Duurzaamheidsslag carrier structures ASML

Hittech en Norsk Titanium gaan met 3D-technieken carrier structures voor ASML produceren. De besparingen op energie, tijd en materiaal zijn fors. De investeringen in verspaningsmachines kunnen flink omlaag.

René Raaijmakers

Mike Canario, ceo van Norsk Titanium, is eind augustus in opperbeste, bijna uitgelaten stemming. De Amerikaan is op bezoek bij Hittech Bihca in Winterswijk. Hij en zijn Nederlandse gastheren hebben die dag groen licht gekregen uit Veldhoven: Hittech en Norsk mogen met 3D-technieken carrier structures gaan produceren voor ASML.

In elke waferscanner zitten twee van deze complexe maakstukken. Momenteel frezen ze die bij Hittech Bihca nog uit een blok van 220 kilo massief titanium. Met een combinatie van 3D metaalprinten bij Norsk en nabewerken bij Hittech gaat het materiaalverbruik straks ruim door de helft.

De partners starten nog dit jaar met de productie van carriers voor lagere-node-machines. De verwachting is dat op den duur ook high-end scanners aan de beurt komen. Hoe dan ook, de order is dermate omvangrijk dat het beursgenoteerde Norsk Titanium er een persbericht over uitbrengt. Canario neemt het begin oktober ook op in zijn agenda voor de rapportering van de kwartaalresultaten. Daar maakt hij bekend dat de productie nog dit jaar start.

Met de opdracht boort Norsk Titanium een heel nieuwe markt aan. Aan de 3D-titaniumtechnologie werken de oprichters van het bedrijf al sinds 2007. Vijf jaar geleden kreeg de boel vaart. In 2017 produceerde Norsk de eerste FAA-gekwalificeerde onderdelen voor de Boeing 787 Dreamliner. In elke 787 zitten nu constructiedelen van Norsk. Het materiaal is volledig vergelijkbaar met massief titanium en het is superieur aan de gegoten variant.

Ook Airbus en ruimtevaartbedrijven gingen samenwerken met de Noorse specialisten. Canario werd met zijn jarenlange ervaring in composietmaterialen voor de ruimtevaart vier jaar geleden aangetrokken om al die opportuniteiten om te zetten in keiharde business.

Met Boeing als lead customer en de vliegtuigbouw als belangrijkste markt zal het niet verbazen dat Norsk tijdens corona flink moest bloeden. In 2020 gebeurde er een jaar lang niets in de commerciële luchtvaart. Norsk sloot dat jaar zelfs drie maanden lang zijn r&d-locatie in Noorwegen en de fabrieken in Plattsburgh (New York). Op die laatste locatie werken de metallurgen van Norsk aan de industrialisatie van een 3D-techniek voor titanium.

Voor Canario is een voet in de semiconmarkt een opsteker. Maar ook de vliegtuigbouw krijgt weer vaart. ‘Ik verwacht dat we rond de jaarwisseling volledig gekwalificeerd zullen zijn voor Airbus’, aldus de ceo.

125 miljoen dollar ruggesteun

In 2015 vestigde Norsk zich in de VS, waarna het met 125 miljoen dollar ondersteuning van de staat New York in 2019 in Plattsburgh ’s werelds grootste 3D-massaproductiefaciliteit neerzette. Daarvoor moet je met een omzet van 7,9 miljoen (2018) en 0,4 miljoen dollar (2019) een goed verhaal hebben. Inmiddels staan er in de Amerikaanse fabriek 32 productiemachines.

Vorig jaar haalde Norsk een investering op van 38 miljoen dollar en kreeg het een beursnotering in Oslo. De omzetprognose voor dit en volgend jaar zijn 10 en 15 miljoen dollar. Canario verwacht dat de fabriek in New York een omzet zal gaan genereren van 300 miljoen dollar per jaar.

In 2014 kwam het Nederlandse Hittech al op Norsks pad. Sinds die tijd werken de partners aan het verfijnen van de processen waarbij Norsk de grove structuren opsmelt en Hittech de carrier structures met hoge precisie afwerkt.

Toename boorgaten en bevestigingspunten

De carrier structure vormt de basis voor de positioningsmodule – pomo in ASML-jargon – waarop de wafer ligt. In elke waferscanner zitten er twee om de doorvoer te versnellen. Terwijl de ene pomo de wafers laat doormeten, zigzagt de andere onder de lens voor de belichting. Dat gebeurt met hoge snelheid en uiterste precisie. Dat vraagt een frame met laag gewicht en hoge stijfheid en daarom werd gekozen voor titanium.

Hittech maakt de carrier structures voor ASML sinds 2008. Voor die tijd bestond de pomo-basis voor een groot deel uit composietmaterialen met koolstofvezels. Doordat het aantal boorgaten en bevestigingspunten toenam, kozen de ontwerpers van een nieuwe generatie waferscanners voor een overstap naar titanium. ASML selecteerde Hittech voor het fabriceren van de carrier structures en dat ging op den duur een groot deel van de carriers frezen.

