Het reduceren van doorlooptijd en verhogen van flexibiliteit bij hoge precisie productie - geïntegreerd laserharden en accuraat nabewerken van near net shapes

De huidige evolutie richting maatwerk voor de massa resulteert meer en meer in kleinere productieaantallen en zelfs unieke stukken of prototypes. Dit vereist een andere aanpak in vergelijking met klassieke hoge volumeproductie. Om in te spelen op de toename van het aantal verschillende producten en de steeds korter wordende time-to-market dient de flexibiliteit en doorlooptijd van de huidige productieketen te verbeteren.

Een klassiek productieproces voor hoge kwalitei componenten bestaat typisch uit een initiële verspanende bewerking (draaien en/of frezen) startende van bulkmateriaal (een blok of cilinder). In een volgende stap wordt het werkstuk uitgeklemd, getransporteerd naar de harderij om een warmtebehandeling te ondergaan met als doel om de gewenste materiaaleigenschappen te bekomen. Tijdens deze warmtebehandeling worden vervormingen geïntroduceerd in het werkstuk, waardoor een harde nabewerking noodzakelijk is. Dit houdt in dat het stuk opnieuw dient getransporteerd te worden, om vervolgens opnieuw in te klemmen en uit te lijnen met bijhorend verlies aan tijd en nauwkeurigheid. In deze doctoraatscriptie worden 2 aanpassingen aan deze klassieke productieketen voorgesteld en onderzocht.

Een eerste innovatie die onderzocht is, is het combineren van de verspanende bewerking en de warmtebehandeling alsook een mogelijke nabewerking in één enkele machine en opspanning. Hierdoor dient het stuk niet meermaals getransporteerd, ingeklemd en uitgelijnd te worden, wat de doorlooptijd en nauwkeurigheid van het product ten goede komt.

Binnen deze scriptie is dit gerealiseerd door een laser te integreren in een bewerkingscentrum, waardoor zowel de bewerkingsoperaties als de warmtebehandeling op één en dezelfde machine kunnen plaatsvinden. Gedurende dit onderzoek zijn er 2 verschillende opstellingen ontwikkeld.

Een eerste opstelling gebruikt een 500 W Nd:Yag laser als warmtebron. Een optisch pad, met een vaste laserspot, is ontworpen met behulp van opticaberekeningen en is geoptimaliseerd met behulp van optische simulaties. Een mechanisch ontwerp is opgesteld en vervolgens gerealiseerd zodat de laser als een gereedschap kan gebruikt worden in een 5-assige freesmachine. Een spotgrootte van minimaal 1.2 mm diameter beweegt over het oppervlak van het werkstuk met behulp van de machine assen. Het laserhardingsproces is onderzocht op C45 staal met behulp van een uitgebreid Design Of Experiment, waarbij 3 verschillende voedingssnelheden en 4 verschillende spotgroottes gecombineerd zijn. Hoge hardheden tot boven 750 HV en hardingsdieptes van ongeveer 0.2 mm zijn bereikt. Dankzij de hoge afkoelsnelheden die bereikt worden tijdens het laserhardingsproces zijn de hardheden die behaald worden hoger dan mogelijk met behulp van klassieke hardingsmethodes. Een tweede DOE is uitgevoerd om de invloed van 2 laserpaden naast elkaar te onderzoeken in geval een groter gebied gehard dient te worden. Uit deze experimenten is gebleken dat het onmogelijk is om een uniforme hardheid over de dwarsdoorsnede van meerdere laserpaden te bekomen. Dit omdat een tweede pad, steeds de geharde zone van het eerste pad negatief beïnvloed, welke afstand of overlap er ook gekozen wordt tussen deze twee paden. Dit effect werd geïdentificeerd als het “softening-effect”. Bij wijze van demonstratie van de technologie werd een matrijscomponent, gevoelig aan slijtage, gehard met behulp van de laser, dit om de industriële relevantie van de technologie aan te tonen.

Om een uniforme hardheid over een groter oppervlak te bekomen is een nieuwe setup ontwikkeld op basis van een multi-assig draai-frees centrum. In plaats van te werken met een vaste spot zoals bij de eerste opstelling, wordt hier gebruik gemaakt van een hele kleine spot (0.8 mm diameter) die aan hoge snelheid over het oppervlakte gescand wordt met behulp van een roterende spiegel, terwijl de machine traag beweegt volgens de voedingsrichting over het oppervlak. Een optisch pad en mechanische behuizing ontwikkeld voor deze opstelling wordt besproken. Er werd een controlesysteem, die de laserbron (500W diodelaser), de spiegelactuator en de bijkomende apparatuur aanstuurt op basis van input komende van de operator, de pyrometer temperatuur monitoring en de actuele machine positie, ontwikkeld. Een bijkomende software tool welke het mogelijk maakt om de warmtebehandeling te programmeren voor complexe componenten is ontwikkeld en wordt beschreven aan de hand van een vereenvoudigd voorbeeld. Het proces van het geïntegreerd scannend laserharden is onderzocht op zowel een laag gelegeerd staal (C45) als op een hoog gelegeerd staal (40CrMnMo7). De monsters vertoonden niet langer “softening” effecten, waardoor een uniforme hardheid over de gehele scanbreedte bekomen werd. De robuustheid van zowel het proces als de controle is geverifieerd door middel van testen op vervuilde samples (olie, emulsie, spanen) en monsters met variabele scanbreedte te behandelen. Twee industriële cases zijn onderzocht en dienen als toonbeeld voor de inzetbaarheid van deze technologie.

Een tweede innovatie behandelt het bewerken van “near net shapes”, wat significant verschilt ten opzichte van het bewerken van bulk materiaal. Binnen dit onderzoek worden 2 types van het nabewerken van “near net shapes” in detail onderzocht: het produceren van tandwielen vertrekkende uit smeedstukken en het finiseren van grote assemblies opgebouwd uit 3D-geprinte componenten.

Het produceren van tandwielen volgens het klassieke productie procedé vereist ontwerpspecifieke gereedschappen. Zowel de levertermijn als de kost van deze specifieke gereedschappen is hoog, wat een groot probleem vormt voor kleine series en prototype productie. Drie alternatieve productieprocessen zijn onderzocht. De meest belovende, het 5-assig frezen met behulp van standaard vingerfrezen is verder ontwikkeld binnen dit onderzoek. Met behulp van deze technologie is het mogelijk om een tandwiel voor automotive toepassingen te produceren tot slijp-kwaliteit in minder dan 24 uur, daar waar de normale doorlooptijd voor dergelijke tandwielen eerder 13 weken is. Dit proces is uitermate geschikt om te combineren met het geïntegreerd laserharden, gezien de geïntroduceerde distorties ten gevolge van het laserharden heel beperkt zijn en een nabewerkingstap vermeden zou kunnen worden. Dit zou de totale doorlooptijd voor een hoogprecisie, gehard tandwiel, drastisch verkorten van enkele weken tot maximaal enkele dagen.

Het nabewerken van grote assemblies, opgebouwd met behulp van 3D-geprinten componenten, tot een hoge nauwkeurigheid, is sterk verschillend van het maken van een kleine component uit bulkmateriaal. Door zowel het materiaal, als de programmatie, als de machine en het bewerkingsproces grondig te onderzoeken en fouten hierbij te reduceren is de haalbare nauwkeurigheid gevoelig verbeterd. Dit werd binnen dit onderzoek geverifieerd op een demonstrator fixture voor de automobiel sector.