Duurzaamheid trigger voor AM

Chiron ontwikkelt met partners reparatieproces van zware gereedschappen

Wordt duurzaamheid de trigger voor de mould & dies industrie om additive manufacturing te omarmen? De eerste ervaringen met additief gerepareerde smeedmatrijzen wijzen erop dat de voordelen verder gaan dan de duurzaamheidsaspecten. Een drie keer zo lange standtijd levert direct economisch voordeel op.

De interesse voor de reForm workshop die machinebouwer Chiron tijdens het Open House organiseerde, was groot. Voor Axel Boi, hoofd AM bij de werktuigmachinefabrikant, komt dat niet helemaal als een verrassing. "Als je near net shape vormen print, speelt momenteel de muziek bij reparatie en coating", zegt hij aan het begin van de workshop. Dat zijn twee toepassingen waar Chiron zich met name op richt met de DED-technologie. Chiron zet de AM Cube in voor het metaalprinten van 3D modellen; voor het coaten van met name schijfremmen is hiervan afgeleid de AM Coat. Deze laatste werkt alleen met poeder; de AM Cube wordt met drie laserkoppen geleverd, waarmee ofwel poeder ofwel draad wordt opgelast. Met de drie koppen, die de robot automatisch wisselt, maken klanten hun eigen configuratie. Om het oplassen van metaal te monitoren, zet de machinebouwer de Dataline software in, die eerder werd ontwikkeld om data uit de werktuigmachines te lezen. Visionline AM is de oplossing die aanvullend op data het proces vastlegt met camera's.

Smeedmatrijzen herstellen

Een concrete toepassing die Chiron samen met Hammerwerk Fridingen test, is het repareren van smeedgereedschappen. Deze gereedschappen hebben het tijdens het smeden zwaar te verduren. Er kunnen verschillende slijtagevormen ontstaan, legt Michael Nolde van Capilla Schweissmaterialen uit. Thermische slijtage, abrassieve vermoeiing, adhesie en noem maar op. Het handmatig oplassen van nieuwe lagen is gangbaar in deze sector. Als je dat proces automatiseert, betekent dat een flinke stap vooruit. Een punt van aandacht is met name de invloed van het snelle stollen van het materiaal, zegt professor Hadi Mozaffari-Jovein van de hogeschool Furtwangen die samen met Chiron onderzoek doet naar dit thema. “De producteigenschappen worden bepaald door hoe het gesmolten materiaal weer stolt.” Door de snelle afkoeling (meer dan 1000 graden Kelvin per seconde) zal het stollen niet via de normale fasen verlopen. “Er kan constitutionele onderkoeling ontstaan; er kunnen nieuwe microstructuren ontstaan", zegt professor Mozafarri-Jovein. De warmtebehandeling die vaak na de AM-stap volgt, heeft weer effect op de microstructuur van het opgelaste materiaal. De onderzoeken naar de met additive manufacturing opgelaste lagen laten echter zien dat de materiaalsamenstelling zeer homogeen is.

Langere standtijd

Hammerwerk Fridingen, met smederijen in het Zwarte Woud en Tsjechië, produceert al sinds 1935 smeeddelen van 3 tot 100 kilogram. Per dag worden zo'n 30 verschillende componenten gesmeed, alles bij elkaar 200 ton op een gewone werkdag. “Zoveel gereedschappen hebben we dus ook nodig", legt Dominik Hipp uit, die de toolingafdeling leidt. De Duitse toeleverancier van smeeddelen is in het project van Chiron gestapt omdat het aankopen van 1.2347 materiaal voor de matrijzen moeilijk is, kostbaar en men verwacht een enorme materiaalbesparing te realiseren door de gereedschappen te repareren. “En we verwachten een kostenbesparing door de langere standtijden van de gereedschappen.” Dat laatste wordt bevestigd door de eerste resultaten. Deze matrijs is met de AM Cube opgelast en daarna metallurgisch

Foto boven: een deel van de snijring van het smeedgereedschap is met draad oplassen in de AM Cube hersteld. Op de foto hieronder de 3D geprinte tand links daarnaast na de machinale bewerking op een Chiron CNC bewerkingscentrum.

onderzocht. De hechting op hetoorspronkelijke substraat blijkt volkomen vrij te zijn van fouten. Daarna is een smeedring, die uit 7 delen van elk 74 mm diameter bestaat, hersteld met de AM Cube. Inclusief een thermische nabewerking heeft dat 230 minuten gekost. Dominik Hipp: “Normaal halen we met deze smeedringen 17.000 onderdelen; nu zitten we al op 40.000 onderdelen die we ermee gesmeed hebben zonder dat we uitval hebben door slijtage.” Met een groteresmeedring heeft men zelfs een 3 keerlangere standtijd gehaald, waarbij de series ook nog eens meerdere keren onderbroken zijn. Op dit moment wordt een snijring meteen complexe geometrie getest. “Deze is vanwege de complexe geometrie lastig met de hand op te lassen. We gaan er nu mee testen en hopen op een vergelijkbare standtijdverlenging.”