Met kostbare machines enorme blokken uitgraven

Bij de carriers is het de truc is om zo veel mogelijk materiaal weg te nemen. Vanwege de hoge versnellingen moeten de bewegende delen zo licht mogelijk zijn. Dat alles met behoud van de gewenste stijfheid.

In het geval van massief titanium is dat geen sinecure. Het metaal is relatief lastig te verspanen, de gereedschappen slijten snel en de bewerkingstijden zijn lang. Hittech ging kostbare machines inzetten om enorme blokken uit te graven. Naast die machines belandde het grootste deel van het titanium als krullen in omvangrijke bakken voor recycling. Van de eerste 220 kilo wegende blokken bleef minder dan 10 procent over. Daarna volgen nog nabewerkingen. Het was snel duidelijk: titanium frezen is een mooie expertise, maar toch vooral een noodzakelijk kwaad.

Nu is Hittech een beetje een buitenbeentje als het om metallurgie gaat. Het bedrijf heeft zijn wortels in Hoogovens en daardoor ervaring met processen als gieten. Het was dan ook niet verwonderlijk dat zijn technici gingen nadenken over pre-forms, voorgevormde delen met het doel om verspillende bewerkingen te minimaliseren.

Een gietproces voor titanium werd onderzocht, maar die methode viel snel af. ‘Het bleek duurder dan het eindproduct dat we leverden’, zegt Koen Mentink, algemeen directeur bij Hittech Bihca in Winterswijk, een van de twee locaties waar Hittech carriers fabriceert. ‘De prijs kwam niet in de buurt van wat we nodig hebben.’

Ook 3D metaalprinten werd onder de loep genomen. Hittech had daar in 2012 de eerste ervaringen mee opgedaan. ‘We hebben leveranciers over de gehele wereld gezocht, want 3D printen leek ons ideaal’, zegt Marco Verloop, coo van Hittech Group. ‘Maar veel van deze technieken stonden nog in de kinderschoenen. Het proces bleek niet volwassen genoeg voor productie.’

Poederbedprinters voor een volume van 600 bij 600 bij 80 millimeter waren nog niet te koop en daardoor bleef het bij modellen en berekeningen. ‘We hebben op basis van kennis over kleinere poederbedprinters berekend wat we in de toekomst zouden kunnen verwachten, maar vanwege de lage snelheid kwamen we daar uiteindelijk op een prijs die ver boven onze verkoopprijs lag’, aldus Mentink.

Rapid plasma deposition beste uit de bus

In 2014 zocht Verloop de wereld af naar alternatieve pre-form-technieken. Na uitgebreid onderzoek kwam hij uit bij Norsk. De Noorse specialist bleek een 3D-depositietechniek te ontwikkelen voor klanten in de vliegtuigindustrie. ‘Hun rapid plasma deposition-technologie kwam als verreweg de beste naar voren’, zegt Verloop. Norsk had op dat moment Boeing als lead customer en was in een vergevorderd stadium om zijn technologie voor de luchtvaartindustrie te kwalificeren.

Hittech kwam voor Norsk als geroepen. Het traditionele partnernetwerk van het bedrijf liep namelijk tegen technische problemen aan. Het verspanen van grillige pre-forms bleek andere koek dan rechthoekig materiaal bewerken. ‘Wij hadden echter ruime ervaring met het gieten en nabewerken van gietstukken’, zegt Verloop.

Lijkt op lassen

De 3D-techniek van Norsk lijkt op lassen. De machine voert een titanium draad van 1,6 millimeter aan. Plasmatoortsen smelten het metaal druppel voor druppel, laag voor laag, op een dunne basisplaat. ‘Het is een zeer gecontroleerd metallurgisch proces dat ervoor zorgt dat we eindigen met dezelfde mechanische eigenschappen als het standaard titanium waarmee je begint’, zegt Canario.

Het 3D product heeft een vorm die het eindproduct ruw benaderd. Voor specifieke carrierstructuren gaat het basismateriaal van 220 kilo massief titanium naar 80 kilo.

De Norsk-ceo zegt dat de 3D structuren die hij levert wat kostprijs betreft hetzelfde zijn als het massieve uitgangsmateriaal. ‘Maar het materiaal is vergelijkbaar, het weegt minder dan de helft, je hebt een veel kortere machinetijd’, aldus Canario. De ceo zegt dat ook het energieverbruik meer dan halveert. De CO2-uitstoot is 40 procent minder. ‘Je hebt een betere doorlooptijd. Het is efficiënter, schoner en duurzamer.’

Lagere investeringen in CNC

Hittech gebruikt onder meer scantechnologie om de opgespannen werkstukken in beeld te brengen. Met deze aanpak kan een CNC-machine het werkstuk snel en veilig benaderen met haar beitels. Zo kon Hittech zijn partner een handje helpen met rapid plasma deposition (RPD)-kwalificatieproducten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie.

De ervaringen waren dusdanig dat Hittech en Norsk aan ASML voorstelden om RPD te gaan toepassen bij de productie van titanium carrier structures. De voordelen waren immers aanzienlijk, zoals minder afval en lagere investeringen in dure verspaningsmachines. Uit diverse materiaalonderzoeken, uitgevoerd in opdracht van ASML, bleek het RPD-materiaal van hoge kwaliteit en zeer geschikt voor de productie van de Veldhovense dragers.

