07/10/2015
Door Bart Driessen
De ontwikkelingen op het gebied van AM ofwel Additive Manufacturing gaan hard. Een van de belangrijkste stappen van dit moment is die richting versnelde 3D printing van metalen.
De High Performance Production Line for Small Series Metal Parts is een lijn waarop geprint kan worden en waarmee kleine metalen producten in 100 varianten tegelijk nabewerkt kunnen worden. Om een vrije en flexibele keuze van software en communicatieprotocollen te kunnen maken is de Hyproline uitgerust met meerdere besturingen van Beckhoff.
Supersnelle productielijn
De Hyproline maakt deel uit van TNO’s visie op de volgende generatie productie machines: Hybrid Manufacturing gebaseerd op het Print Valley concept. Het doel van TNO is om via Hyproline 3D printen op een veel hoger niveau te krijgen dan momenteel. Dat hogere niveau geldt zowel voor de productiesnelheid als voor de integratie van 3D printing met andere bewerkingen. Anders gezegd: 3D printing moet functioneren als onderdeel van een moderne, supersnel werkende productielijn. Tot op heden is 3D printing nog teveel een techniek die in de vorm van stand-alone machines vooral producten in kleine aantallen levert. Bekende voorbeelden van dat soort producten zijn protheses en reserve machinedelen die eerder uit productie zijn genomen. Essentie hiervan is ‘batchgrootte 1’, een eigenschap die vaak in discussies over Smart Industry of Industrie 4.0 als een van de sterke kanten van 3D printing wordt genoemd.
Mass customization
Op zich valt voor deze kleinschaligheid wel wat te zeggen. Maar ‘mass customization’ is waarschijnlijk een ontwikkeling in de productietechnologie met een nog veel groter potentieel. Essentie van ‘mass customization’ is de combinatie van een enorme variatie in producten met zeer hoge productieaantallen. Dit om tegemoet te komen aan de behoefte van de moderne gebruiker die graag een ‘uniek’ product wil, maar wel tegen een betaalbare prijs. De kracht van 3D printing is natuurlijk de mogelijkheid ‘unieke’ producten te maken, waardoor het zich als vanzelf leent voor batchgrootte 1. Maar de stap die nu gezet moet worden is de productie door additive manufacturing of 3D printing zo in te richten dat productiekosten drastisch omlaag worden gebracht zodat op den duur ook de eindproducten in grote aantallen en dus tegen een lagere prijs aangeboden kunnen worden. En het is juist deze gedachte die ten grondslag ligt aan de ontwikkeling van de Hypoline.
Europees project
De argumenten te gunste van de Hyproline worden ook gedeeld door de Europese Unie. Niet voor niets ondersteunt het dit Europese project met een bedrag van 4 miljoen euro. TNO Eindhoven, afdeling Equipment voor Additive Manufacturing, is een van de belangrijkste deelnemers aan dit project. Het werkt daarbij samen met de Universiteit van Birmingham, Swerea (het Zweedse ‘TNO’), en verder de bedrijven CCM (Nuenen), HOGANAS (Zweden), en ITI TranscenData (Engeland). De experts in Eindhoven die ons de Hyproline laten zien, zijn Frits Feenstra, senior project manager en Frits Verhoeven, research engineer en Herbert Fiedler, ontwikkelaar besturing & automatisering. Zij zijn vier jaar geleden gestart met het onderzoek en testen van de Hyproline en hopen dit project in de loop van dit jaar te kunnen afronden. Frits Feenstra: “In dit project pakken we twee uitdagingen aan: we willen met het Hyproline platform een metalen product aanzienlijk sneller klaar hebben en we willen dat 3D printing een integraal onderdeel wordt van een complete productielijn. Het komt dus neer op compleet afgewerkte metalen producten in grotere aantallen en in minder tijd.” Hoewel de metalen producten nu niet op het Hyproline platform zelf worden geproduceerd is het nabewerken (van 100 verschillende metalen onderdelen) een belangrijke stap in het snel en kwalitatief goed afleven van 3D geprinte onderdelen.
