0,1 tot enkele tienden

mm. Bereikbare toleranties zijn sterk afhankelijk van de geometrie.

Fig. 8.3: Inwendige fijne open structuren


Oppervlakteruwheden: Typisch te behalen oppervlakte ruwheid = Ra = 5 µm. In optimale omstandigheden is Ra = 4 µm haalbaar. Realiseerbare details: Wat voor details exact mogelijk zijn hangt af van de gebruikte machine, de toegepaste poeders en van de manier waarop het product wordt opgebouwd. Als standaard kan het beste uitgegaan worden van: • Het beste kan ervoor gezorgd worden voor een wanddikte van

minimaal 1 mm. • Nauwkeurige details zijn mogelijk in de verticale richting. Zo kan

vertikaal bijvoorbeeld een gat met een diameter van 0,4 mm. worden opgebouwd. Wil men een gat horizontaal opbouwen, dan zijn er allerlei belemmeringen (support is nodig). Door de interne spanningen zal het mooie rond bedoelde gat ovaal worden.

• Support kan alleen daar zinvol worden toegepast waar het support ook weer bereikbaar is om het weer te verwijderen.

Materialen: Deze techniek wordt op dit moment nog maar beperkt ingezet. SLM heeft veel weg van een lasproces. Daarom zijn in principe alle lasbare materiaalsoorten geschikt voor SLM. In allerlei publicaties wordt aangegeven dat het grote probleem de beschikbaarheid van de metaalpoeders is. Kijken we echter naar de beschikbaarheid van metaalpoeders, dan zijn deze eigenlijk op grote schaal en in allerlei uitvoeringen beschikbaar. Dit komt omdat er veel productieprocessen zijn die als uitgangs-materiaal metaalpoeders gebruiken (thermische spuitprocessen, sinterprocessen en dergelijke). Het probleem van de materialen zit op een ander niveau. De machines die voor deze techniek gebruikt worden zijn erg complexe machines.


Middels een groot aantal, materiaalafhankelijke parameters moet dit nauwkeurige proces worden ingeregeld. Hiervoor dient men bij de betreffende machines naast over de materialen te beschikken over de bijbehorende instelparameters. Deze instelparameters zijn doorgaans niet beschikbaar, wat in de volkmond vertaald wordt dat de materialen niet beschikbaar zijn. Het vastleggen van deze instelparameters kost doorgaans veel tijd. Bij toeleverancier Layerwise (Leuven) bepaald men zelf de instelparameters voor de toegepaste materialen. Als men hier een nieuw materiaal willen toepassen plant men hier doorgaans ongeveer zes maanden voor om de procesparameters goed vast te stellen. Machineleveranciers hebben zelf doorgaans slechts voor een beperkt aantal materialen de procesparameters vastgelegd. Het aantal materialen waarvan de procesparameters bekend zijn groeit constant. Op dit moment zijn de volgende materialen bij minstens twee leveranciers direct inzetbaar: Werkstofnummer/naam: Omschrijving: 1.2344 Gereedschapsstaal 1.2709 Gereedschapsstaal 1.4404 RVS 316L 1.4540 RVS 1.4542 RVS 2.4668 Inconel 718 AlSi10Mg Aluminium CoCrMo Superlegering Middels deze techniek kan een materiaaldichtheid van vrijwel 100%. De materiaaleigenschappen zijn vergelijkbaar met die van stafmateriaal (soms zelf iets beter).

Fig. 8.4: Koelkanalen kunnen ook gebruikt worden voor nauwkeurige temperatuursstabilisatie.


Vermoeiingssterkte, breukrek en kerfslagwaarde zijn typische eigenschappen die bij deze productietechniek achter kunnen blijven dan bij het toepassen van verspaande onderdelen. Bouwsnelheden: De bouwsnelheid is afhankelijk van een aantal factoren. In eerste instantie is de hoeveelheid energie die door de laser of de elektronenstraalbundel kan worden toegevoerd van groot belang. Om de bouwsnelheid te vergroten worden er nu reeds machines met meerdere laserbronnen uitgerust. De toegepaste laagdiktes zitten bij vrijwel alle machines tussen de 20 en 150 µm. Afhankelijk van de manier waarop de producten opgebouwd moeten worden en de effectieve benutting van het bouwvlak kan 5 tot 20 cm³ per uur worden opgebouwd. Bij gebruik van een elektronenstaalbundel kan de bouwsnelheid oplopen tot 80 cm³ per uur (bij voorverwarmde bouwkamer en 3 kW elktronenstraalbundel. Deze elektronenstraal is echter zo krachtig dat het poeder kan worden weggeblazen. Daarom is het hierbij vaak noodzakelijk om de poeder voor te sinteren (met de bundel licht aan elkaar sinteren van de poederkorrels. De bouwtijd is echter niet de enige tijd die voor de productie nodig is. Om spanningen te reduceren is het goed om bij gebruik van een voorverwarmde bouwkamer deze rustig af te laten koelen. Deze afkoeltijd is dan ook onderdeel van de productietijd. Deze productietechniek vraag om diverse nabehandelingen (warmtebehandeling, nafrezen, slijpen en draaderoderen). Dit kan leiden tot een significante verlenging van de doorlooptijd en tot een forse verhoging van de productiekosten. Toepassingsgebieden: Deze techniek wordt op dit moment hoofdzakelijk toegepast in de volgende toepassingsgebieden:


