AFSTUDEERPROJECT
Martien Martens 2010403
Project:
Vervanging productdragers doorstootsinteroven
Opdrachtgever:
ITB precisietechniek in metaal en kunststof
Startdatum project:
30-08-2010
Einddatum project:
24-06-2011
Afstudeerstudent:
Martien Martens
Opleiding:
Werktuigbouwkunde deeltijd
Begeleidend docent:
Niek van Nuijs
Bedrijfsbegeleider:
Gerard van Rooij
Versie:
definitief
Samenvatting
ITB precisietechniek in metaal in kunststof” houdt zich bezig met het vervaardigen van metalen en kunststof onderdelen en de gereedschappen hiervoor. ITB heeft vestigingen in Boxtel (NL), Kladno (Tsjechie) en Queretaro (Mexico).
In Boxtel op afdeling Metal Injection Molding (MIM) is een doorstootsinteroven in gebruik. Hierin worden gespuitgiete producten (materiaal is een mengsel van metaal en kunststof) zodanig bewerkt dat volledig metalen producten gevormd worden. Deze producten worden op productdragers gelegd. De productdragers staan gestapeld op “doorstootplaten”, die door de oven getransporteerd worden. De productdragers zijn nu uitgevoerd in Molybdeen. Deze productdragers zijn aan slijtage onderhevig. Voortdurend gebruik op hoge temperatuur veroorzaakt vervormingen die op den duur niet meer te corrigeren zijn. Daarom moet naar vervanging gezocht worden.
Afstudeeropdracht betreft de vervanging van deze productdragers.
Concreet: onderzoek naar materiaalalternatieven, bepaling van uitvoering, daaruit prototypes laten maken, daar praktijktesten mee uitvoeren en analyseren, advies aan bedrijfsleiding uitbrengen. Doel is besparing op de investeringskosten ten op zichte van investeren in Molybdeen uitvoering. Na het verklaren van de MIM techniek en de beschrijving van doorstootsinteroven is volgens de methodische ontwerpmethode het programma van eisen vastgesteld. Vervolgens is het meest geschikte metaal- en de meest geschikte keramieksoort bepaald. In het onderzoek naar de uitvoeringsvorm is een brainstormsessie uitgevoerd en zijn door middel van de Kesselringmethode de beste concepten gekozen waarmee de testfase is ingegaan. De gekozen concepten zijn doorgerekend op spanningen.
Deze opdracht is gestart op 30 augustus 2010 en wordt afgerond op 24 juni 2011.
Er is gekozen voor een concept van het keramisch materiaal Al2O3. Dit materiaal heeft als grootste
voordeel dat het 2 functies combineert. De uitvoering is zowel geschikt als directe productdrager en als “bouwdeel” van de stapel productdragers. Bovendien maakt het een meer flexibelere opbouw van een stapel mogelijk doordat de tussenafstand tussen de platen eenvoudig te varieëren is.
Doordat de doorstootoven op het moment van de geplande testen niet in gebruik was is het testprogramma gewijzigd. De resultaten van deze testen zijn goed. Maar omdat niet alle testen volgens plan zijn uitgevoerd is de aanbeveling dan ook om de vervanging van de huidige Molybdeen productdragers door de nieuwe kermische productdragers gefaseerd te laten plaatsvinden. Op het moment dat de doorstootsinteroven weer in productie genomen wordt, worden de meest slechte exemplaren van de huidige Molybdeen productdragers vervangen door keramische productdragers. Hierdoor kunnen de productdragers een duurtest onder productieomstandigheden ondergaan en kunnen kleine wijzigingen en verbeteringen nog doorgevoerd worden. Bovendien zorgt deze fasering voor een spreiding van de investeringskosten.
De investeringskosten van de keramiek oplossing zijn t.o.v de Molybdeen aanvangsituatie in 2009 teruggebracht van €435.000,- naar €103.000,-. Het onderzoek naar alternatieven voor Molybdeen heeft de Molybdeen leverancier duidelijk geprikkeld en aangezet tot het maken van een meer concurrerende aanbieding. Gecombineerd met de huidige Molybdeenprijs en duidelijkheid over de definitieve aantallen heeft dit geleid tot een aanbieding van €199.500,-
De investeringskosten van de keramiekoplossing t.o.v de actuele Molybdeen aanbieding zijn teruggebracht van €199.500,- naar €103.000,-.