Repareren van tandwiel van een windturbine kost 80% minder energie dan een nieuw tandwiel maken

Tandwielen windturbines

Het oplassen van de versleten complexe geometrie gaat met de AM Cube gemakkelijker dan met de hand omdat het hele proces digitaal verloopt. Dat geldt ook voor een ander onderdeel dat Chiron samen met partners test: een tandwiel uit de aandrijving van een windturbine. Het idee is de tandwielen als ze te veel slijtage vertonen, te vervangen door exemplaren waarvan de tanden opnieuw zijn opgelast. De totale bewerking, wegfrezen van de beschadigde tanden, het oplassen en het nabewerken ervan op een 5-assig bewerkingscentrum van Chiron wordt in Siemens NX geprogrammeerd. In Siemens NX wordt dan de AM-module gebruikt. “We kunnen alle programma's en simulaties in dezelfde softwareomgeving doen", zegt Cedric Bardenhagen, key accountmanager van Siemens voor Chiron. In de AMsoftware voor additive manufacturing kan elke laag die de AM Cube print afzonderlijk geprogrammeerd worden. “Doorslaggevend is echter dat we naderhand niet een simulatie doen die interpreteert, maar die de digitale tweeling van de machine gebruikt die identiek is aan de echte machine", zegt Cedric Bardenhagen. Daar komt nog bij dat de robot in de AM Cube (zowel de 6 assen als de 2 assen in het werkstuk) geprogrammeerd wordt als de assen van een bewerkingscentrum. Het repareren van het tandwiel is een demonstrator voor de AM Cube die Chiron en Siemens hebben uitgewerkt. De sterkte van de tandwielen is volgens Bardenhagen net zo goed als het origineel. Bij het repareren van tandwielen is het thermisch harden wel een noodzakelijke stap. “Daarom frezen we ook alle tanden af, niet alleen de beschadigde. Anders ontstaan er materiaalverschillen als we naderhand ook bestaande tanden weer harden.” Siemens heeft berekend dat het energieverbruik van een in de AM Cube gerepareerd tandwiel 80% minder is dan het frezen van een compleet nieuw. Zelfs als je een nieuw tandwiel produceert van gerecycleerd staal, blijft de energiebesparing fors.

Procesmonitoring

Chiron heeft voor de werktuigmachines Dataline ontwikkeld. Hierin worden alle data uit de machine verzameld en geanalyseerd. Inmiddels is Dataline AM ook in een eerste versie klaar. Till Oeschger, Productmanager AM, geeft toe dat er nog veel ontwikkeling nodig zal zijn. “De productiviteit en reproduceerbaarheid zijn nog niet vergelijkbaar met de verspaning.” Ook moet er nog het nodige werk handmatig worden gedaan. Toch denkt hij dat Dataline AM in combinatie met Visionline AM, het vastleggen van het proces met camera's, de technologie richting industriële serieproductie duwt. “We verzamelen nu data om te analyseren; de volgende stap is de kwaliteit voorspellen. Dan kunnen we realtime de parameters bijstellen.” Hiervoor is het belangrijk dat Chiron een uitgebreide database opbouwt met parameterinstellingen. Kunstmatige Intelligentie kan hier een rol bij gaan spelen. Uiteindelijk moet de besturing het proces autonoom gaan bijsturen op basis van de procesdata en de ervaringen die digitaal in de database zijn opgeslagen. Hoever we daar van verwijderd zijn? Axel Boi: “Een half jaar geleden zou ik gezegd hebben: vergeet het maar. Dit proces is zo complex en ondoorzichtig door de vele factoren die invloed hebben. Kunstmatige Intelligentie helpt ons vooruit te komen; zorgt dat we sneller goede resultaten halen.” Er zijn veel knoppen in het AMproces waaraan je kunt draaien. “Kunstmatige Intelligentie wordt een belangrijke ondersteuning om het proces een stap verder te brengen.” Maar additive manufacturing blijft aanvullend op de CNCfreestechnologie, waar Chiron al zolang actief in is. De combinatie kan de productie van gereedschappen en andere zware, slijtagevoelige componenten duurzamer maken.

De sprekers in de reForm workshop. Van links naar rechts professor Mozaffarri- Jovein, Cedrec Bardenhagen, Axel Boi, Dominik Hipp, Michael Nolde en Till Oeschger.