Verspanen vanuit een economisch perspectief

Vandaag de dag is het voornaamste doel van de maakindustrie om producten sneller maar tegen minimale kosten te vervaardigen, en dat zonder de kwaliteit van het product op te offeren. Maakbedrijven streven over het algemeen vaak meteen naar een hogere productiviteit door de snijsnelheid en de voeding te verhogen. Dit lijkt in eerste instantie een productieve zet, maar het kan echter leiden tot een kortere levensduur van het snijgereedschap door snellere slijtage. Bijgevolg moet het snijgereedschap vaker worden vervangen, wat uiteindelijk leidt tot meer stilstandtijd. De kosten van het gereedschap zijn ook niet te verwaarlozen. Daarom is het abrupt verhogen van snijsnelheid en voedingssnelheid geen haalbare oplossing, maar is weloverwogen optimalisatie noodzakelijk.

“Machining Economics gaat over het optimaliseren van het globale resultaat van een bewerkingsproces, waarbij een maximale betrouwbaarheid en voorspelbaarheid van het bewerkingsproces (de technologische dimensie), met behoud van de hoogst mogelijke productiviteit en de laagst mogelijke productiekosten (de economische dimensie) centraal staat”, zegt De Vos tijdens het social media live event. Op technologisch niveau gaat het bijvoorbeeld om het bereiken van een maximale standtijd, een maximaal aantal werkstukken per snijkant, repeteerbare cyclustijden, minimale gereedschapskosten, maximale gereedschapsprestaties, minimale omsteltijden en lage

Om de beste verspaningscondities te definiëren moet de optimale verhouding tussen productiviteit en totale kosten worden bepaald. Een grafiek geeft dit overzichtelijk weer.

Een verspanend proces is vanuit zowel een technisch als een economisch perspectief te benaderen. (foto’s: Seco)

gereedschapskosten. Op economisch niveau zijn de doelstellingen anders te definiëren, bijvoorbeeld: hoogst haalbare productiviteit, laagst mogelijke proceskosten, maximale winstgevendheid, hoogst haalbare procesbetrouwbaarheid en -voorspelbaarheid, meest efficiënte gebruik van hulpbronnen en energie, laagst mogelijke ecologische voetafdruk of de meest consistente werkstukkwaliteit. Om de best mogelijke globale verspaningseconomie te bereiken, moeten maakbedrijven eerst definiëren welk van deze doelstelling het belangrijkst voor hun onderneming is. Dan pas kan er gewerkt worden aan optimale verspaningscondities.

De Vos: "Zoals bij alle optimalisatiescenario's is het belangrijk vooraf een scenario te definiëren. Stel dat we tijd willen optimaliseren, oftewel productiviteit. Over welke tijd hebben we het dan? Spaantijd, tijd in termen van tijd die nodig is om een volledige bewerking te voltooien of tijd in de vorm van levertijd. Welke het belangrijkst is, is per bedrijf verschillend. Maar om te optimaliseren is het uiterst belangrijk om het scenario vooraf helder te hebben.”

Vanuit economisch perspectief zijn er vijf stappen die leiden tot optimale verspaningscondities. De eerste stap is het begrijpen van het verspanend proces op de wetenschappelijke manier. Volgens De Vos ontbreekt het vaak aan kennis, waardoor maakbedrijven de chaotische ‘trail and error methode’ toepassen tot het moment dat ze denken dat het goed is. Vaak is het dan alsnog niet goed. “Verspanen is een fysisch proces. Je moet weten hoe de interactie is tussen gereedschap en werkstuk. Welke krachten kunnen er bijvoorbeeld ontstaan in het gereedschap, het werkstuk en de opspanning en welke invloed heeft dat op het proces. Al die verschillende factoren moet je begrijpen om het proces te kunnen controleren.”

Een cruciaal onderdeel in een verspanend proces is de snijkant van het gereedschap. Deze verricht de belangrijkste taak, namelijk verspanen. Daarom is de keus voor het gereedschap ontzettend belangrijk. Volgens De Vos moet de gereedschapsselectie vooreerst in handen liggen van het management en pas in een tweede fase in die van technici. De gereedschapskeus is afhankelijk van de KPI’s. Ga je voor kwaliteit, kostenbesparing, flexibiliteit of productiviteit? Elke KPI leidt tot andere gereedschappen met betrekking tot de snijkant, de standtijd en de kosten. Het is dus belangrijk om die KPI’s helder te hebben, omdat je anders door de bomen het bos niet meer ziet.”

