Samen innoveren op de grens van het maakbare

VDL GL Precision werd benaderd voor het ontwerp van een nieuwe high-acceleration lineaire-motormodule. De grootste uitdagingen waren nauwkeurige productie en assemblage, een bijzondere productietechnologie die het lastig maakte om de specificaties te halen, en een contaminatievrije oplevering. Collega’s van de afdelingen Engineering, Parts en Assembly werkten samen om deze uitdagingen tot een succes te brengen en zijn nu betrokken bij de volumeproductie.

Derk Steendam, opgeleid tot researchinstrumentmaker aan de Leidse instrumentmakers School, werkt als engineer voor New Product Introduction (NPI). Hij richt zich op productintroductie met de nadruk op innovatie; zijn expertise vormde een goede match met de klantvraag. Voorman Bart Hendrickx is met 26 jaar ervaring als cnc-frezer bij VDL GL Precision de ideale vakman voor het uitdagende project. David Potters is nog zo’n vakman: al bijna 24 jaar werkzaam bij het bedrijf, nu als voorman van het EUV-cleanroomteam en het cleaning center. Hij voert de grade-2 cleanroommontage van het project uit. De drie mannen spelen met hun expertise een cruciale rol in het realiseren van de module.

Potters: ‘Ook al ligt er reeds een initieel ontwerp, zo’n project is nog niet volledig uitgewerkt en gaandeweg kom je uitdagingen tegen. We brengen in ons bedrijf de verschillende disciplines bij elkaar om tot een succesvol resultaat te komen. Zo maak ik samen met Derk de vertaling van ontwerp naar montage. Het is interessant om bij deze fases betrokken te zijn. ‘

Complexe productiecyclus

De module kent een complexe productiecyclus, schetst Steendam. ‘Op de rand van het maakbare en dat loopt door het hele proces heen. Bart produceert met zijn team de verschillende montagedelen voor de motoren, David en zijn team monteren deze vervolgens tot een module. De motoren, geproduceerd met deels ingekochte en deels voorgeschreven onderdelen, worden hieraan weer vastgelast. In de cleanroom monteren ze de kabels en printplaten en reinigen de module voor deze wordt verzonden. De uitdaging bij dit project zit in de integratie van nieuwe productietechnologieën in de keten.’

VDL GL Precision verzorgt zowel built-to-print (BtP en BtP+) als built-to-spec (BtS) projecten. ‘Door early supplier involvement kunnen we ons vroegtijdig verdiepen in de maakbaarheid en industrialisatie van het ontwerp’, vervolgt Steendam. ‘Klanten komen meestal met projecten die nog niet eerder gerealiseerd zijn. Wij vertalen hun vraag naar een maakbaar productontwerp. Het voordeel hiervan is dat we op deze manier in het productontwerp meteen de maakbaarheid en schaalbaarheid kunnen meenemen (DfX, red.).’

Een belangrijk DfX-hulpmiddel is de tolerantieanalyse, vertelt Steendam. ‘Samen met Bart heb ik gekeken naar de vorm-plaatstoleranties die in het micronbereik lagen. Sommige toleranties die niet functioneel waren beperkten de schaalbaarheid van de volumeproductie; na overleg met de klant hebben we die aangepast.’ Hendrickx licht toe: ‘De toleranties gevraagd door de klant vielen buiten het bereik van de nauwkeurigheid van de machine. Hierdoor was het uitdagend om de maatvoering op micronniveau op de vijfassige cnc-freesbank te realiseren, ook in volumeproductie. Dat is gelukt, vooral door de juiste maakstrategieën toe te passen in combinatie met slim programmeren.’

Deze aanpak hing samen met het beleid bij VDL GL Precision gericht op schaalbare productie. Daarvoor wordt het proces zo ingericht dat de gangbare machines zoveel mogelijk worden benut. Hendrickx: ‘Een van de machines die ik heb ingericht had eigenlijk iets te weinig vermogen voor het taaie materiaal, een speciale 316L-staallegering, waarvan het product wordt gemaakt’’. Steendam: ‘Uiteindelijk hebben we het voor elkaar gekregen, dankzij Bart’s jarenlange ervaring. Hij is echt proactief met het inregelen van zijn machine.’ Hendrickx: ‘Zo hadden we bijvoorbeeld in het begin last van trillingen door de wisselwerking tussen het werkstuk en de machine met gereedschap. Dat probleem is opgelost. Ik sta elke keer weer versteld van wat we op onze machines kunnen maken.’

