Op zoek naar de 3d-killerapp
Na een carrière in mechanisch design en technisch management stort Sjef van Gastel zich nu bij Fontys op 3d printen. Hij geniet van additive-killerapps, maar is ook nuchter. ‘Verspanen, draaien of slijpen hebben vooralsnog een onovertroffen oppervlakteruwheid en nauwkeurigheid.’
Additive manufacturing, of gewoon 3d printen, is een technologie die in potentie kan leiden tot doorbraken. Om de killer application te ontdekken, heeft Sjef van Gastel, onderzoeks- en cursusleider bij Fontys, een methodologie bedacht om potentiële doorbraakontwerpen boven water te krijgen: een aanpak die de eigenschappen van het onderdeel of systeem sterk moet verbeteren.
Uitgangspunt is om met 3d printen een sterke verbetering te realiseren ten opzichte van de ‘oude’ technologie. Daarvoor gaat Van Gastel terug naar de basis. ‘We doen een oefening met de cursisten. Wat zijn de argumenten van klanten om hun producten te kopen? Wat is het onderscheidende vermogen?’, somt hij op. ‘Je moet de diepte in, nadenken over de karakteristieken en dat vervolgens mappen op de toegevoegde waarde die de maker kan leveren.’
De methodologie om tot een killerapp te komen, maakt deel uit van de cursus die High Tech Institute en Mechatronics Academy in samenwerking met Fontys op de markt brengen. ‘Er komt een aantal voorstellen voor een herontwerp uit en die gaan we ranken’, zegt Van Gastel. ‘Dan volgt een herontwerp en komen de ontwerprichtlijnen aan bod. 3d printen heeft daar klassen voor, want elke additive-manufacturingtechnologie heeft specifieke kenmerken.’ Bij Fontys gebruiken ze onder meer selective laser melting (slm), waarbij een laser laag voor laag patronen schrijft in metaalpoeder op een bouwplaat en het onderdeel plakje voor plakje groeit.
De killerappworkshop draaide inmiddels voor ASML, Fokker Landing Gear, Océ, Philips Lighting, Thermo Fischer (voorheen Fei) en Vanderlande. ‘We kijken met alle productverantwoordelijke mensen naar onderdelen die zich lenen voor herontwerp’, vertelt Van Gastel. ‘Niet alleen de ontwerpers, maar ook de productmanagers en medewerkers van service en onderhoud.’
In de modder
Drie jaar geleden nam Ricardo Abdoel bij Fontys het initiatief om opleidingen te ontwikkelen voor additive manufacturing. Met Van Gastel vond hij iemand die daaraan leiding kon geven. De aan de TU Eindhoven opgeleide mechanisch ingenieur was destijds manager technologies & patents bij Assembléon en heeft ruime ervaring in de industrie. Na zijn studie werkte hij achtereenvolgens bij Philips Elcoma, Philips CFT en Philips EMT, dat overging in Assembléon. Tot voor kort was hij nog als senior strategic marketing manager betrokken bij Kulicke & Soffa, het Amerikaanse bedrijf dat Assembléon in 2016 overnam.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
Van Gastel dook na zijn aanstelling bij Fontys diep in 3d-fabricagetechnologieën en leidt nu de additive-training. Hij glimt als hij opmerkt dat hij cursisten drie dagen lang echt met hun voeten in de modder zet. ‘Het is belangrijk dat ze zelf ondervinden wat het is en hoe ze de ontwerprichtlijnen moeten toepassen.’
Op de eerste dag vraagt Van Gastel studenten al een step-file mee te nemen van een onderdeel uit hun machine of product. Dit onderdeel gaan ze meteen printen, onder leiding van een praktijkdocent. Van Gastel: ‘Dat gaat in een kwart van de gevallen fout, bijvoorbeeld omdat ze nog niet geleerd hebben om supportmateriaal toe te voegen. Op de derde dag herhalen we die oefening, maar dan weten ze inmiddels van wanten.’
Niet alleen ontwerp is onderdeel van de training. Ook kostprijsaspecten en de belastbaarheid komen aan bod. De richting van polymeren is bijvoorbeeld van invloed op de belastbaarheid in verschillende richtingen. ‘De printrichting speelt een rol en daar moet je rekening mee houden’, zegt Van Gastel. ‘Op de derde dag mogen ze laten zien dat ze dit beheersen en gaan ze het ook beproeven op trekbanken.’
In de labruimte waar ook de training wordt uitgevoerd, staat daarvoor een zeer geavanceerde trekbank die vrij uniek is – diverse bedrijven uit de omgeving komen er de sterkte van hun onderdelen mee testen. ‘Drie dagen is compact, maar alle onderscheidende facetten en de aspecten die 3d printen uniek maken komen aan bod.’
Kromme gaten
3d printen wijkt met zijn unieke en onderscheidende eigenschappen af van conventionele bewerkingsmethodes. ‘Je hebt bijna volkomen vormgevingsvrijheid. Met een vijfassige verspaningsmachine kun je geen kromme gaten maken, maar met additive manufacturing kan dat wel. Dat is interessant als je vloeistoffen of gassen moet transporteren. In een scherpe bocht krijg je drukval, maar als die bocht een vloeiend verloop heeft, dan kunnen de stoorkrachten een factor tien lager uitvallen. Dat is ook de reden waarom in waferscanners van ASML al meer dan veertig 3d-geprinte onderdelen zitten’, weet Van Gastel.
Ander groot voordeel is de mogelijkheid om 3d rasterstructuren te maken. ‘Daarmee zijn krachten op te vangen, terwijl je massa bespaart.’ Zo opent 3d printen mogelijkheden die gesloten blijven voor conventionele technologie. Het is zaak om die voordelen te onderkennen en slim toe te passen, aldus Van Gastel.
Om de juiste balans te vinden tussen de gewenste sterkte, massa en stijfheid gaan deelnemers aan de slag met eindige-elementen-ontwerptooling (topologieoptimalisatie). Die kan met kleuren de belasting inzichtelijk maken. ‘Op de niet-belaste plaatsen kun je dan materiaal weghalen. Het resultaat onderwerp je vervolgens weer aan een berekening. Als de spanningen dan niet of nauwelijks zijn toegenomen, dan is de conclusie dat deze ingreep is toegestaan en je inderdaad materiaal kunt besparen. Zo kun je in een aantal slagen een optimum bereiken, waarbij je aan het einde een voor belasting geoptimaliseerd voorwerp overhoudt dat er intern vakwerk-achtig uitziet’, zegt Van Gastel. ‘In precisiemachines hebben we dit al succesvol toegepast in onderdelen die blootstonden aan hoge versnellingskrachten.’
Weinig realistisch
Maar 3d printen is niet de oplossing voor elk probleem. Daar is Van Gastel nuchter over. ‘Er zijn mensen die beweren dat 3d printen technieken zoals verspanen en spuitgieten helemaal gaan vervangen.’ Maar dat lijkt hem weinig realistisch. ‘Verspanen, draaien en slijpen hebben vooralsnog een onovertroffen oppervlakteruwheid en nauwkeurigheid.’
Van Gastel noemt meer sterke punten waar additive niet aan kan tippen. ‘Voor conventionele technieken koop je materiaal in waarvan je met vele cijfers achter de komma de eigenschappen kent.’ Ook een belangrijk onderdeel van de training: je moet 3d printen niet toepassen waar het geen waarde toevoegt.