Op het moment dat je het verspanend proces vanuit een wetenschappelijk oogpunt begrijpt en je de gereedschappen die horen bij de gewenste KPI’s hebt geselecteerd, is het zaak om de ‘speelruimte’ te ontdekken. Oftewel, wat is er allemaal mogelijk met de geselecteerde gereedschappen? “Gereedschapsleveranciers zeggen al snel dat een gereedschap alles kan, maar in de praktijk heeft elk gereedschap zijn restricties op het gebied van spaanafvoer, mechanische en thermische belastbaarheid, oppervlaktekwaliteit, enzovoort. Om tot een betrouwbare, voorspelbare en probleemloze verspaning te komen, moeten de limieten van een gereedschap in kaart gebracht worden. De uitdaging is dat er miljoenen combinaties van snijparameters zijn, gebaseerd op voeding, snijsnelheid en snedediepte. Globaal gezien zijn de snijparameters onder

te verdelen in drie bewerkingsstrategieën: ‘high speed machining’, ‘high feed machining’ en ‘high performance machining’. Welke kies je? Om daar achter te komen moet je het proces niet meer vanuit een technische perspectief, maar vanuit een economisch perspectief benaderen.”

Economisch verspanen gaat over het optimaliseren van tijd, productiviteit en de kosten gerelateerd tot het proces. Het is een slim en duurzaam verspaanconcept, waarin het economische perspectief met betrekking tot tijd- en kostenefficiëntie de prioriteit heeft. De twee belangrijkste variabelen die hier invloed op hebben, zijn de gewenste productiviteit en de Material Removal Rate (MRR). Hoe hoger je ze allebei stelt, des te hoger worden de gereedschapskosten. De slijtage neemt immers toe. Daarentegen neemt de machinetijd af, waardoor op dat gebied de kosten dalen. “Als je streeft naar een te hoge productiviteit, dan kan het dus zijn dat je productiviteit verliest omdat je te veel gereedschappen moet vernieuwen en dus tijd verliest. Ergens ligt er een ‘sweetspot’ waar de verhouding tussen productiviteit en totale kosten ideaal is. Het inzicht tussen kosten en tijd is essentieel om de perfecte verspaningscondities te definiëren.”

De laatste stap is het bepalen van de juiste bewerkingsstrategie. Welke strategie past bij de voorgenomen KPI’s die in de eerdere stappen naar boven zijn gekomen? Ook op dit gebied zijn er veel variabelen om uit te kiezen. Geometrische strategieën (lineair, circulair, trochoïdaal), gereedschapsstrategieën (vlakfrezen, hoekfrezen, etc), technologische strategieën (high speed machining, high feed machining en high performance machining) en tot slot duurzame strategieën (economisch, productief, betrouwbaar, first-time-right of energie-efficiënt). Vervolgens kunnen de snijparameters geoptimaliseerd worden, zodat ze zowel voldoen aan de technische eisen die bij stap 3 zijn gedefinieerd, als ook aan de economische eisen.

“In vijf stappen kunnen verspaners de basis leggen voor een proces dat voldoet aan de economische doelstellingen. Zoals Stap 1 aangeeft is kennis de belangrijkste bouwsteen van een economisch proces. Helaas merken we dat het kennisniveau in de industrie afneemt, waardoor vooruitgang in de toekomst wordt geremd. Daarom roep ik verspanende maakbedrijven op om scholing en kennisvergaring bovenaan de agenda te zetten”, aldus De Vos.

Tijdens het social media live event ‘Machining economics’ ging Patrick de Vos van Seco in op economisch verspanen. In vijf stappen kunnen verspaners de basis leggen voor een geoptimaliseerd economisch verspaanproces.

Operations Director Bart Thissen en Jan Willem Mollema bij de nieuwe vijfassige Mikron Mill S600U. “Met de nieuwe machine kunnen we glas nauwkeuriger en productiever verspanen.”

Anteryon bewerkt exotisch glas met behulp van kleine slijpstiften.

Anteryon is werkzaam voor klanten die actief zijn in de hightech industrie. Denk aan producenten van halfgeleiders, industriële sensoren, consumentenelektronica, constructie en agrarische 2D/3D meetapparatuur, medische apparatuur, automobieltoepassingen en robotica. Niet alleen op het gebied van omzet, maar ook op het gebied van technologische ontwikkelingen groeien deze industrieën ontzettend hard. “We staan aan de voorkant van alles waar elektronica aan vast zit. En dat is tweeledig want aan de ene kant produceren we onderdelen voor sensoren en aan de andere kant voor chips. Beide sectoren gaan skyrocket. De markt voor sensoren groeit 20% per jaar en de semiconductor industrie groeit zeker tot 2030 onafgebroken. Om die groei te kunnen faciliteren moeten we investeren in meer productiecapaciteit, kwaliteit, kennis en procesoptimalisatie. De investering in de nieuwe GFMS Mikron Mill S600U is daar een eerste voorbeeld van”, vertelt CEO Gert-Jan Bloks.