Eindloze band
Hoe ziet de oplossing er uit? Frits Feenstra: “De gedachte dat 3D printing altijd in batches plaats vindt, moet je achter je laten. Natuurlijk werken ook wij in opeenvolgende stappen zoals dat bij 3D printen normaal is. Maar ons doel is meerdere producten tegelijkertijd te maken. En dan ook nog eens totaal verschillende producten, wat nog interessanter is. De oplossing die wij hiervoor ontwikkeld hebben, heet dus Hyproline en heeft op het eerste oog veel weg van een speelgoedtrein die continu rondjes draait. In feite is het een eindloze band met een totale lengte van 8 meter waarop 100 pallets of producthouders zijn gemonteerd. De band kan tot een snelheid van 2 m/s rondgaan en passeert dan verschillende bewerkingen die stuk voor stuk vanuit de besturing worden geregeld. Die bewerkingen worden uitgevoerd door verschillende machines die boven de band zijn gemonteerd. Voorbeelden van bewerkingen zijn, de meting van de hoogte (van pallet en geprinte lagen), het 3D scannen van metalen producten, het laser bewerken (ablatie en polijsten), het printen zelf en tenslotte de flash cure. Voor de bewerkingen wordt elke pallet elke ronde op de juiste hoogte (voor de bewerking van die ronde) gezet. En dit ook voor de pallets die met 2 meter per seconde langs razen. Vanwege de veiligheid is de Hyproline rondom afgeschermd met kunststof platen, onder meer ter bescherming tegen het laserlicht.Omdat de band zo lang is, kunnen we dus veel printers en andere bewerkingen boven de band monteren. De toegeleverde delen hebben als grondstof metaalpoeder (titanium, RVS 316L of koper). In Hyproline wordt door middel van 3D scanning vastgesteld hoe groot de ruwheid van het opgebrachte metaal is. Wanneer dat teveel is, wordt het door lasers gepolijst; de lasers kunnen het product tot een ruwheid van 1 tot 5 μm (Ra) polijsten. Afhankelijk van het product worden de bewerkingen net zolang herhaald tot het product klaar is en van de band gepikt kan worden.”
Open systemen dienen de klant
Een opvallend onderdeel van de Hyproline is de deltarobot. Deze robot van Codian beschikt over een besturing/controller CX2020 Embedded Controler van Beckhoff en is in staat om de pallet met het gerede product ‘on the fly’ van de lopende band op te pikken. En dat zonder het product te laten vallen of beschadigen. Ontworpen voor een snelheid van maximaal 2 meter per seconde, de nu gerealiseerde snelheid van 1,3 m/s is ook geen geringe prestatie. De Hyproline beschikt daarnaast over nog twee andere controllers; deze besturen de band en het cleaning- en vulmechanisme van de printkoppen. Tegelijk met de hardware van Beckhoff voor de automatisering van de Hyproline wordt ook de software van deze fabrikant gebruikt. Waarom? “Wij gebruiken al 5 jaar hard- en software van Beckhoff. De belangrijkste reden voor ons is dat het een open systeem is. Wij zijn daardoor altijd vrij in onze keuze voor besturingen en protocollen. Vroeger werd vaker Simulink gebruikt, maar dat was niet zo goed te onderhouden als EtherCAT en TwinCAT. Openheid en onderhoud zijn belangrijk voor ons, onder meer omdat we eerder ontwikkelde machinebesturingen willen hergebruiken in nieuwe lijnen. Wij programmeren de functionaliteit met TwinCAT in combinatie met de AX 5000 servodrives. De synchronisatie van de robot met het vulmechanisme van de printers wordt door middel van een EL6692 gerealiseerd. Belangrijk voor ons is ook hun service wanneer het gaat om specifieke oplossingen. Engineers van Beckhoff in Duitsland hebben ons hier geholpen bij vragen over de robotbesturing. De snelheid waarmee gereageerd wordt op onze vragen vinden wij heel prettig. Wij willen namelijk ook verder met ons onderzoek.”
Safety geïntegreerd
De vereiste machineveiligheid voor de Hyproline is door middel van Safety over EtherCAT verzorgd. Safety over EtherCAT houdt in dat machineveiligheid en machinebesturing via dezelfde veldbus communiceren. Externe bedrading vervalt hierdoor. De AX5000 servodrives zijn bijvoorbeeld uitgerust met de AX5805: de optie ‘Safe Stop’ over EtherCAT. En de twee CX2020-controllers zijn direct gekoppeld aan twee EL6900 TwinSAFE controllers voor afhandeling van de veiligheidsfuncties. De sensoren voor de bewaking van de veiligheidsschermen en noodstops zijn verbonden via acht EP1908 TwinSAFE EtherCAT boxes met de machinebesturing.
Verhoging maximum snelheid
De Hyproline kan nu dus meer producten tegelijk printen/bewerken, die ook nog eens qua vorm totaal verschillend zijn. Het huidige Hyproline platform heeft 100 pallets en daarmee kunnen we tot 100 verschillende producten tegelijkertijd bewerken. Bepalend voor de totale output is de snelheid van onze machine. Nu ligt de snelheid nog op 1 meter per seconde. De capaciteit moet richting de 10.000 onderdelen per dag gaan. Maar we zijn al bezig met snelheden richting de 1,2 tot 1,3 meter. En in de toekomst willen we een snelheid van 2 meter per seconde halen. Daarvoor zullen we onder meer de servomotoren van de robot optimaal moeten inregelen (wat nu door tijd gebrek nog niet is gebeurd).