Reconfigureerbare mal 22 c Artikel Bij het maken van een betonnen Blob met conventionele productiemetho den zoals houten en stalen gietbekistingen komt de technische uitvoering en maakbaarheid in het gedrang. De conventionele methoden schieten te kort vanwege hun beperkte vormvrijheid, hoge kosten en lange levertijden; zeker als het gaat om driedimensionale dubbelgekromde vormen. De op lossing kan worden gevonden door matrijzen aanpasbaar te maken. In het verleden zijn daarom al diverse concepten bedacht voor zulke recon figureerbare matrijzen. De potentie van een dergelijk apparaat is immers enorm: met ??n reconfigureerbare matrijs kunnen meerdere verschillende productvormen gemaakt worden. Dit komt de effici?ntie en flexibiliteit van het fabricageproces ten goede. Tevens wordt de time-to-market, de peri ode van idee tot eindproduct, bij de ontwikkeling van nieuwe producten aanzienlijk verkleind. cReconfigureerbare mal Een trend in de moderne architectuur is de opkomst van de zogenaamde Blobs (Binary Large Objects), objecten waarvan geen enkele doorsnede identiek is. Op de tekentafel ? of beter gezegd in een virtual reality omgeving ? zien dergelijke gebouwen en vormen er spectaculair uit, maar in de praktijk zijn ze vaak moeilijk te verwezenlijken omdat matrijzen voor het vervormen van plaatmateriaal erg duur zijn en er voor zulke complexe gebouwen simpelweg teveel verschillende matrijzen nodig zouden zijn. Sebastiaan Boers toont aan dat het anders kan en ontwikkelde een flexibele matrijs. cDr. ir. Sebastiaan Boers Sebastiaan Boers heeft tijdens zijn promotieonderzoek aan de TU/e een reconfigureerbare mal ontwikkeld: de FlexiMould. Met zijn eigen bedrijf, Opti mal Forming Solutions, wil hij nu inspe len op de groeiende trend van custom- made prefab prducten in de bouw sector. Info: www.optimalforming.com. In de praktijk zijn Blobs vaak moeilijk te verwezenlij- ken omdat matrijzen voor het vervormen van plaat- materiaal erg duur zijn en er teveel verschillende matrijzen nodig zouden zijn. Een flexibele matrijs moet hier uitkomst bieden. Reconfigureerbare mal 23 een maximale slag maken van 10 mm. Tests wezen uit dat een druk van maar liefst 5000 bar op het pennenoppervlak uitgeoefend kon worden voordat de pennen gingen schuiven. Om 0.5 mm dikke metalen plaatjes te deformeren werd de prototypema trijs gebruikt in een `rubberomvorm opstelling', waar rubber op een verge lijkbare manier als hydroomvormen het materiaal deformeert. Zodoende hoefde maar ??n matrijshelft gebouwd te worden wat de kosten aanzienlijk drukte. Een nadeel van het eerste prototype was echter dat de pennen niet Commercieel aantrekkelijk Het idee van een reconfigureerbare matrijs zelf is niet nieuw. Er zijn zelfs patenten te vinden van meer dan 80 jaar oud, vari?rend van enorme appa raten voor de vliegtuigindustrie tot en met gereedschap voor het vervaardi gen van steunzolen. Ondanks de diverse pogingen die al ondernomen zijn, is men er tot op heden niet in geslaagd een commercieel aantrekkelijk con cept te ontwikkelen. Vaak waren de oplossingen die bedacht werden om het apparaat werkend te krijgen duur en ingewikkeld. Nu lijkt een (ook kos tentechnisch) interessante oplossing binnen handbereik te liggen. In de Mechanics of Materials groep van de Faculteit Werktuigbouwkunde van de TU/e is in 2002 het idee ontstaan om een hoge resolutie reconfigu reerbare matrijs te ontwikkelen, die tevens dienst kan doen als research tool voor complex materiaalgedrag. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van een nieuwe apparaat: de FlexiMould. Dit werd door de auteur gebruikt tij dens het onderzoek `Optimum Forming Strategies with a 3D Reconfigura- ble Die' waarop hij op 18 december jongstleden promoveerde. U kent misschien het design speelgoed (pin art) waar je je hand of gezicht in een vlak met pennen kan drukken die dan de vorm overnemen. De tech niek van de FlexiMould lijkt hierop. Het berust op het principe dat de kopjes van een groot aantal pennen een oppervlak vormen dat gebruikt kan wor den als matrijs of mal. Om er voor te zorgen dat er geen afdrukken van de afzonderlijke pennen te zien zijn in het eindproduct ligt tussen de pennen en het eindproduct een laag rubber. Prototypes In 2003 is een nieuw concept bedacht waarbij de pennen individueel kun nen worden ingesteld. Deze pennen worden vervolgens, wanneer ze de juiste posities hebben bereikt, op hun plaats gehouden door het geheel op een slimme manier van de zijkant aan te drukken. Dit voorkomt dat de pin nen tijdens het omvormen gaan schuiven. Om dit nieuwe concept te vali deren is vervolgens een eenvoudig prototype gebouwd. Dit bestond uit 507 wolfraam pennen met elk een diameter van 1 mm. Samen vormen deze pennen een oppervlak van ongeveer 20 x 30 mm. De pennen konden Betonnen element Met de techniek kunnen onder andere dubbelgekromde betonnen element gevormd worden, maar hoe werkt dit? Eerst wordt het CAD ontwerp uit de computer rechtsreeks gebruikt om de FlexiMould in te stellen. Dit gebeurt