Voorwoord.
Dit verslag is het resultaat van mijn afstudeerproject dat is uitgevoerd als afsluiting van de deeltijd studie werktuigbouwkunde aan de Avans hogeschool Breda, academie voor Techniek en
Management.
Het afstudeeronderwerp is de vervanging van de productdragers die gebruikt worden in een doorstoot sinteroven. De conclusies van dit verslag, dienen als advies voor de bedrijfsleiding van ITB
precisietechniek die uiteindelijk de beslissende stem heeft over de investering.
Deze opdracht is onder begeleiding van Gerard van Rooij (ITB precisietechniek) en Niek van Nuijs (Avans hogeschool) uitgevoerd.
Naast deze beide heren in het bijzonder, wil ik alle andere medewerkers aan het project bedanken. Van ITB: Rob van Hees, Bernard v.d. Heijden voor hun constructieve bijdragen, Han Brands voor zijn bijdrage op inkoopgebied en Remon Poirters voor zijn tomeloze inzet tijdens de praktijktesten van de prototypes.
Van Avans: Michel Meijers voor zijn bijdrage op materiaaltechnisch gebied en Jan Barendregt voor zijn bijdrage op het gebied van sterkteberekeningen en Solid Works Simulation.
Peter Martens voor de aanmaak van de metalen prototype afstandsstukken.
Daarnaast wil ik mijn collega’s, medestudenten, familie en vrienden bedanken voor hun steun en geduld gedurende de gehele studie en tijdens het afstuderen.
Casteren 08 juni 2011
Inhoudsopgave
SAMENVATTING ... II VOORWOORD. ... III
INLEIDING ... 1
BESCHRIJVING VAN DE POWDER INJECTION MOLDING TECHNIEK ... 2
BASISSTAPPEN IN HET MIM PROCESS ... 2
Feedstock bereiding: ... 2
Spuitgieten: ... 3
Debinden: ... 4
Sinteren: ... 6
CIM PROCES ... 7
UITVOERINGSVARIANTEN MIM OVENS ... 7
Batchoven principe ... 7
Continueoven principe ... 7
BESCHRIJVING VAN CONTINUE DOORSTOOTOVEN ... 8
PROGRAMMA VAN EISEN ... 9
FUNCTIONEEL – EISENPAKKET ... 9
FABRICAGE - EISENPAKKET ... 10
MILLIEU - EISENPAKKET ... 10
ONDERZOEK NAAR GESCHIKTE MATERIALEN VOOR PRODUCTDRAGERS ... 11
METALEN ... 11 Mechanische eigenschappen ... 11 Verkrijgbaarheid ... 11 Prijsniveau ... 12 Conclusie metaal ... 12 KERAMIEK ... 13 Voorschriften materiaalleverancier ... 13 Al2O3 ... 13 ZrO2 ... 13 Conclusie keramiek ... 14 COMPOSIETMATERIALEN ... 14 Conclusie composietmaterialen ... 14
ONDERZOEK NAAR UITVOERINGSVORM ... 15
BRAINSTORMSESSIE PRODUCTDRAGERS ... 15
Evaluatie brainstormsessie productdragers Elino doorstootsinteroven ... 16
Toevoeging vanuit leverancier ... 16
VISUALISERING VAN PRINCIPES ... 17
1.Schuifladensysteem ... 17
2. Basisplaat met 4 zuilen ... 18
Bepaling weegfactoren ... 20
Vergelijkingsmatrix ... 21
Conclusies onderzoek naar uitvoering ... 22
BEPALING DIKTE AL2O3 ... 23
Vergelijking met Molybdeen... 23
Conclusie diktebepaling Al2O3 ... 23
SPANNINGSBEREKENINGEN AL2O3 OPLEGPLAAT ... 24
TOTALE CONCLUSIE ONDERZOEK NAAR MATERIALEN EN UITVOERING ... 26
TESTFASE PRODUCTDRAGERS ... 27
1. OPBOUW VAN EEN STAPEL VOLGENS PRINCIPE 2B ... 28
2. OPBOUW VAN EEN STAPEL VOLGENS PRINCIPE 3A ... 29
3. TEST VAN LOSSE LEGE AL2O3 PLATEN OP HOGE TEMPERATUUR IN BATCHOVEN, BEOORDELING OP DOORBUIGING. ... 30
4. TEST VAN LOSSE BELADEN AL2O3 PLATEN OP HOGE TEMPERATUUR IN BATCHOVEN, BEOORDELING OP DOORBUIGING. ... 31
