3D printenFabrisonic: additive manufacturing en frezen in één machine

Additive manufacturing en frezen in één machine. Dat is het concept waarmee het Amerikaanse Fabrisonic dit najaar naar EuroMold in Frankfurt komt. Ultrasoon worden dunne strips of metaalfolies vanaf een rol op elkaar gelast en direct daarna nauwkeurig nabewerkt met de frees. Juist het ultrasoon verbinden van de metalen maakt de technologie bijzonder omdat je hiermee onder het smeltpunt van de materialen blijft. Daarnaast is de machine geschikt voor de productie van onderdelen tot 1800 bij 1800 mm.

Nauwkeurigheid vergelijkbaar met standaard CNC-freesmachine

[dropcap type=”circle” color=#ffffff background=#f16236]M[/dropcap]ark Norfolk, ceo van Fabrisonic, benadrukt dat tot nog toe alleen machines voor onderzoeksdoelstellingen zijn verkocht. “We willen onze machines door en door hebben getest voordat we ze inzetten voor commerciële toepassingen.” Toch is die inzet in de commerciële wereld niet meer zo ver weg. Want Fabrisonic bouwt de technologie op drie verschillende platforms: een voor onderzoek (SonicLayer R200); een voor mid-size productie (SonicLayer 4000 Mid-size) en een derde platform voor de echte productie, de SonicLayer 7200 Production. Deze beschikt over 9 kW aan vermogen, kan tot bijna 2500 kilogram beladen worden en heeft in de 3-assige freesuitvoering een bereik van 1800 bij 1800 bij 920 mm.

De werking
Elk systeem bestaat uit een 3-assige verticale CNC-freesmachine, waarin een ultrasoon lasmodule en een toevoersysteem voor metalen strips worden geïntegreerd. De metalen strips worden ultrasoon op elkaar gelast bovenop een basisplaat, waarop het werkstuk wordt opgebouwd. Eerst worden voldoende strips naast elkaar geplaatst, dan begint de verticale opbouw van het werkstuk. Door de strips op elkaar te stapelen zoals je ook een bakstenenmuur metselt, voorkom je spleten. Testen tonen aan dat er geen enkele holle ruimte tussen de strips in ontstaat. Na de opbouw van een aantal lagen wordt het onderdeel gefreesd en krijg je direct de nauwkeurigheid zoals je die ook van een CNC-freesmachine gewend bent. Het CNC-programma voor de freesbewerking wordt net als het programma voor de ultrasoon lasunit automatisch gegenereerd vanuit RpCAM.

De voordelen
Een belangrijk voordeel van de Fabrisonic technologie is te danken aan de inzet van ultrasoonlassen. Mark Norfolk: “Hierdoor verbinden wij de metalen strips terwijl ze in een vaste vorm blijven. Tijdens het proces smelt geen materiaal, we blijven gemiddeld onder de helft van de smelttemperatuur.” Bijvoorbeeld bij de opbouw van een aluminium deel blijft tijdens het ultrasoonlassen de temperatuur onder de 260 graden C (het smeltpunt van aluminium ligt op 660,3 graden C). Het materiaal verandert dus niet en vervormt ook niet. Mark Norfolk: “Daardoor tasten we niet de mechanische eigenschappen van het materiaal aan. Geharde legeringen zoals de luchtvaartindustrie gebruikt, worden niet lang genoeg aan een hoge temperatuur blootgesteld om tot een verlies van mechanische eigenschappen te leiden.” Het tweede voordeel is dat je zo ook verschillende materialen met elkaar kunt verbinden. Bijvoorbeeld een aluminium- met koperlegering; of een nikellegering met titanium. Het doet er niet toe als de materialen verschillende smelttemperaturen kennen. “Wij zorgen voor een vaste staat verbinding met superieure mechanische eigenschappen.” Door de geringe inbreng van warmte ontstaan er nauwelijks tot heel geringe spanningen in het materiaal, zoals bij andere processen. Bij zogenaamde fusionprocessen waarbij materialen eerst worden gesmolten om ze aan elkaar te verbinden en daarna afkoelen, ontstaan juist bij het afkoelen interne spanningen.