Bakken met titaniumkrullen

Medewerkers bij Hittech Bihca reageerden aanvankelijk sceptisch toen Mentink ze de eerste werkstukken van Norsk Titanium liet zien. ‘Door de warmtebehandeling had het metaal een bruinachtige kleur’, zegt hij. ‘Ze vonden het niet mooi.’ Maar hun opstelling veranderde na het eerste frezen. ‘Een operator kwam naar me toe en zei dat zijn machine een heel gelijkmatig geluid maakte tijdens de bewerking. Dan weet je dat het materiaal zeer consistent van kwaliteit is.’ Mentink concludeert dat dit komt door de aard van het proces. ‘De massieve blokken die we nu binnenkrijgen, hebben een warmtebehandeling ondergaan. Tijdens dat proces verschilt de opwarm- en afkoelsnelheid tussen kern en buitenkant. Je creëert altijd een verschil. De 3D RPD-vorm is juist enorm gelijkend op de eindvorm en ook veel minder massief. Hierdoor heb je een veel gelijkmatigere warmtebehandeling.’

Een tweede operator complimenteerde Mentink met het mooie materiaal. Mentink vroeg hem waarom hij ineens van mening was veranderd. ‘Hij zei dat hij veel minder spanen hoefde weg te halen. Spanen lijken net schuim. Als we een drager van 600 bij 600 bij 80 mm leegfrezen, dan hebben we een kubieke meter aan titaniumkrullen. Bij een 3D RPD-werkstuk loopt die bak pas na drie werkstukken vol.’

Noodzaak kostenbesparing slechtte laatste hindernis

Begin 2015 sloten de Nederlanders en Noren een officiële samenwerkingsovereenkomst en hetzelfde jaar werd het eerste titanium onderdeel geleverd. ‘Weliswaar kleiner dan de carrier, maar met dezelfde eigenschappen’, zegt Verloop. Uiteindelijk kreeg het partnership toch geen opdracht om van start te gaan.

‘We geloofden echter sterk in onze technologie en besloten om de printtechnologie voor eigen rekening samen verder te ontwikkelden’, verklaart Verloop. In 2021 fabriceerden ze de volledige carrier structure voor een van de ASML-scanners. Bij Norsk in Plattsburgh met RPD gevormd, afgemaakt door Bihca in Winterswijk.

De timing was perfect, want vrijwel tegelijkertijd vroeg ASML aan Hittech om na te denken over kostenbesparingen. Verloop: ‘ASML zei tegen ons: ‘We willen de carrier lichter maken.’ Hun vraag was of we meer materiaal konden wegnemen tegen dezelfde prijs.’ Mentink: ‘Toen hebben we ze herinnerd aan ons voorstel van 2015 om RPD te gebruiken.’ Verloop vult aan: ‘Het is moeilijk om iets te veranderen in bestaande machinelijnen, maar nu moest er een nieuw platform komen met een lichtere bill of materials en dat was onze kans. We konden meteen zeggen: we hebben een carrier liggen die klaar is om door jullie te worden getest.’

Partners willen nog nauwer samenwerken

De komende maanden schakelen Norsk Titanium en Hittech over op volledige productie. Mike Canario verwacht dat zijn relatie met de Nederlanders zich verder zal ontwikkelen. ‘Hittech is een van de meest geavanceerde bewerkingsbedrijven waarmee we werken, zelfs superieur aan veel leveranciers waarmee we dagelijks werken voor de luchtvaart. Dus ik verwacht dat er interesse en mogelijkheden zijn om nog nauwer te gaan samenwerken.’

Om zijn argument te ondersteunen, vertelt Canario over de manier waarop Hittech met de eerste RPD-prints aan de slag ging. ‘Normaal gesproken besteden we veel tijd bij machinefabrieken om uit te leggen hoe ze ons product moeten bewerken. Hittech heeft dat allemaal zelf gedaan.’ Verloop: ‘Wij hadden op dat moment een programma lopen om producten en gietstukken te scannen.’ Het doel daarvan was om op basis van het scanmodel automatisch de positionering op de 5-assige machine te programmeren met behulp van uitgebreide algoritmes. ‘Dus ze kwamen op het juiste moment en we hebben ook geholpen onderdelen voor Boeing te bewerken’, aldus Verloop.

Verloop over de samenwerking: ‘Belangrijk was dat we vanaf het begin volledig transparant waren. We begonnen met een nda en een partnerovereenkomst. Daarna hebben we gezegd: oké, nu openen we alles en willen ook zien wat jullie doen met 3D printen. Je kunt alleen voor de hele keten optimaliseren als je elkaar vertrouwt. We hebben onze ingenieurs bij elkaar gezet en gezegd: leg alles maar op tafel.’

Canario zegt dat Norsk met de input van Hittech daadwerkelijk hielp om zijn processen te verbeteren. ‘We konden daarmee een stap maken naar een hogere reproduceerbaarheid. Dat heeft ons leven ook makkelijker gemaakt in de ruimtevaart.’