80% lichtere gereedschapopname met 3D-print

Stork1

Stork Laser Cladding Rotterdam heeft onlangs een nieuwe gereedschapopname in gebruik genomen. Hiermee wordt gereedschap voor lasercladden aan een robot bevestigd. Het relatief hoge gewicht van de oorspronkelijke opname en de draagcapaciteit van de robot, beperkten de mogelijkheden om zwaarder gereedschap in te zetten. Lucie Boersma houdt zich voor Stork Turbo Blading bezig met additive manufacturing (AM) en ging aan de slag. Het resultaat: een volledig nieuwe vormgeving, 3D geprint, 80% lichter en (veel) minder onderdelen.

Bij lasercladden, afkomstig uit de lucht- en ruimtevaartindustrie, wordt een specifiek metaal in poedervorm met behulp van laserlassen op een ander materiaal gelast. Meestal gaat het om roestvast staal, nikkel- of cobaltlegeringen of brons. Door het lassen ontstaat een metal­lische verbinding. Dit betekent dat de metalen coating samensmelt met het onderliggende materiaal en niet meer kan loslaten. De techniek wordt toegepast om nieuwe producten te voorzien van een laag met speciale eigenschappen, bijvoorbeeld extreem slijtvast, corrosie- of erosiewerend.

Stork 2

Bij bestaande producten vormt lasercladden een oplossing om de gevolgen van slijtage te compenseren en zo de levensduur van de specifieke component te verlengen. De voordelen van lasercladden liggen niet alleen in de mogelijkheid om een stevige metallische verbinding tot stand te brengen. De coating is ook met hoge nauwkeurigheid aan te brengen ten aanzien van onder meer laagdikte en homogeniteit van het materiaal. Ook de minimale vervorming van het oorspronkelijke materiaal als gevolg van beperkte warmte-invloeden, de hoge kwaliteit van de coating en de processnelheid maken lasercladden tot een ‘populaire’ techniek.

Inzet robots

Alle reden voor Stork Gears & Services om in Rotterdam een eigen afdeling Laser Cladding op te zetten en zo de eigenschappen van onder andere assen en tandwielkasten te verbeteren. Inmiddels wordt de techniek ook toegepast voor de bewerking van producten van derden. Daarbij is in de afgelopen jaren veel kennis ­opgebouwd met betrekking tot te cladden ­materiaalcombinaties.

Omdat lasercladden alleen mogelijk is met ‘zware diodelasers’ - typisch laserklasse 4 - ­mogen deze werkzaamheden niet handmatig worden uitgevoerd. Eén korte misstap kan ­leiden tot levenslange blindheid of ander ­ernstig letsel. Sinds de oprichting maakt Stork Laser Cladding dan ook gebruik van een drietal robots. Twee kleinere mobiele robots (een ABB en een Fanuc) en een stationaire grotere ABB-robot. De laatste staat permanent in een cabine van 12 x 7 m en wordt gebruikt voor het aanbrengen van extra lagen op producten variërend van lieren, turbineonderdelen en tandwielkasten tot aan ventilatoren en pompen.

Beperking tooling

Een van de beperkingen van de stationaire ­robot was tot voor kort het maximale gewicht van de tooling. Door een relatief zware opname was deze beperkt tot ongeveer 5 kg. Michel ­Nijland, programma manager Additive Manufacturing: “Omdat de vraag naar lasercladden toeneemt, richten we ons ook steeds meer op het bewerken van grotere producten, waarbij echter ook zwaardere lasers nodig zijn. Niet ­alleen in vermogen maar ook in gewicht. Daarbij liepen we al snel tegen de capaciteit van de robot aan; binnen een beperkte werkruimte was het nog wel mogelijk om zwaardere ­tooling in te zetten, maar bij het benutten van de volledige bewegingsvrijheid, werd het ­koppel op de robotarm te groot en kunnen we minder zware gereedschappen inzetten.”

Additive manufacturing

Stork Laser Cladding besloot de hulp in te roepen van Lucie Boersma. Zij is voor Stork Turbo Blading uit Sneek twee dagen per week werkzaam in het InnovatieCluster in Drachten. Hier onderzoekt zij de mogelijkheden van AM voor zowel ‘Blading’ als andere vestigingen. “De vraag naar een lichtere versie van de gereedschapopname was een mooi project om te ­leren op welke manier de topologie van ­producten is te optimaliseren”, geeft zij aan. “Daarbij is het een typisch voorbeeld geworden van een product waarbij echt gebruik is ­gemaakt van de mogelijkheden van AM. Het gebeurt nog té vaak dat 3D-printen wordt ­benaderd vanuit het oorspronkelijke product: men wil dan dezelfde vormgeving printen maar denkt door lichtere materialen of het beperkt verwijderen van materiaal het maximale uit 3D-printen te halen. Hiermee ga je echter volledig voorbij aan de mogelijkheden die deze productiemethode extra biedt zoals de grote ontwerpvrijheid. Om hiervan gebruik te kunnen maken is het aan te raden om vanaf nul te ­beginnen en met behulp van topologieoptimalisatie-software toe te werken naar een nieuw ontwerp. Dat betekent overigens wél dat je als ontwerper het vermogen moet hebben het oude los te laten en open te staan voor een ­ontwerp dat je zelf waarschijnlijk niet bedacht zou hebben.”