Anteryon is in 2006 ontstaan uit Philips. Een van de eerste ontwikkelingen van het bedrijf was een hybride lens voor de pickupunits van CD-spelers. Vanuit de vraag: ‘Hoe behandel je glas en hoe geef je het meer functionaliteit?’, is de expertise van Anteryon in de loop van de jaren verder ontplooid. Een van de specialiteiten is de ontwikkeling en bewerking van zogenaamde ‘carriers’ waarop lenzen met speciale eigenschappen worden gemaakt. Omdat de industrie enorme eisen stelt aan de nauwkeurigheid van deze lenzen, moet de tooling hiervoor ook aan steeds hogere eisen voldoen. Om die reden worden deze carriers en ook andere componenten gemaakt van exotische glassoorten, zoals onder andere Zerodur, ULE-glas en keramieken. Kenmerkend voor dit materiaal is de netto uitzettingscoëfficiënt van nul. Zeker voor lenzen die moeten beschikken over een nauwkeurigheid in het nanometerbereik, is deze eigenschap essentieel. Bloks: “Dankzij de uitzettingscoëfficiënt van glas is het een uitermate geschikt materiaal voor onze toepassingen. Echter brengt glas ook uitdagingen met zich mee, zoals de bewerkbaarheid. Glas is erg kwetsbaar en erg gemakkelijk te versplinteren of te breken. De bewerking ervan genereert daarnaast een groot aantal microscheurtjes die later nabewerkt moeten worden.”

Bloks vervolgt: “Anteryon is al langer bezig om de technieken op te schalen en processen te optimaliseren. Het optimaliseren van het hele bewerkingsproces van glas is echter een specialisme. Daarom hebben we kennis van buitenaf ingeschakeld om het optimalisatietraject in goede banen te leiden. Zo werd ook de conclusie getrokken dat er geïnvesteerd moest worden in een moderne, hoogwaardige bewerkingsmachine.” Om het vraagstuk rondom het bewerken van glas te beantwoorden, heeft Anteryon de hulp ingeschakeld van freelance productiespecialist Jan Willem Mollema. Mollema: “Om de keten van de bewerking van glas te optimaliseren, hebben we alle processen onder de loep genomen om te onderzoeken wat wel en niet kan. Daarvoor hebben we niet alleen gekeken naar de mogelijkheden van het bestaande machinepark, maar ook naar zaken als koelsmeermiddelen, gereedschappen en automatisering. Het CNC-machinepark van Anteryon bestaat uit drie generaties, laagtoerige machines. Qua functionaliteiten en mogelijkheden was al snel duidelijk dat deze niet aan onze eisen konden voldoen. De eis is namelijk dat we vrije vormen binnen 5 micrometer nauwkeurig moeten kunnen bewerken. Daarnaast willen we zo min mogelijk kracht op het glas brengen om microscheurtjes tot een minimum te beperken. Dat vraagt

Anteryon is werkzaam voor klanten die actief zijn in de hightechindustrie. Het bedrijf poduceert onder andere onderdelen voor sensoren en chips.

onder meer om een nauwkeurige, dynamische machine met een hoogtoerenspindel”, aldus Mollema.

Om de productiviteit en kwaliteit te verbeteren was het belangrijkste doel van Anteryon om de nauwkeurigheid, snelheid en het spilrendement te verhogen. Door de nauwkeurigheid te verhogen, kunnen de hoeveelheid nabewerkingen gereduceerd worden. Dit heeft direct een groot effect op de productiviteit en doorlooptijd. In de zoektocht naar de perfecte bewerkingsmachine was daarom één aspect onontbeerlijk. In het hart van de machine moest zich een spindel van Step-Tec bevinden. “Step-Tec maakt betrouwbare en nauwkeurige hoogtoerenspindels dus dat onderdeel stond bovenaan de wensenlijst. Vanuit daar zijn we naar een passende bewerkingsmachine gaan kijken”, aldus Mollema. Eric de Hoog, Sales Engineer bij GF Machining Solutions vult aan: “Step-Tec is een veelgebruikte spindel in hightech industrieën waar hoge eisen worden gesteld op het gebied van nauwkeurigheid en betrouwbaarheid.”