5. TRANSPORTTEST VAN EEN STAPEL VOLGENS PRINCIPE 2B IN KOUDE DOORSTOOTOVEN, BEOORDELING OP STABILITEIT. ... 33
6. TRANSPORTTEST VAN EEN STAPEL VOLGENS PRINCIPE 3A IN KOUDE DOORSTOOTOVEN, BEOORDELING OP STABILITEIT. ... 33
KOSTPRIJSVERGELIJKING ... 34
PRIJSONTWIKKELING MOLYBDEEN PLATEN. ... 34
VERGELIJK KOSTPRIJS PRODUCTDRAGERS ... 35
Overzicht kostprijs ... 35
Conclusie kostprijsvergelijking productdragers ... 35
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN ... 36
CONCLUSIES ... 36
AANBEVELINGEN ... 36
LITERATUURLIJST ... 37
PRODUCENTEN HOOGSMELTENDE METALEN ... 37
PRODUCENTEN EN LEVERACIERS TECHNISCHE KERMIEK ... 37
TECHNISCHE GEGEVENS MATERIALEN ... 37
METHODISCH ONTWERPEN ... 37
Bijlage 1: MIM materiaal overzicht 38
Bijlage 2: Aanbieding Gimex 39
Inleiding
Bij ITB op afdeling Metal Injection Molding (MIM) is een doorstootsinteroven in gebruik. Hierin worden gespuitgiete producten (materiaal is een mengsel van metaal en kunststof) zodanig bewerkt dat volledig metalen producten gevormd worden. Deze producten worden op productdragers gelegd, de productdragers staan gestapeld op “doorstootplaten”, die door de oven getransporteerd worden. Omdat hierbij een maximaal temperatuur van 1400 °C bereikt kan worden zijn deze productdragers nu uitgevoerd in Molybdeen. Deze productdragers zijn aan slijtage onderhevig. Voortdurend gebruik op hoge temperatuur veroorzaakt vervormingen die op den duur niet meer te corrigeren zijn. Daarom moet naar vervanging gezocht worden.
Vanwege de hoge materiaalprijs van Molybdeen en dus hoge investeringskosten moeten economisch interessante materiaal alternatieven gezocht worden, al dan niet in combinatie met Molybdeen. Naast temperatuurbestendigheid zijn bijkomende eisen o.a; een flexibelere hoogteverdeling dan nu voor efficiëntere ovenbelading, robuuste uitvoering om stabiliteit van stapel te waarborgen tijdens transport door oven en goede handling van de productdragers door operators moet gewaarborgd zijn.
Afstudeeropdracht is de vervanging van deze productdragers. Concreet: onderzoek naar materiaalalternatieven, bepaling van uitvoering, daaruit prototypes laten maken, daar praktijktesten mee uitvoeren en analyseren, advies aan bedrijfsleiding uitbrengen.
De opbouw van dit rapport is als volgt:
Eerst wordt de Metal Injection Molding techniek en het batchoven- en continueoven principe beschreven. Daarna wordt wat dieper op de continue doorstootsinteroven ingegaan. Dit alles om een beter beeld te krijgen bij de omstandigheden waaronder de productdragers gebruikt worden.
Vervolgens wordt achtereenvolgens; het programma van eisen, onderzoek naar materialen, onderzoek naar uitvoering en visualisering hiervan behandeld. Met behulp van de Kesselringmethode zijn de overgebleven principes op de belangrijkste uitvoeringseisen getoetst en is een conclusie getrokken met welke principes de testfase wordt ingegaan en worden de diverse testen beschreven. Vervolgens worden de uitvoering en resultaten van de diverse testen en de daaruit getrokken conclusies beschreven en wordt er een kostprijsvergelijk gemaakt tussen de verschillende principes. Afgesloten wordt met de conclusies en aanbevelingen.