binnen enkele minuten. Vervolgens wordt een kunststof schaal (thermoplast) over het oppervlak heen gevormd. Hierdoor kan de volledige vormvrijheid in drie dimensies worden benut. De dikte van de schaal zorgt er tevens voor dat de afdrukken van de pennen niet te zien zijn in het eindproduct. Het oppervlak van de FlexiMould kan tevens gebruikt worden om een stalen bewapening te vormen met de gewenste kromming die tussen de schalen wordt aangebracht. Vervolgens worden de schalen en de bewapening ter ondersteuning in een kofferconstructie gepositioneerd om de schalen te ondersteunen en daarmee uitbuiging te voorkomen. Dan wordt het beton tussen de schalen gegoten en nadat het beton is uitgehard worden de schalen verwijderd. De schalen zelf zijn geschikt voor hergebruik. 2x Kunststofschaal, thermoplast CAD geometrie FlexiMould Koffer ter ondersteuning Beton en bewapening Eindproduct Het eerste prototype van de FlexiMould waarmee het mogelijk was om simpele geometrie?n te vormen in plaatstaal. De techniek van de flexibele matrijs lijkt op het principe van het Pin Art design speelgoed. Reconfigureerbare mal 24 c Artikel derzoek naar rekpadafhankelijk materiaalgedrag. Commercieel kan de ma trijs concurreren met huidige (rapid-prototyping) fabricageprocessen. De FlexiMould techniek biedt een unieke hightech oplossing voor de produc tie van unieke custom-made producten, vooral als het gaat om kleine se ries en enkelstuksproducties. Toepassingen De FlexiMould technologie heeft verschillende toepassingsmogelijkheden. Deze is bijvoorbeeld geschikt voor het maken van prototypes in de auto industrie of bij de vervaardiging van pati?ntspecifieke protheses in de me dische sector. De auteur ziet ook diverse toepassingsmogelijkheden in de bouw, bijvoorbeeld voor de prefab fabricage van complex gevormde be tonnen schaalelementen, custom-made trespa panelen en dubbelgekromd glas. Dit is niet alleen interessant om Blobs mee te maken, maar ook voor minder trendgevoelige bouwelementen zoals brugpijlers, balkons, gevel elementen, tunnelsegmenten, overspanningen en koepels. Het huidige prototype van de FlexiMould heeft al antwoord gegeven op veel vragen en ook is de technische haalbaarheid aangetoond. Er is echter nog een hoop werk aan de winkel. Het huidige prototype zal nog opge schaald moeten worden naar re?le maten voor de bouwsector. Om een volledig werkend apparaat te bouwen dat in staat is om prefab elementen te fabriceren van ??n bij ??n meter is naar verwachting een investering van een paar ton nodig. De auteur is momenteel al in gesprek met een aantal potenti?le investeerders. Naar schatting heeft hij minimaal een jaar nodig heeft voordat hij de eerste prefab betonnen producten kan maken met de FlexiMould technologie. b automatisch ingesteld konden worden en dat de klemconstructie nog met de hand moest worden bediend. Vanuit de industrie was er op dat moment al enige belangstelling, maar toen de prestaties van het eerste prototype alle verwachtingen overtroffen is er een octrooi aangevraagd. Het ging daarbij niet om het principe van de flexibele matrijs maar om de ingenieuze manier waarop de pennen indivi dueel kunnen worden ingesteld en vastgeklemd. Maar hoe kun je een paar duizend pennen automatisch, snel en nauwkeurig instellen vanuit een computermodel? En hoe houd je de kosten beperkt? Met de bouw van een tweede prototype werden ook de twijfels hierover weggenomen. Dit tweede prototype is namelijk met succes gebruikt om automatisch en snel, stapsgewijs verschillende vormen aan te brengen in metalen platen. Een groot voordeel van het tweede prototype ten opzichte van het eerste is de automatische aansturing. Verder worden de pennen automatisch met hy draulische vijzels op hun plaats gehouden wanneer zij de juiste positie heb ben bereikt. Vernieuwend De nieuw ontwikkelde matrijs is vernieuwend om verschillende redenen. De matrijs kan als (spuit)gietmal worden gebruikt voor rubberen, betonnen en kunststof producten of voor hybride producten gemaakt uit kunststof en metaal. De mal kent een ongekende hoge vormnauwkeurigheid die niet eerder gerealiseerd kon worden met andere reconfigureerbare matrijzen. De aansturing van de matrijs is volledig geautomatiseerd waardoor de ma trijs de gewenste geometrie rechtstreeks vanuit een CAD programma kan aannemen. Verder kan de matrijs gebruikt worden als omvormgereed schap voor metalen platen in een wetenschappelijke context voor het on Links: de digitale geometrie zoals die vanuit een CAD programma verkregen kan worden. Rechts: het werkelijke matrijsoppervlak na 5 minuten insteltijd. De matrix bestaat uit ongeveer 2000 pennen met een diameter van 1 mm die binnen een werkoppervlak van 40 x 50 x 25 mm? ingesteld kunnen worden. Het volledig operationele tweede prototype van de FlexiMould voor het omvormen van ronde stalen platen met een maximale diameter van 100 mm en een dikte van 1 mm. Het tweede prototype van de FlexiMould bevat 2000 los aanstuurbare pennen binnen een oppervlak van 40 x 50 mm.