Eind mei voerde Moba, fabrikant van machines voor het sorteren, verpakken en verwerken van eieren, een test uit met het 3D-metaalprinten van een proefmatrijs voor het spuitgieten van dikwandige onderdelen, die vaak een langdurige koeltijd kennen. Daarbij werkte het bedrijf uit Barneveld nauw samen met Trumpf, dat in 2015 zijn 3D-printmachines opnieuw op de markt bracht. De eerste voortekenen blijken gunstig: de cyclustijd kon met 30 procent worden bekort.
V.l.n.r. Lenn Hoek van Dijke (Trumpf), William van de Fliert, Richard van Voskuilen en Hans Ruijs (allen Moba). Foto: Geert de Jong. ‘Het ziet ernaar uit dat we kosten besparen bij een hogere kwaliteit kunststof product’
‘3D-metaalprinttechnologie is echt een enorme stap voorwaarts’
Het Duitse hightechbedrijf Trumpf begon in 1999 al met het ontwikkelen van de innovatieve 3D-printtechnologie, maar vanwege de aanvankelijk zeer beperkte adoptie in de markt duurde het tot 2014 voor het bedrijf weer instapte. ‘Toen ontstonden er steeds meer industriële toepassingen en inmiddels hebben we drie 3D-printmachines in ons portfolio: de TruPrint 1000, 3000 en 5000’, vertelt Lenn Hoek van Dijke, sales engineer additive manufacturing bij de Nederlandse vestiging in Hengelo. ‘De TruPrint 5000 heeft als belangrijk voordeel dat de bouwkamer tot 500 graden Celsius verwarmd kan worden. Dat betekent dat matrijzenbouwers ook materialen kunnen 3D-printen die ze bij de traditionele matrijzenbouw toepassen.’
Nauwkeurige maatvoering
3D-metaalprinten wordt inmiddels in diverse sectoren toegepast, vanwege de voordelen: minder gewicht (aerospace), lagere kosten voor klantspecifieke productie (medische technologie) en de opties in complexiteit. ‘In de matrijzenbouw heb je het dan over complexe, vormvolgende koelkanalen waardoor het kunststof product gelijkmatiger en sneller gekoeld kan worden. Door de gelijkmatige koeling is de maatvoering van het product nauwkeuriger. Dit is voor Moba essentieel, omdat er veel technische producten geproduceerd worden’, aldus Hoek van Dijke. ‘Een effectievere koeling betekent ook een verkorting van de cyclustijd, waardoor je meer producten in kortere tijd kunt produceren met als gevolg een reductie van de kostprijs per spuitgietproduct. ’
Handschoen opgepakt
Moba was al klant van Trumpf voor de plaatwerkmachinerie. Een bezoek aan de fabriek in Duitsland begin vorig jaar deed de interesse voor 3D-metaalprinten ontstaan. ‘Als wereldmarktleider moet je continu met innovatie bezig zijn om die positie te handhaven. Jos Fessl, destijds director operations bij Moba, zag mogelijkheden voor toepassing van deze nieuwe technologie in de matrijzenmakerij. Wij hebben de handschoen opgepakt en zijn het traject ingegaan’, zegt William van de Fliert, hoofd matrijzenmakerij-spuitgieterij bij Moba. Ontwerpers van Moba kregen uitleg over de ontwerp- en productie-eisen behorende bij de 3D-metaalprinttechnologie: oppervlakteruwheid, grootte en geometrie van kanaaldiameters, afstand van de koelkanalen tot de vormholte en materiaalkrimp. ‘Normaal gesproken heb je een blok staal, waar je alle massa uit verwijdert die niet nodig is. Bij 3D-metaalprinten maak je in staal de near net shape oftewel bijna precies de vorm die je wilt, die daarna wordt nabewerkt’, verklaart Hoek van Dijke.
Dimensie meer
Richard van Voskuilen, matrijzenconstructeur bij Moba, ondervond de verschillen aan den lijve: ‘Bij de huidige productiemethode heb je minder vormvrijheid bij het ontwerp van je koelkanalen. Normaliter worden koelkanalen geboord. Nu krijg je te maken met rondingen en radiussen en dat maakt het tekenen complexer. Je hebt in feite een dimensie méér.’ Ook kreeg Moba de gelegenheid om de nieuwe ontwerpen door Trumpf te laten printen om zo de haalbaarheid in de praktijk te onderzoeken. Hoek van Dijke: ‘Wij stimuleren de klant om zo veel mogelijk processtappen zelf te doen, zodat hij zelf de leercurve doorloopt. Zo hopen we de adoptie van deze nieuwe technologie te bevorderen. En Moba kon ook sparren met onze branchespecialisten.’ De intensieve wisselwerking tussen beide bedrijven wierp zijn vruchten af: het printbare ontwerp van Van Voskuilen was in één keer goed.