Potters op zijn beurt dacht na over verbeteringen voor het reinigingsproces. ‘Het product helemaal schoon krijgen is een monnikenwerk, onder meer omdat de kabels die we op de module monteren statisch zijn en het product veel hoekjes en gaatjes kent. Recent hebben we nog grote stappen gemaakt door veel meer te doen met intermediate cleaning; dat scheelt uren poetswerk. Tot slot voeren we een bake-out en restgasanalyse uit om de reinheid te controleren.’

Competenties uitbreiden

De maakbaarheid was dus op een aantal facetten hoog gegrepen, vat Steendam samen. ‘Goede communicatie in het team zorgde ervoor dat we alle problemen direct konden oplossen. Ook hebben we onze competentie op verschillende gebieden verder moeten uitbreiden, onder meer in de cleanroom, en hebben we verschillende speciale gereedschappen moeten bestellen.’

Lijmen was bijvoorbeeld een aandachtspunt. ‘Helaas kon een lijmrobot of lijmdispenser niet worden gebruikt worden vanwege de kleine ruimtes. Samen hebben we gekeken naar een oplossing die een goed resultaat gaf én goed werkte voor de cleanroomoperator. Gelukkig was dit een competentie die wij al geruime tijd onder de knie hebben.’

Een competentie die nog moest worden uitgebreid, was het elektrisch kwalificeren van motoren; zusterbedrijf VDL ETG Projects leverde hiervoor support. Testengineers en de operators in de cleanroom zorgden samen voor een werkende kwalificatiemachine.

Elektronenbundellassen

Voor het verbinden van de verschillende delen was het van belang dat de sterkte en lekdichtheid over een bepaalde diepte was gegarandeerd. E-beamlassen bleek de beste optie, uitgevoerd in vacuüm en zonder schutgas en vulmetaal; dat produceert lassen die tot 30 millimeter diep en nagenoeg porievrij zijn. ‘Hiervoor hebben we de samenwerking opgezocht met een leverancier die over deze expertise beschikt’, vertelt Steendam. ‘We hebben gekeken welk effect het lassen op de gefreesde samenstellingen had en hoe we de industrialisatie moesten inrichten voor het nauwkeurig lassen. Dat vereiste voor sommige delen zelfs een compleet andere geometrie.’

De combinatie van het specifieke ontwerp en de warmte-inbreng door het lassen zorgde voor deformatie. ‘Hier hebben we empirisch onderzoek naar gedaan om de deformatie te voorspellen en op basis daarvan te minimaliseren in combinatie met een optimale lasverbinding en behoud van de krappe toleranties. Met de verzamelde data konden we het integrale productieproces optimaliseren.’’

3D-metaalprinten

Om het productieproces verder te ontwikkelen, sparren de mannen over andere mogelijkheden. Hendrickx: ‘Frezen spreekt mij nog altijd het meest aan, maar ik zie voor de toekomst ook meer mogelijkheden met 3D-printen. Ik heb de eerste resultaten al gezien; dat ziet er veelbelovend uit. Mijn werk zou dan verschuiven naar de nabewerking.’ Steendam vult aan: ‘’Met de huidige stand van de 3D-printtechniek in relatie tot de gevraagde vorm-plaatstoleranties zullen we de producten nog moeten nabewerken.’

De productie draait nu op volle toeren. De modules worden volledig gefreesd, in een productieproces dat robuust is ingericht. Ondertussen loopt de verkenning naar het 3D-printen. ‘Zo blijven we ons ontwikkelen om in de toekomst in nog meer klantvragen te voorzien.’

Intensieve afstemming

Al met al is het een project dat veel afstemming vergt, concludeert Steendam. ‘Intensiever dan bij een gemiddeld project. Dit was mede vanwege de complexe ketenregie. We moesten bijvoorbeeld interne bewerkingsstrategieën afstemmen met externe leveranciers om alles rond het proces optimaal te kunnen inregelen. Naast technische skills vraagt dit ook veel van ons projectmanagement.’

Gevraagd naar hun ambities, zeggen de mannen dat ze in de toekomst met elkaar meer van dit soort projecten willen doen. Hendrickx: ‘Samen met mijn collega’s wil ik via vergelijkbare projecten verder groeien. De samenwerking was perfect.’ Collega’s Potters en Steendam kunnen dit alleen maar beamen.

Dit artikel is geschreven in nauwe samenwerking met VDL GL Precision.