Opdracht

De oorspronkelijke gereedschapopname weegt 438,7 gram, is vervaardigd van aluminium 5075 en bestaat uit acht onderdelen en zeven boutverbindingen. Verder is het dankzij het circulaire gatenpatroon mogelijk de tooling rond één as te draaien. De uiteindelijke opdracht luidde: ­optimaliseer de vormgeving zodanig dat het gewicht ervan wordt geminimaliseerd en print het eindresultaat met een 3D-printer. Daarbij was het uiteindelijk niet nodig om rekening te houden met de handmatige rotatieas, omdat deze beweging nu wordt overgenomen door de robot. Volledig terugkerend naar de basis werden twee functies voor het prototype van de nieuwe adapter gedefinieerd:

  1. Het verbinden van de bestaande tooling met de bestaande robot.
  2. Het opvangen en overbrengen van de krachten als gevolg van het lasercladden en eventueel de robotbewegingen.

Daarbij is uitgegaan van tooling met een ­gewicht van maximaal 4 kg die de robot kan hanteren binnen zijn maximale bereik.

Pragmatisch

Het ontwerp start met het bepalen van de elementen die nodig zijn voor de eerste functie: het verbinden van de opname met de tooling en de robot. Daarbij is de verbinding met de ­robot een flens geworden met een gatenpatroon dat is overgenomen vanuit de robotarm.Voor de koppeling van de nieuwe gereedschapopname met de tool koos Boersma voor een constructie uit twee ringen die om het gereedschap worden gepositioneerd en klemmen. Deze elementen zijn in een CAD-model ­gebracht, waarvoor Stork gebruikmaakt van de software Siemens NX. Om de krachten te definiëren is ook de tooling omgezet in een grof CAD-model.

Boersma: “Omdat dit niet tot in detail is ­gebeurd, hebben we dit model niet kunnen ­gebruiken om het zwaartepunt te bepalen. Dit hebben we dan ook pragmatisch gedaan door de tooling op verschillende manieren aan een touwtje te hangen en het snijpunt van de zwaartelijnen te noteren. Verder heb ik besloten me te beperken tot een statische berekening en de eventuele dynamische invloeden te compenseren door een hogere veiligheids­factor toe te passen. Dit omdat de versnellingen en vertragingen van de robot tijdens het laser cladden laag zijn en daarom slechts een ­beperkte invloed hebben.“

Topologieoptimalisatie

Na deze eerste stap start het ontwerp als voorbereiding op de topologieoptimalisatie met het samenstellen van een CAD-model met Siemens NX. Hierin worden eerst de verbindingselementen in het model opgenomen, waarna de ontwerpruimte (design space) wordt gedefinieerd. De design space bepaalt de ruimte waar materiaal mag worden geplaatst tijdens de topologie­optimalisatie. In dit geval is deze balkvormig. Ter plaatste van aansluitingen op de tooling en ten behoeve van het doorvoeren van slangen worden uitsparingen in de design space aangebracht aangezien hier geen materiaal mag worden geplaatst. Dit samengestelde CAD-model wordt vervolgens geëxporteerd en ingelezen door Altair Inspire; een softwarepakket voor ­onder meer topologieoptimalisatie. Hier wordt een aantal parameters ingegeven dat de software nodig heeft om te kunnen optimaliseren; in dit geval met als uitgangspunt het minimaliseren van het gewicht. Tot deze parameters ­behoren onder meer het eerder bepaalde zwaartepunt, het krachtenspel, de materiaal­eigenschappen van het materiaal waarin wordt geprint (aluminium) en een veiligheidsfactor die in dit geval op minimaal 5 is gezet. Verder worden beperkingen aangegeven waarmee de software rekening dient te houden zoals de boutverbindingen waarmee de flens aan de ­robotarm wordt bevestigd en het feit dat de beide bevestigingsringen ten behoeve van de tooling in lijn moeten blijven.

