Hybride productie: superioriteit door gecombineerde processen
De maakindustrie heeft een duidelijke heropleving doorgemaakt dankzij de toenemende belangstelling voor hybride productietechnologieën, met name vanwege hun vermogen om producten zeer efficiënt te vervaardigen met verbeterde prestaties. Hybride productie is een verzamelbegrip dat verschillende recente ontwikkelingen binnen het domein van productieprocessen omvat, waarbij deze processen worden gecombineerd en geïntegreerd met als doel de ontwerpvrijheid te vergroten, de kwaliteit te verbeteren en de productietijd te verkorten. Dit maakt een uitbreiding van de productiebasis en nieuwe toepassingsgebieden mogelijk.
Fabrikanten maken gebruik van een breed scala aan bewerkingen om de vereiste producten volgens industriële specificaties te produceren. Veelgebruikte productieprocessen zijn computergestuurde numerieke besturing (CNC-bewerking), additieve productie en vormgevende processen, waaronder vormen, verbinden en scheidende bewerkingen, met name lassen. In de afgelopen jaren zijn deze technologieën dichter naar elkaar toegegroeid en hebben zij nieuwe mogelijkheden geopend voor ontwerpers en ingenieurs.
Elk productieproces kent specifieke nadelen en beperkingen die moeilijk volledig te elimineren zijn. CNC-bewerking brengt door de complexiteit van het proces een hogere mate van moeilijkheid met zich mee bij de vervaardiging van complexe geometrieën, met name vanwege de toegankelijkheid van de gereedschappen. Het toepassingsgebied van additieve productietechnologieën blijft nog beperkt, vooral door langere productietijden en een lagere nauwkeurigheid in vergelijking met CNC-bewerkingsmethoden. De ontwikkeling van vormprocessen wordt beperkt door het terugveringseffect (springback) en de beperkte vervormbaarheid van materialen. Daarnaast is het bijzonder uitdagend om de maatnauwkeurigheid van componenten tijdens het lasproces te beheersen.
De bovengenoemde problemen en procescomplexiteiten met betrekking tot bestaande productiesystemen kunnen worden opgelost door hybride productie, die de integratie van meer dan één productieproces mogelijk maakt.
Hier volgen enkele recente onderzoeksresultaten uit de academische wereld met betrekking tot hybride productietechnologieën
- De combinatie van CNC-bewerking en additieve productie kan een effectieve oplossing bieden voor bestaande procesbeperkingen binnen additieve productie, met name wat betreft verbeterde nauwkeurigheid en bewerkingscapaciteit (bewerkingssnelheid) tijdens het proces 1.
- De integratie van lasergebaseerde verwarming en vormprocessen kan het terugveringseffect aanzienlijk verminderen 2.
- De combinatie van ultrasone trillingen en het boorproces kan leiden tot een vermindering van gereedschapsslijtage 3.
- Het gebruik van laserboren in combinatie met elektrochemisch bewerken (ECM) resulteert in een aanzienlijke vermindering van de vorming van de hersmeltlaag (laag van opnieuw gestold materiaal) en de warmte-beïnvloede zone (HAZ). De HAZ is een metaalgebied dat niet smelt, maar veranderingen in materiaalsamenstelling ondergaat onder invloed van hoge bedrijfstemperaturen 4.
Laten we dieper ingaan op twee hybride processen die al in de industrie zijn geïmplementeerd.
Hybride additieve productie met koolstofvezelversterking
In 2018 introduceerde het in Duitsland gevestigde composietingenieursbedrijf CIKONI een hybride productietechnologie op basis van additieve productie en koolstofvezelversterking. De meeste vezelversterkte additieve productieprocessen zijn gebaseerd op FDM-technologie, waarbij korte of continue vezelversterking tijdens het printen aan het gesmolten polymeer wordt toegevoegd 5.