Geleidelijke afkoeling
Met het 3D-metaalprinten van matrijsdelen hoopt Moba een aantal voordelen te realiseren. ‘Allereerst een hogere vorm- en maatnauwkeurigheid van onze kunststof producten en daarnaast een kortere koeltijd, met een groter proces window bij het spuitgieten. Als je de temperatuur en de snelheid van de flow kunt regelen en zo bij 60 in plaats van 50 graden Celsius kunt koelen, dan krijg je minder spanning in het kunststof deel vanwege de meer geleidelijke afkoeling. Hiermee heb je minder kans op vervorming’, stelt Hans Ruijs, senior engineer plastics. ‘De machines die wij maken voor onze klanten, kunnen duizenden kunststof onderdelen bevatten. Dan is het essentieel dat die onderdelen zo veel mogelijk vorm- en slijtvast zijn. Kwaliteit staat voorop, want uitval in het veld is een verstoring voor onze klant en betekent een grote kostenpost.’
Harde meting
Omdat Moba het gehele traject van productontwikkeling, matrijzenbouwen en spuitgieten in eigen huis doet, is de businesscase makkelijker te maken. De bijkomende kosten voor de integratie van 3D-metaalprinten verwacht het bedrijf terug te verdienen met de voordelen in het spuitgietproces. ‘Ons doel is de beste eierverwerkende machine voor onze klanten. Nu ziet het ernaar uit dat we aan het eind kosten besparen bij een hogere kwaliteit kunststof product’, aldus Van de Fliert. Eind mei was het tijd voor een harde meting: een test met een proefmatrijs met meerdere inzetblokken, waarbij het spuitgietproces met een standaard koelkanaal werd afgezet tegen het proces met een 3D-metaalgeprint koelkanaal. ‘Moba werkt in totaal met 1.780 matrijzen waarmee 2.000 verschillende artikelen gemaakt worden. Dé grote uitdaging is de koeling en de vraag was of complexere koeling die mogelijk gemaakt wordt door 3D-metaalprinten het verschil kan maken en ons helpt de beoogde voordelen te realiseren.’
H3D-printen maakt complexe, vormvolgende koelkanalen mogelijk, waarmee uniformere kunststof onderdelen geproduceerd kunnen worden. Illustratie: Moba
Gelijke randvoorwaarden
De randvoorwaarden werden in beide gevallen zo veel mogelijk gelijk gehouden. Alleen had de reeds geproduceerde matrijs met standaard koelkanalen een diameter van 8 millimeter tegen 6 millimeter bij de 3D-metaalgeprinte inzetstukken. Er werd getest met diverse koeltemperaturen. ‘Uiteraard realiseerden we dat de waterflow kleiner zou zijn door de vele bochten en de kleinere kanaaldiameters. Ondanks deze geringere flow koelde het geprinte koelkanaal over de hele linie toch beter, waardoor de cyclustijd met 30 procent kon worden bekort’, stelt Ruijs. ‘Dat leverde een aantal leerpunten op: het kanaalontwerp moet zo min mogelijk bochten en een grote diameter hebben, en de lengte van de koelleidingen moet zo gering mogelijk zijn. Voor een optimale koeling moeten we dus op zoek naar het juiste evenwicht tussen lengte, diameter en flow. Dan kunnen we de cyclustijd wellicht nog verder verkorten.’
Voorspelbare matrijs
Het feit dat het koelkanaal zich op slechts 2 millimeter van het product bevindt, leidde vooraf bij Moba tot de angst dat bij het inspuiten van de kunststof het kanaal het zou begeven. ‘Daarom hebben we de matrijs onderworpen aan een test met 900 bar en die is glansrijk doorstaan’, aldus Hoek van Dijke. Een uitdaging die in de toekomst getackeld moet worden, is het feit dat producten verschillen qua wanddikte, wat betekent dat per product een koelingsoptimum bepaald moet worden. ‘Dat betekent dat we een voorspelbare matrijs moeten hebben, waarbij je precies weet welk effect het koelen heeft op het product. Door alle technologische ontwikkelingen, waaronder 3D-metaalprinten, worden matrijzen bovendien steeds complexer, daar is voor mensen niet meer aan te rekenen’, zegt Van de Fliert. ‘Met behulp van het simulatieprogramma Moldex kunnen we het gehele spuitgietproces simuleren en vroegtijdig potentiële problemen herkennen. Problemen die we eventueel kunnen oplossen met 3D-metaalprinten. Die 3D-metaalprinttechnologie is echt een enorme stap voorwaarts voor onze innovatieve spuitgietproducten.’