Opvallend

Na het opstellen van dit model en de parameters kan de optimalisatiesoftware daadwerkelijk aan de gang met optimaliseren. Waar de minste spanning optreedt, neemt de software materiaal weg. Het ontwerp wordt doorgerekend en vervolgens wordt opnieuw materiaal weggehaald uit de ontwerpruimte op de plaatsen waar op dát moment de laagste spanningen heersen. Dit proces herhaalt zich totdat de maximale hoeveelheid materiaal is weggehaald die vooraf is opgegeven (in procenten) óf, zoals in dit geval, totdat de eerder opgegeven grenzen ten aanzien van sterkte en stijfheid worden overschreden.

Vooral de organische vorm van het eindre­sultaat valt op. Boersma: “Deze vorm is een ­typische uitkomst van een topologie-geoptimaliseerd ontwerp dat je als ontwerper niet zomaar zelf bedenkt. Vooral omdat je door de conventionele productietechnieken anders hebt leren denken over constructies, sterkte en stijfheid. Realiseer je als constructeur of ontwerper wel dat je ontwerp - bij het werken met optimalisatiesoftware - uitsluitend deugt wanneer de waarden die je in het beginstadium opgeeft, ten aanzien van de werkende krachten, het ­materiaal en het zwaartepunt, kloppen. Wanneer je onzin ingeeft, krijg je er ook onzin uit.”

‘Glad trekken’

Om de tijd die de software nodig heeft om de optimalisatie door te rekenen beperkt te houden, wordt gewerkt met relatief grote stappen. Dit resulteert onder meer in een oppervlak wat relatief grof is. Het ontwerp is echter voldoende om een eerste FEM-analyse uit te voeren ­waarmee wordt gecontroleerd of het ontwerp voldoet ten aanzien van sterkte en stijfheid. Wanneer dit het geval is, wordt het oppervlak ‘glad getrokken’ met behulp van zogenaamde Polynurbs. Dit is overigens een stap die niet ­automatisch wordt uitgevoerd. De constructeur heeft hier de mogelijkheid om het ontwerp nog aan te passen. Uiteindelijk moet het ontwerp immers niet alleen mechanisch kloppen maar ook esthetisch in orde zijn én veilig om te hanteren. Hierna wordt ter controle nogmaals een FEM-analyse gedaan.

Naar de 3D-printer

Boersma: “De verschillende beschreven ­stappen zijn uiteraard niet ‘first time right’. ­Optimalisatie is een iteratief proces, waarbij de ontwerper voortdurend parameters aanpast om uiteindelijk te komen tot een optimaal ­resultaat.” De laatste stap richting 3D-printen is het PolyNurbs-model van Altair Inspire weer inlezen in het Siemens NX-programma. Hier is het model tot slot nog aangepast om de praktische toepasbaarheid van de gereedschap­opname te verbeteren. Zo zijn de bevestigingsringen in tweeën gedeeld zodat deze eenvoudig om de tooling is aan te brengen. Voor de klemming is voorzien in totaal vier boutverbindingen. De helicoils en bouten zijn de enige elementen die uiteindelijk niet worden ge-3Dprint.

Dit ontwerp van ‘prototype V0’ is uiteindelijk voorbereid voor het printen op de SLM280HL 3Dprinter (Selective Laser Melting) in AlSi10Mg (aluminiumlegering). Vervolgens is hij gezandstraald en heeft een warmtebehandeling (spanningsarm gloeien) ondergaan. Boersma: “Niet zonder trots kunnen we melden dat we met deze optimalisatie van de topologie tot een ontwerp zijn gekomen dat slechts 85 gram weegt. Een gewichtsbesparing van 80,6 ­procent terwijl het aantal onderdelen is teruggebracht naar twee en vier boutverbindingen. Dit ­ge-3Dprinte prototype wordt inmiddels volop getest en zal als basis dienen voor verdere optimalisatie en nieuwe (te optimaliseren) gereedschapopnames voor andere cladding tools.” www.stork.com

InnovatieCluster Drachten

Het InnovatieCluster is gevestigd in een van de Philipsgebouwen in Drachten en betreft een samenwerkingsverband tussen verschillende bedrijven op het vlak van robotica, ­vision, Big Data, Electrical Drives en Additive Manufacturing. 3D printen wordt in de ­verschillende Stork vestigingen nog niet toegepast als serieuze productietechniek. Het onderzoek wordt vooral gezien als voorbereiding op de toekomst. De ontwikkelingen gaan immers snel en wanneer het zover is, wil het bedrijf er klaar voor zijn. De kennis wordt opgedaan door verschillende use cases uit de praktijk te onderzoeken, waarbij vooral de grenzen worden afgetast van hetgeen mogelijk is met additive manufacturing. Zowel in kunststof als in metaal. www.icdrachten.nl

Marjolein de Wit-Blok