• Industrie: Matrijsonderdelen, turbinebladen e.d. De producten vragen doorgaans een nauwkeurigheid die hoger is dan nu met deze techniek haalbaar is. De gewenste nauwkeurigheid dient dan ook achteraf middels een verspanende bewerking te worden aangebracht.

• Medisch: Met name voor medische implantaten wordt deze techniek goed en effectief ingezet. De nauwkeurigheidseisen zijn hier beperkt.

• Dental: Klantspecifieke frames worden met deze techniek geproduceerd. Nauwkeurigheidseisen zijn beperkt.

• Sierraden: klanten die unieke sierraden willen laten maken. Aan sierraden worden relatief lage nauwkeurigheidseisen gesteld.

Prijzen van machines: Onderstaande prijzen mogen alleen als indicatie gezien worden (situatie 2012). Deze prijzen zijn afhankelijk van bouwafmetingen, energiebron en machine-uitvoering (bijvoorbeeld een verwarmde opbouwruimte of niet of meerdere energiebronnen). • Kleine: € 195.000 tot € 345.000 • Middel: € 359.000 tot € 531.000

De Alcan machine (elektronenstraalbundel) is beduidend duurder. Een machine met een bouwgrootte van 200 x 200 x 350 mm. (l x b x h) kost € 629.000.

• Bij de grote machines zijn meerdere uitvoeringsvormen mogelijk waardoor de prijs niet goed te noemen is. Prijzen vanaf circa € 600.000.

Fig. 8.5: Veerbalg met een groot aantal

kleien koelkanalen.


Machine leveranciers: Power Bed Fusion van metalen is een echte Europese ontwikkeling. Alle machineleveranciers komen uit Europa: • EOS, Conceptlaser, Realizer, SLM solutions (Duitsland) • Renishaw (Engeland) • Phenix Systems (Frankrijk) • Arcan (elektronenstaalmachine) (Zweden) Indicatie van productprijs: Voor handgrootte producten kan als grove indicatie uitgegaan worden van een kostprijs voor het gerede product van ongeveer € 4000 /kg gereed product (inclusief nabehandelingen en dergelijke). Toeleveranciers: Op dit moment zijn er slechts enkele bedrijven die deze productietechniek aan anderen als dienstverlening aanbieden. Het gaat hierbij om de volgende bedrijven: • LayerWise (België) • Melotte (België) • Innoshape (Duitsland) • Polyshape (Frankrijk) • Philips Medical Nederland (doet alleen wolfraam) Wanneer biedt deze techniek kansen: Zoals in alle bladen te lezen is, is deze techniek veelbelovend. Vanwege de beperkte beheersbaarheid van de spanningen zal het echter nog geruime tijd duren voordat dit echt breed ingezet kan worden. Veel kansen biedt deze techniek wanneer kleine producten klantspecifiek geproduceerd moeten worden. Zeker daar waar de nauwkeurigheidseisen beperkt zijn. Voorlopig is het toepassen van deze techniek nog erg duur. Deze techniek is dan ook met name geschikt als: • Door toepassing van deze techniek de performance van het product

kan worden verbeterd:


o Denk hierbij bijvoorbeeld aan koelkanalen in spuitgietmatrijzen, waardoor de cyclustijd van het spuitgieten kan worden verkort.

o Gas of vloeistofstromen dien door gebruik van deze techniek beter door het product kunnen stromen (natuurlijkere vormen)

• Verschillende functies in één product kunnen worden geïntegreerd: o Denk hierbij bijvoorbeeld aan gelijk mee geproduceerde

bladveertjes. • Klantspecifieke producten: o Denk hierbij bijvoorbeeld aan medische implantaten die

klantspecifiek geproduceerd moeten worden. Open structuur is erg geschikt voor botingroei.

o Dentale frames. • Complexe onderdelen. o Turbine bladen.