Het oog viel op het Mikron Mill S600U High Speed freescentrum. Deze machine is uitgerust met een HSK E50 Step-Tec spindel met een maximaal toerental van 36.000 min-1. Mollema: “Dankzij de hoogtoerenspindel en de dynamische capaciteiten van de machine kunnen we met een kleine verspaningsdiepte een hoger verspanend volume realiseren.” De bewerkingsmachines van Mikron kenmerken zich door de hoge stabiliteit, nauwkeurigheid en dynamische eigenschappen. Dit wordt mogelijk gemaakt door het trillingsvrije, thermisch stabiele en intern gekoelde machineframe van polymeerbeton in combinatie met de lineaire motoren op de X, Y en Z-assen en de direct aangedreven momentmotoren op de A- en C-as. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat de machines van Mikron goed geschikt zijn voor bewerkingsstrategieën zoals trochoïdaal frezen of in het geval van Anteryon, hoogdynamisch slijpen. Met behulp van zo’n dynamische bewerkingsstrategie kan Anteryon de ‘material removal rate’ verhogen en gelijktijdig de belasting op het glas reduceren. Een positief gevolg hiervan is dat er geen spanningen in het materiaal worden gebracht, het ontstaan van microscheurtjes wordt voorkomen, trillingen worden gereduceerd en gereedschappen minder worden belast en dus langer meegaan. Bovendien zorgt de hoogtoerenspil voor een betere oppervlaktekwaliteit, waardoor nabewerkingen in veel gevallen komen te vervallen.

Hoewel de nieuwe Mikron al in december 2021 werd geleverd, heeft het toch nog driekwart jaar geduurd voordat Anteryon de eerste echte werkstukken kon verspanen. Mollema: “Het is geen eenvoudig traject geweest. Dit bewerkingscentrum is niet primair voor het slijpen van glas ontwikkeld. Het heeft dus nog wel wat voeten in de aarde gehad om de machine te finetunen voordat het aan onze eisen voldeed. We verspanen glas met een slijpstift met een diameter van bijvoorbeeld 0,4 mm bij toerentallen van 36.000 min-1 . Daar heb je een stabiel proces voor nodig. Zeker als je ook nog eens onbemand wil produceren. Samen met GFMS hebben we grote inspanningen geleverd om een betrouwbaar proces te realiseren.” Voor het verspanen van glas gebruikt Anteryon kleine slijpstiften die vrij prijzig zijn. Dankzij de verlengde standtijd kan er dankzij de Mikron worden bespaard op de gereedschapskosten. Dat is echter niet het grootste voordeel. Doordat gereedschappen langer meegaan, is er een betrouwbare onbemande productie te realiseren. “Met de Mikron zijn we in staat om betrouwbaar 24/7 te produceren. Als de nauwkeurigheid op maandagavond 3 micrometer is, dan is die nauwkeurigheid de volgende ochtend nog steeds 3 micrometer. Die stabiliteit en continuïteit maken echt het verschil”, zegt Operations Director Bart Thissen.

Het tekort aan vakmensen speelt ook Anteryon parten. Om het machinepark operationeel te houden, was het bedrijf genoodzaakt om de productie efficiënter in te regelen. Het doel: overdag ontwikkelen en testen en in de onbemande uren produceren. Om die reden heeft Anteryon de nieuwe Mill S600U uitgerust met een palletautomatisering. Niet alleen heeft het systeem een compacte bouwwijze, het geeft ook meer mogelijkheden met betrekking tot de manier van opspannen. Zo is het mogelijk om meerdere producten op een pallet op te spannen. Anteryon kan op die manier een factor

4 meer uit de automatisering halen. Met celmanagement-software is het mogelijk om alle opdrachten efficiënt in te plannen. Door de enorme productiecapaciteit die hiermee wordt gegenereerd, kan er veel werk weggenomen worden bij de oudere bewerkingsmachines in het machinepark. Zoveel zelfs dat al het werk van vijf machines nu in theorie op één machine uitgevoerd kan worden. “Met het bestaande machinepark was het een uitdaging om de productie in dagdienst te doen. Door te investeren in een highend machine met automatisering hebben we dat probleem opgelost en hebben we tegelijkertijd de kwaliteit en nauwkeurigheid verbeterd. Als je alle beschikbare uren in een dag inzet dan kun je alles op één machine doen. Dan wordt de investering in een highend machine ineens heel interessant. Om een voorbeeld te geven: De bewerkingstijd van een serie producten op één van onze bewerkingsmachines uit de eind jaren ’90 duurde 24 uur. Met de nieuwe bewerkingsmachine komen we uit op 8 uur. We houden op die manier veel tijd over om andere dingen te doen. Hierdoor is de rust in de productie wedergekeerd, hebben we achterstanden weggewerkt en kunnen we de komende jaren snel reageren op vragen uit de markt”, aldus Mollema.