Het nadeel van deze benaderingen is dat de vezelversterking alleen in het printvlak kan worden aangebracht. Dit kan effectief ondersteuning bieden in het vlak voor druk- en trekkrachten, maar de meeste componenten worden blootgesteld aan driedimensionale belastingen. Bovendien zijn de kosten van vezelversterkte filamenten zeer hoog en is de printsnelheid laag, waardoor kosteneffectieve productie vrijwel onmogelijk wordt.
Daarentegen combineert de hybride aanpak van AdditiveCARBON ongewapend 3D-printen, dat kosteneffectief en schaalbaar is, met continue vezelversterking op basis van een robotgestuurd wikkelproces. De robotgeleiding maakt ook vezelversterking in de ruimte mogelijk, zodat complexere belastingsgevallen kunnen worden opgevangen.
Het principe is al succesvol getest samen met de Duitse autofabrikant Audi op een dakframe-segment. Het hybride geproduceerde component draagt de onderliggende belastingen dankzij de koolstofvezelversterking. Additieve productie maakt een vrijwel onbeperkte geometrische ontwerpvrijheid mogelijk.
3D-printen van elektronica door combinatie met 5-assige machines
5-assige freesmachines zijn gangbare machines voor CNC-bewerking van complexe geometrieën vanuit verschillende bewerkingsrichtingen. Optomec uit Albuquerque, VS, combineert de vrijheidsgraden van een 5-assige machine met het aanbrengen van geleidende banen voor het 3D-printen van elektronische componenten.
Weerstanden, condensatoren, antennes, sensoren en dunnefilmtransistoren kunnen zo rechtstreeks op een 3D-oppervlak worden geproduceerd met behulp van additieve productie. De procesparameters maken het mogelijk om verschillende elektrische eigenschappen, zoals weerstand, in te stellen. Het 3D-printen van elektronische componenten is al toegepast op kunststof, metaal en keramiek.
In het proces worden de metalen eerst in zeer kleine deeltjes verneveld in een verstuiver. De verwarmde deeltjes worden vervolgens via een gasstraal op het oppervlak aangebracht. Resoluties tot 10 µm zijn mogelijk.
De voordelen van hybride productie, in termen van verbeterde productiviteit door het eenvoudig vervaardigen van complexe geometrieën met behoud van hoge efficiëntie- en nauwkeurigheidsniveaus binnen relatief korte productietijden, maken het mogelijk om het potentieel van de bestaande maakindustrie verder te ontwikkelen in nog onontgonnen gebieden. Het beheer van meerdere processen en de beschikbaarheid van de afzonderlijke technologieën in de vereiste afmetingen (grootte, aantallen, kwaliteit) vormen echter een uitdaging bij hybride processen.
Hoewel wij bij InstaWerk gespecialiseerd zijn in CNC-bewerking en hier kunnen uitblinken met een snelle directe offerte voor CNC-bewerking, zullen wij hybride technologieën nauwlettend blijven volgen om onze klanten een grotere meerwaarde te kunnen bieden. Momenteel is InstaWerk al in staat om CNC-bewerking van componenten te combineren met uitgebreide warmtebehandelingen en oppervlaktebewerkingen.
Bronnen over hybride productie
- Liang, H.; Hong, H.; Svoboda, J.; A combined 3d linear and circular interpolation technique for multi-axis CNC machining. Journal of Manufacturing Science and Engineering-Transactions of the ASME, 2002.
- Duflou, J.R.: Laser assisted incremental forming formability and accuracy improvement. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2007.
- Heisel, U.: Ultrasonic deep hole drilling in electrolytic copper ecu 57. Cirp Annals – Manufacturing Technology, 2008.
- Zhang, H.; Xu, J.W.; Wang, J.M.: Investigation of a novel hybrid process of laser drilling assisted with jet electrochemical machining. Optics and Lasers in Engineering, 2009.
- CIKONI GmbH: Additief geproduceerd dakframe met lokale koolstofvezelversterking, 2018.
Why choose InstaWerk?