Verticale freesmachine
Fabrisonic baseert de SonicLayer machines op verticale freesmachines. Het frezen gebeurt in dezelfde opspanning als het opbouwen. Het freesproces gebruikt wel alcohol als koelmedium. Het werkstuk moet later verder ultrasoon gelast moet worden, wat niet kan als je er de gebruikelijke koelsmeermiddelen mee verspaant. “De alcohol zorgt tijdens de verspaning voor voldoende koeling en verdampt heel snel, waardoor we verontreinigingen voorkomen die je wel krijgt met watergebaseerde koelsmeeremulsies.” Door in dezelfde opspanning te frezen en omdat de temperaturen tijdens de productie beperkt blijven, kan Fabrisonic de machine inzetten voor het maken van dichte metalen behuizingen waarin bijvoorbeeld een sensor – of een andere elektronische component – al is geïntegreerd. Deze wordt dan tijdens de laagopbouw geplaatst waarna de box dicht wordt gemaakt met de volgende metaalstrips. De huidige machines zoals Fabrisonic deze bouwt, zijn 3-assige freesmachines. De productieversie, de SonicLayer 7200, beschikt echter over een 5-assige ultrasoon laskop, bedoeld om reparatiewerk op de machine te kunnen doen. “In principe kunnen we ook een 5-assige freescapaciteit in de machine bouwen. Als de markt daarom vraagt, zijn er geen technische bezwaren dit niet te doen. Tot nog toe hebben we de 5-assige freesmogelijkheid niet nodig gehad”, legt Mark Norfolk uit.

Ultrasoon lasproces houdt temperatuur ver beneden het smeltpunt van het materiaal

Standaard componenten
Fabrisonic gebruikt voor de bouw van de machines componenten die standaard in de markt beschikbaar zijn. Zo worden voor de beide productiemachines servomotoren van Siemens gebruikt. Deze 4000 en 7200 modellen draaien op Sinumerik 840D. Het CAM-pakket dat Fabrisonic meelevert met de machines is gebaseerd op RpCAM, een gewoon verkrijgbaar CAM-pakket. “We voegen hier enkele duizenden zelf geschreven programmaregels aan toe. Deze programmaregels zorgen er eigenlijk voor dat de software net andersom denkt dan gebruikelijk”, verduidelijkt Mark Norfolk. Concreet: een normaal programma analyseert een blok materiaal dat met een 1 inch frees bewerkt moet worden om te bepalen hoe de freesbanen het beste kunnen lopen. In de CAM-software die bij deze machine hoort, geef je een -1 in waarna de software automatisch de baan genereert om met de ultrasoonlaskop een baan van 1 inch te maken.

Nauwkeurigheid
De nauwkeurigheid van deze hybridemachine is wat je van een freesmachine mag verwachten: rond de 13 µm oppervlaktenauwkeurigheid. De werkstukken hebben uiteindelijk dezelfde materiaaldichtheid als werkstukken gefreesd uit vol materiaal.

Meer informatie: Fabrisonic 

[accordion]
[acc_item title=”Fabrisonic op EuroMold 2013″]

Fabrisonic heeft de machines tot nog toe alleen verkocht voor onderzoeksdoeleinden. Op heel beperkte schaal doet het Amerikaanse bedrijf zelf enkele producten maken. De voornaamste markten waar men zich op richt, zijn de aerospace, defensie markt en alle systemen voor thermisch management. In december toont Fabrisonic de machine voor de eerste keer in Europa. Dat gebeurt op EuroMold in Frankfurt. Mark Norfolk wil de beursdeelname in eerste instantie aangrijpen om de technologie in Europa te introduceren, omdat deze tot nog toe hier onbekend is. Recent heeft het bedrijf een overeenkomst gesloten met het Israëlische Wide Tech Integrated Systems, dat tot nog toe het enige verkoopkanaal buiten de VS is.

[/acc_item]
[acc_item title=”Concept nu vermarkten”]

Het concept voor deze additive manufacturing machine is eind jaren ‘90 ontwikkeld door Dawn White, die de techniek gepatenteerd heeft als Ultrasonic Consolidation. Met haar bedrijf Solidica heeft zij onder de merknaam Formation de machine vercommercialiseerd. Deze machines hadden echter slechts de beschikking over 1 kW vermogen voor het ultrasoonlassen. De meeste materialen die in die tijd werden gebruikt, waren zachtere aluminiumsoorten zoals de 3003 en 1100 serie. De industrie vraag echter sterkere materialen, niet alleen in de aluminiumsoorten maar ook in koper en staal. In 2008 heeft Solidica een samenwerking gesloten met EWI, een non profit instelling voor onderzoek op lasgebied. Gezamenlijk is een nieuwe, gepatenteerde ultrasoonlaskop ontwikkeld die geschikt is voor een vermogen tot 9 kW en heel hogere lassterkten. In 2011 hebben Solidica en EWI gezamenlijk Fabrisonic opgericht dat de nieuwe technologie doorontwikkelt en gaat vermarkten.

[/acc_item]

[acc_item title=”EuroMold”]EuroMold 2013 vindt van 3 tot en met 6 december plaats in Frankfurt. Kijk hier voor meer informatie [/acc_item]
[/accordion]