9. Elektroformeren Omschrijving van de techniek: Elektroformeren is een galvanische productietechniek waarbij metaal wordt neergeslagen op een matrijs, totdat het gewenste product met de gewenste dikte is ontstaan (dit wordt ook wel opgroeien genoemd). Het proces lijkt gedeeltelijk op het etsproces, met het verschil dat bij etsen plaatselijk materiaal wordt verwijderd en bij elektroformeren net materiaal wordt toegevoegd. Bij elektroformeren gaan we uit van een substraat waarop het product wordt opgebouwd. Dit substraat moet goed schoon zijn, zodat de aan te brengen laag zich goed op het substraat kan hechten. Het substraat wordt vervolgens middels een masker afgedekt op die plaatsen waar geen materiaal mag worden afgezet. Om dit masker te vormen wordt ook hier doorgaans gebruik gemaakt van een fotogevoelige laag. Op het gehele oppervlak wordt een fotogevoelige laag aangebracht. Door vervolgens deze fotogevoelige laag plaatselijk te belichten en vervolgens te ontwikkelen, wordt deze fotogevoelige laag plaatselijk verwijderd. Daar waar gaten in het product moeten komen wordt de fotogevoelige laag niet belicht en functioneert deze laag daar als masker. Het voorbehandelde substraat wordt vervolgens in een galvanisch bad gebracht. Via een galvanisch proces wordt nu vervolgens materiaal op het substraat aangebracht. Dit proces wordt veelal uitgevoerd op vlakke plaatmaterialen (zie fig. 9.1) maar is ook mogelijk om uit te voeren op 3D gevormde substraten. Om een 3D gevormd product te produceren wordt uitgegaan van een opbouwvorm (zie fig. 9.2).


Constructie details: Er zijn een aantal specifieke constructieregels waar men zich aan dient te houden. Deze zijn echter zo gecompliceerd dat het hier geen zin heeft om deze verder toe te lichten. Direct contact met een toeleverancier die de vormgeving van het product kan bekijken en zijn expertise gericht in kan brengen is hier essentieel. Productafmetingen: Elektroformeren is een productiemethode om met name dunne producten op te bouwen. Het gaat hierbij veelal om producten met een materiaaldikte van 0,01 tot 0,5 mm. Met elektroformeren kunnen nog fijnere structuren worden gemaakt dan met etsen (zie fig. 9.3). Om praktische redenen beperkt de maximale grootte zich tot 1,5 x 1,5 m.

Fig. 9.1: De bekendste geëlektroformeerde producten zijn scheerfolies en het nozzle plaatje van een intkjet cartridge. Iedereen kent deze producten, maar bijna niemand weet dat ze middels elektroformeren worden gemaakt.

Fig. 9.2: Aluminium opbouwvorm waarop middels elektroformeren een metaallaag wordt aangebracht. Door vervolgens het aluminium weg te smelten ontstaat een erg dunwandig product, in dit geval een veerbalgje.


Toleranties: Bij elektroformeren zijn toleranties van ± 0,0010 mm. goed mogelijk. In extreme gevallen zijn toleranties tot ± 0,0001 mm. haalbaar. Het gehele proces is erg reproduceerbaar en daarmee zeer geschikt voor het nauwkeurig vervaardigen van zowel enkelstuks als voor zeer grote series. Oppervlakteruwheden: Bij elektroformeren ontstaat een glad oppervlak (het materiaal wordt gelijkmatig opgebouwd. Doordat het een opbouwproces is kan hierbij geen braamvorming optreden. Doordat geen warmte wordt toegevoegd zla het materiaal ook niet verkleuren (zoals bij laserbehandelingen wel het geval is). Realiseerbare details: Er kunnen de meest uiteenlopende producten gemaakt worden. Gezien de opgroei methode van electroformeren (ion voor ion) zijn zeer complexe patronen te maken. Gaten kunnen bijvoorbeeld conisch worden gemaakt, zodat er tijdens gebruik van het product een kleinere kans op verstopping ontstaat (toepassing filter). Gatgroottes van 3 micron (0,0003 mm.), of dambreedtes van 20 micron zijn geen uitzondering.

