Verlaagt laserpolijsten drempel AM?

Lion Lasers verbetert het oppervlak van de 3D geprinte tooling van Trivium Packaging tot Ra 2µm. In minuten en niet in uren.

Lion Lasers slaagt erin om met laserlicht de oppervlakteruwheid van 3D geprinte metalen onderdelen in tien minuten tijd te verbeteren tot Ra-waarden van 2 tot 3 micron. Voor Trivium Packaging in Deventer betekent dit een belangrijke stap naar de inzet van 3D metaalprinten voor de productie van gereedschappen zoals stempels. Het handmatig polijsten wat nu nodig is, kost namelijk kostbare doorlooptijd.

Vijf jaar geleden is Trivium Packaging in Deventer voor het eerst in aanraking gekomen met 3D metaalprinten. De Nederlandse producent van metalen drank- en voedselverpakkingen, onderdeel van een wereldwijd concern, is toen in de Technicampus in Deventer de mogelijkheden van 3D metaalprinten gaan verkennen. “We zagen het potentieel van de nieuwe techniek en wilden op de trein stappen nu deze nog langzaam reed en niet eerst jaren afwachten”, zegt Paul Klopper, Technical Specialist Tooling & Maintenance. In het project, geleid door Hogeschool Windesheim, heeft de verpakkingsspecialist veel ervaring met de technologie opgedaan. Sinds anderhalf jaar beheerst Trivium Packaging de ontwerpregels zodanig dat 90 procent van de buildjobs direct goed gaat. “We hebben de randvoorwaarden helder gekregen”, zegt Paul Klopper.

De vestiging in Deventer is binnen de groep aangewezen als het centrum voor additive manufacturing van gereedschappen. Daarnaast zet Trivium Packaging de AM-technologie in voor het 3D printen van obsolete parts. Paul Klopper: “We hebben veel oude machines waarvan sommige gietdelen niet meer verkrijgbaar zijn. Of ze zijn prijzig. Door deze zelf te 3D printen, zijn we niet alleen goedkoper uit, maar verkorten we ook de doorlooptijd sterk.” Dat geldt ook voor het printen van gereedschappen voor het dieptrekken van de verpakkingen. Gefreesde gereedschappen hebben al gauw een doorlooptijd van twaalf weken. “Veel gereedschappen hebben we daarom op voorraad, maar bij een breakdown is stilstand van twaalf weken geen optie”, zegt de toolingspecialist. 3D printen levert een doorlooptijd van één tot drie dagen op. Aanzienlijk korter, maar met name het nabewerken van de gereedschappen kost nog veel extra tijd. De oppervlakteruwheid van de gereedschappen zoals deze uit de printer komen, is absoluut onvoldoende. Een Ra-waarde van 12 micron terugbrengen naar Ra 0,8 is echter arbeidsintensief. Via Hogeschool Windesheim is daarom contact gezocht met Lion Lasers, dat in Nederland industriële lasersystemen ontwikkelt.

Vaak gaat het om lasersystemen die een bepaalde structuur in het oppervlak moeten aanbrengen, legt Edwin Kroon, laser expert bij Lion Lasers uit. De vraag die Trivium Packaging in eerste instantie aan hem voorlegde, was wat het laserpolijsten met de hardheid en andere eigenschappen van de metalen gereedschappen doet. Na een aantal testen met verschillende parameters heeft hij de oppervlakteruwheid tot Ra 2 micron kunnen verbeteren, terwijl de hardheid slechts marginaal hoger ligt. “En we kunnen qua ruwheid nog verder naar beneden”, zegt hij. Edwin Kroon heeft voor het experiment een gepulste fiberlaser met een golflengte van 1064 nanometer gebruikt met een vermogen van 60W. Hij laat de laserstraal met een snelheid tussen 1000 en 4000 mm per seconde over het oppervlak gaan, eerst van links naar rechts en dan nog een keer kruislings. Doordat hij de laserstraal nauwkeurig kan sturen, kan hij precies de toppen die je ziet als je het oppervlak onder een elektronenmicroscoop bekijkt, smelten en weer laten stollen zodat de dalen opgevuld worden. Op die manier verbetert de oppervlakteruwheid aanzienlijk. Tegelijk verandert de hardheid amper omdat hij niet meer energie in het werkstuk brengt dan strikt nodig is. “De hardheid ging van 50 HV naar 51, het wordt zeker niet bros”, zegt Edwin Kroon. Hiermee komt de hardheid van de materialen, zowel 316L als gereedschapstaal, in de buurt van de originele geharde gereedschappen. “Ook de maatvoering is ongewijzigd, denk aan 0,01 tot 0,02 mm”, voegt Paul Klopper er nog aan toe. De laser heeft dus geen nadelige invloed op het materiaal tot nog toe.

Voor Trivium Packaging is dit een belangrijk resultaat, ofschoon de verpakkingsproducent nog niet definitief groen licht heeft gegeven voor het laserpolijsten. Daarvoor moeten eerst de standtijdtesten zijn afgerond. Ook is de ruwheid nog onvoldoende. Paul Klopper: “Lion Lasers kan de Ra waarde van complexe vormdelen en radii snel verbeteren tot 2 micron. Binnen tien minuten worden die waarden bereikt. Daarna geven we met handmatig polijsten de finishing touch aan de gereedschappen. Dat kost een uur.” Het totale proces - laserpolijsten en handmatig napolijsten - is aanzienlijk korter dan de tot nog toe gebruikte methode, waarin gedraaid, gefreesd, geslepen en gepolijst wordt. Paul Klopper denkt dat er bovendien nog tijd te winnen valt door het laserpolijsten direct vanuit het CAD-model aan te sturen. En Edwin Kroon ziet nog kansen om de Ra-waarden verder naar beneden te brengen. Hierdoor wordt handmatig - en dus kostbaar - nabewerken van de onderdelen vermeden, waardoor bedrijven wellicht eerder in een 3D metaalprinter zullen investeren. Boven- dien zijn er mogelijkheden om met de laser alleen die delen van het product te polijsten waar een lage Ra-waarde geëist wordt. “Als je vanuit het 3D CAD-model start, kun je alleen die delen polijsten waar het oppervlak glad moet zijn.”

Paul Klopper hoopt dat het laserpolijsten snel wordt doorontwikkeld. Trivium Packaging wil namelijk meer gaan 3D printen. Sinds begin dit jaar heeft het bedrijf één FTE vrijgemaakt voor alle 3D printwerk. Deventer print nu ook voor andere vestigingen in Europa. “Daarnaast dragen we de kennis verder uit in het bedrijf.” Paul Klopper twijfelt geen moment aan de effectiviteit van de technologie. “Als je naar het kostenplaatje van de onderdelen kijkt en de kortere doorlooptijd, dan verdient de investering in deze ene FTE zich binnen een jaar terug.”

Lion Lasers [www.lionlasers.com] Trivium Packaging [www.triviumpackaging.com]