Beschrijving van de Powder Injection Molding techniek
De Powder Injection Molding techniek (hierna PIM genoemd) bestaat uit de Metal Injection Molding techniek (hierna MIM genoemd) en de Ceramic Molding Techniek. (hierna CIM genoemd)
In dit hoofdstuk wordt eerst de MIM techniek kort beschreven en gevisualiseerd. Dit om de lezer een principe beeld van de techniek te geven. De visualisaties dienen alleen als hulpmiddel om het MIM principe te beschrijven en hebben niet altijd de juiste uitvoeringsvorm die van toepassing is in het afstudeeronderwerp.
Vervolgens wordt even de CIM techniek aangehaald. Reden: Deze techniek zou gebruikt kunnen worden als productietechniek voor keramische onderdelen van de productdragers.
basisstappen in het MIM process
Feedstock bereiding:
Door het mengen, kneden en granuleren van metaalpoeder en kunststof binders wordt een spuitgietbaar uitgangsmateriaal vervaardigd. (Feedstock)
Het metaalpoeder wordt vervaardigd door middel van atomiseren waarbij met behulp van een
gasstroom of een waterstraal vloeibaar metaal tot kleine ronde druppeltjes wordt verstoven. Een juiste verhouding tussen grote en kleine poeders geeft de beste vulling en aan het eind de hoogste
dichtheid. Afmetingen metaalpoeders van ca. 3 tot 40 μm. Metalen die op deze manier vervaardigd worden kunnen worden zijn onder andere; 42CrMo4, 100Cr6, roestvaststaal soorten en titanium. Voor een overzicht van de materialen: Zie bijlage 1. MIM materiaal overzicht
Er bevinden zich 2 soorten kunststof in de Feedstock, POM en Polyolefine. De functie van POM is het spuitgietbaar maken van het materiaal. De functie van Polyolefine is om na het de debinden de metaalkorrels met elkaar verbonden te houden.
Spuitgieten:
Dit materiaal wordt op een conventionele spuitgietmachine, op nagenoeg dezelfde wijze als kunststof, tot een product verwerkt.
Op te merken valt dat de afmetingen van de matrijsholtes afhankelijk van de krimp van het materiaal tijdens het sinteren bepaald worden.
Concreet: De matrijsholte is, materiaal afhankelijk, 12 – 18% groter dan het eindproduct. Zie hieronder de krimpverhoudingen.
CH4
HNO3
N2
Debinden:
Aansluitend wordt in een katalytisch proces de kunststof binder (POM) uit het product verwijderd.
De werking van het katalytische proces is als volgt:
Onder een atmosfeer van N2 en op een temperatuur van 125 ºC wordt HNO3 (salpeterzuur) toegevoegd. Zoals te zien in onderstaande principeschets vormt het salpeterzuur samen met POM formaldehydegas. Dit wordt afgefakkeld waardoor H2O en CO2ontstaat wat door de schoorsteen
Dit proces start aan de buitenzijde van het product en loopt door tot aan de binnenzijde alle kunststof is verdwenen. Het katalytisch proces verloop met ca. 1 mm wanddikte per uur. Zie onderstaande principeschets.
Millieu aspecten debinden
Bij de verwerking van HNO3 (98%) horen passende milieu- en veiligheidsmaatregelen.
Te denken valt aan persoonlijke beschermingsmiddelen zoals handschoenen, adembescherming en gelaatsmaskers, opslag die voldoet aan de wettelijke eisen, toepassing van hoogwaardig roestvast staal bij alles wat in aanraking komt met HNO3. Bovendien een zodanige machinebeveiliging dat contact met de buiten atmosfeer voorkomen wordt zodat bovengenoemde maatregelen niet noodzakelijk zijn bij regulier gebruik van de installatie maar alleen bij onderhoud of calamiteiten. Het formaldehydegas, dat zoals eerder beschreven, gevormd wordt door het salpeterzuur samen met de POM, komt niet niet aanraking met omgeving maar wordt afgefakkeld. Hierdoor ontstaan H2O en
CO2.Dit CO2 wordt door de schoorsteen afgevoerd.. De concentratie hiervan moet aan een norm
Sinteren:
Bij dit proces worden de producten onder hoge temperatuur tot hoge dichtheid gesinterd. Er worden verschillende temperatuurcurves toegepast. Afhankelijk van de materiaalsoort wordt er een maximale temperatuur bereikt van 1250 tot 1400° C onder een atmosfeer van H2, N2 of Ar.
Hierbij zal het product, afhankelijk van het materiaal, ca. 12 tot 18% krimpen.