Fig. 9.3: Geëlektroformeerd product met veel nauwkeurige details


Materialen: Het meest toegepaste materiaal bij electroformeren is nikkel. Daarnaast zijn ook verschillende andere afwerkingsmaterialen mogelijk zoals koper, zilver, goud of legeringen van palladiumnikkel en fosfornikkel. Ook kan de hardheid van het materiaal beïnvloedt worden. Het een en ander is sterk afhankelijk van de toepassing en de wensen van de klant. Productiesnelheid: Elektroformeren is een sneller proces dan etsen. De productiesnelheid is vergelijkbaar met die van ECM (zelfde soort proces maar andersom uitgevoerd). Omdat de producten veelal klein zijn ten opzichte van de matrijs kunnen er veel producten tegelijkertijd vervaardigd worden. Hiermee kunnen er in een relatief korte tijd zeer veel producten geproduceerd worden Toepassingsgebieden: Electroformeren is een techniek die zeer uiteenlopende toepassingen kenteken groot voordeel van deze productiemethode is het vervaardigen van zeer dunne producten, die spanningsvrij en braamloos worden gemaakt. Hierbij kan gedacht worden aan bijvoorbeeld connectoren, codeerschijven, filters en zeven, inktjet nozzles en veel denkbare preciesiedelen. Geëlectrofomeerde producten worden toegepast in tal van branches zoals: automotive industrie, defensie industrie, fijnmechanica, grafische industrie, lucht- en ruimtevaart, medische technologie, micro elektronica en dergelijke. Dit is in principe hetzelfde toepassingsgebied wat ook voor etsen geldt. Toeleveranciers van etsen bieden doorgaans ook het elektroformeren aan, zodat deze toeleveranciers samen met de klant kunnen kiezen voor de in die situatie meest zinvolle productietechniek.


Prijzen: De gereedschapskosten (maken van maskers), die onafhankelijk is van de complexiteit, zijn relatief laag. De productkosten zijn sterk afhankelijk van de gevraagde tolerantie, de grootte van het product, de eventuele deklagen (goud, palladium) en de gewenste dikte. Doordat deze techniek sneller is dan etsten zal de prijs dan ook lager zijn dan bij het etsproces. Toeleveranciers: Elektroformeren is op dit moment nog echt een niche productietechniek die slechts door enkele toeleveranciers worden aangeboden zoals: • Etchform BV te Hilversum (productie in buitenland) • Stork Veco B.V. te Eerbeek (productie in Nederland) • Precision Micro Europe te Best (productie in buitenland) Wanneer biedt deze techniek kansen: Elektroformeren is reeds een oude techniek. Toch biedt deze techniek nu nieuwe kansen doordat producten kleiner, complexer en nauwkeuriger moeten worden. Zodra sprake is van complexe, dunne onderdelen kan elektroformeren interessant zijn. Hoe complexer de vormgeving en hoe nauwkeuriger de producten moeten zijn, des te geschikter is electroformeren. Elektroformeren is een techniek die zowel voor enkelstuks productie als voor serie productie erg geschikt is. Met name bij grote series kunnen productiekosten middels elektroformeren fors gedrukt worden.


10. Dankwoord Voor de totstandkoming van dit boekje gaat speciale dank uit naar: Etsen: Eric Kemperman van Etchform Electro Chemical Machining (ECM): Hans Henk Wolters van ECM Technologies B.V. Metal Injection Moulding (MIM): Rob Egberink van Mimo Technology B.V. Elektromagnetisch Pulse verbinden: Jeroen Rondeel van Pulseform B.V. Additieve manufacturingtechnieken voor metalen: Henk Buining van TNO Metaalgieten op basis van 3D-printen: Elektroformeren: Hans Berenschot van Stork Veco B.V.

holland high techHigH tecH SolutionS for globAl cHAllengeSPioneers in international business

dit boekje is tot stand gekomen ter gelegenheid van de bijeenkomst kansrijke, niche productietechnieken van enkelstuks of kleine series van complexe, nauwkeurige producten die door Syntens, in nauwe samenwerking met de koninklijke Metaalunie en FdP, op 24 juni 2013 is georganiseerd. deze bijeenkomst geeft mede invulling aan het MkB loket htSM dat Syntens voor de topsector htSM uitvoert.

© 2013 MoMekalle rechten voorbehouden. niets uit deze publicatie mag worden verveelvoudigd en/of openbaar gemaakt in welke vorm dan ook, zonder vooraf schriftelijke toestemming van de auteur.

kansrijke niche productietechnieken

Documents