Grote ontwerpvrijheid voor complexe gereedschappen met AM

Tot voor kort waren precisie en additive manufacturing niet te combineren. Toch wagen de eerste fabrikanten van precisiegereedschap zich aan het gebruik van de technologie. Met positieve resultaten op het vlak van productieprocedé, precisie en performantie van de producten.

Een hoge performantie, lange levensduur en snelle gereedschapswissels zijn de voornaamste vereisten voor moderne gereedschapsconcepten. Een ontwikkeling van Duits gereedschappenfabrikant Mapal speelt hierop in met een boorbit met goede spaanvorming en betrouwbare spaanafvoer dankzij de geometrie. De bit wordt vastgehouden in een stabiele prismavormige verbinding. De hoge precisie maakt sterke snijspecificaties en een dito boorkwaliteit mogelijk. Deze unieke combinatie kon worden gerealiseerd met behulp van additive manufacturing van metaalpoeder dat met een laser wordt versmolten. Zo leidt het gebruik van AM met metaalpoeder tot een beter ontwerp en efficiëntere productie van gereedschappen.

Koele slanke boorbit

Gekoelde smalle boorbitTot voor kort was de boorbit verkrijgbaar in  diameters van 13 mm en meer. Een  reden hiervoor was de toevoer van koelmiddel in de schacht van het gereedschap. Hoe smaller de schacht, des te groter het omgekeerde effect op de performantie van het gereedschap. Een centrale koelmiddeltoevoer verzwakt de kern van de boor en maakt deze onstabiel. Bovendien moeten de koelingskanaaltjes smaller zijn, wat de toevloeiing naar de kop toe vermindert. Het nieuwe ontwerp voor het stalen gereedschapslichaam met spiraalvormige kanalen wordt gewoonlijk niet gebruikt voor kleine diameters. Dit ontwerp laat nu toe zelfs volle boren te produceren, met een diameter van 8 tot 12 mm.

Belangrijke kenmerken van het productieproces zijn de mogelijkheid tot onbemand werken en een reductie in gereedschapwisseltijden. Het grootste voordeel is echter te vinden in de geheel nieuwe geometrie, die de performantie van de gereedschappen verhoogt.

Productieproces

De nieuwe serie boorbits zijn hybride stukken: de schacht, het  eenvoudigere gedeelte van het gereedschap, is op de traditionele manier vervaardigd, terwijl de boorkop, het complexere deel, werd daarna via lasersmelten met additieve technieken hierop opgebouwd. Deze benadering maakt de productie economisch gezien aanzienlijk aantrekkelijker. Onbemande 24/7-productie is bovendien mogelijk.

Voor de productie van de bits worden twee Laser Cusing-systemen en een centraal recipiënt voor de materiaaltoevoer ingezet. Hiermee kunnen 100 à 121 boorbits per build worden vervaardigd. De opbouwsnelheid van de 400 W-lasers ligt tussen 6 en 18 cm³/u. De laser verhit het poeder tot 60-70 °C om te kunnen samensmelten. Het benodigde poeder voor productie wordt berekend op basis van het effectieve constructiegewicht  plus 10 procent. Het scrapmateriaal is makkelijk te recycleren.

Interne spanning in de stukken is kritisch voor draaiende gereedschapsoplossingen. Spanning moet uit traditioneel vervaardigde stukken verwijderd worden na bewerking, omwille van de immense krachten waaraan ze blootgesteld worden. Bij 'Laser Cusing' (een samentrekking van de naam 'Concept Laser' en 'fusing') kan het ontwerp van de boorbit door het ontwerp continu gekoeld worden, wat leidt tot een stabielere productie.

Koelingsconcept

De met behulp van AM gefabriceerde boorbit heeft een koelingsconcept met spiraalvormige geleiders, wat de koelingsprestaties verbeteren. Ook de toevoer van koelmiddel kon met 100 procent worden verbeterd in vergelijking met het voorgaande ontwerp en de stabiliteit van de kern werd verhoogd. De koeling kon verder worden verbeterd door de nieuwe profielen van de koelstofgeleiders die afwijken van de traditionele cirkelvorm met een licht driehoekige vorm. Dit optimaliseert het geometrisch inertiemoment en de toevloeisnelheid. Koelsystemen zoals dit kunnen niet met klassieke methoden worden geproduceerd.

Dankzij het nieuwe koelingsconcept is het mogelijk om met beter gekoelde boorbits langere booractiviteiten te ondernemen en worden boorbits met kleinere boordiameters mogelijk.

Ruimers

Met de technologie kon de fabrikant het ontwerp van nog andere producten aanpassen, zoals externe ruimers. Hoe lichter deze immers zijn, hoe beter ze werken, zeker bij de bewerking van schachten met een kleine diameter. Traditioneel geproduceerde 8,5 mm stalen externe ruimers wegen al 400 g.  Dit gewicht en de hieruit resulterende traagheid van de massa beperken de maximale snelheid. AM laat de bouw van lichtgewicht ruimers toe met de mogelijkheid tot geïntegreerd uitbalanceren. Hiermee is een haast perfecte concentriciteit van de draaiende stukken mogelijk, terwijl het gewicht tot 172 g kon worden gereduceerd. De gewichtsbesparing resulteert in een betere performantie, omdat de machine sneller is, de precisie groter.

Toekomst

De inzet van strategieën met AM kan dus competitiviteit, economische voordelen en toegevoegde waarde van een productieproces verhogen. In de toekomst kunnen de geproduceerde onderdelen slimmer, complexer en performanter worden. Bovendien is er een grotere ontwerpvrijheid, wat zal resulteren in nieuwe geometrieën met nieuwe kenmerken. Met AM zijn nieuwe productoplossingen mogelijk waarvan geen sprake kan zijn met de traditionele methoden.

(Foto's ETMM)