Het sinterproces bestaat uit 2 gedeeltes. In het eerste deel, het restdebindgedeelte, wordt de restbinder (Polyolefine) verwijderd. Dit blijft achter in opvangpotten als een wax-achtige substantie. Deze opvangpotten worden periodiek gereinigd. In het tweede deel van het sinterproces trekken de metaaldeeltjes als gevolg van cohesie naar elkaar toe en ontstaat een product met een hoge dichtheid. (± 99%) Zie onderstaande principeschets.
Millieu aspecten sinterproces
Bij het gebruik van H2 (waterstof gas) horen passende milieu- en veiligheidsmaatregelen.
Te denken valt aan opslag die voldoet aan de wettelijke eisen, zodanige machinebeveiliging dat lekkage naar de buitenatmosfeer voorkomen wordt, spoelprocedures met een inert gas voordat installaties geopend worden en een ruimtebeveiliging die reageert bij een te hoge ruimteconcentratie H2 gas en de toevoer hiervan automatisch afsluit. Deze installaties worden periodiek door een extern
bedrijf gecalibreerd en getest.
CIM proces
Dit proces is in principe totaal vergelijkbaar met het MIM proces. Alleen wordt geen metaal maar keramiek gebruikt. In dit verslag wordt hier verder niet in detail op ingegaan maar het wordt wel vermeld omdat de CIM techniek interessant kan zijn als toeleverancier van keramische delen.
Uitvoeringsvarianten MIM ovens
Bij ITB zijn MIM ovens in 2 principe uitvoeringen aanwezig.
Batchoven principe
Bij dit principe wordt het debinden en het sinteren in separate ovens uitgevoerd. Dus eerst worden de gespuitgiete producten gedebind, waarbij de oven opgewarmd en afgekoeld wordt.
Daarna worden de gedebinde producten uit de batch debindoven gehaald, in de batch sinteroven geplaatst en daar verder verwerkt. Ook deze sinteroven wordt steeds opgewarmd en afgekoeld. Dit principe wordt vooral gebruikt bij veel variatie in materialen en kleinere series.
Continueoven principe
Bij dit principe wordt het hele proces van debinden en sinteren in één oven-bewerking uitgevoerd. Dus de gespuitgiete producten worden de oven ingevoerd en komen er gesinterd weer uit.
Dit proces gaat continue door, er is geen sprake van opwarmen en/of afkoelen van de oven. Dit proces wordt alleen gebruikt als er sprake is van grote series producten van dezelfde materiaalsoort. Reden hiervoor is dat omschakelen naar een andere sintertemperatuur- en/of atmosfeer langdurig is en dus kostbaar.
Het afstudeerverslag gaat over productdragers die gebruikt worden in het continue doorstootoven proces.
Beschrijving van continue doorstootoven
Opzetband
Hier staan, zowel de stapels met productdragers met gespuitgiete producten die nog de oven in moeten, als de stapels met productdragers met gesinterde producten die uit de oven komen. Dit is het enige deel waar de productdragers zichtbaar en bereikbaar zijn.
Debinden
Dit is het gedeelte waar de basiskunststof (POM) uit de producten verwijderd wordt. Temperatuur: 135 °C. Atmosfeer: HNO3(gasvormig, concentratie max. 5% in N2 omgeving)
Restdebinden / aansinteren
Dit is het gedeelte waar de restbinder (Polyolefine) uit de producten verwijderd wordt en de
metaalkorrels aan elkaar hechten om de producten voldoende sterk te maken voor de vervolgstap. Temperatuur: tot 900 °C. Atmosfeer: N2 en/of H2. (materiaal afhankelijk)
Sinteren
Hier vindt het feitelijke sinterproces plaats. De metaalatomen “bewegen naar elkaar toe”, de gewenste afmetingen ontstaan en de porositeit verdwijnt. Dit veroorzaakt een (lineaire) krimp van 14 – 18%. Temperatuur: tot 1400 °C. Atmosfeer: N2 en/of H2. (materiaal afhankelijk)
Transport
Transport door de oven vindt plaats d.m.v het doorstootprincipe. Dit betekent dat zich buiten de werkelijke ovengedeeltes stootmachines bevinden die de hele “trein” van doorstootplaten door dat betreffende ovengedeelte heen duwen. Er bevindt zich geen transportmechanisme in de
ovengedeeltes. Kengetallen
Totale doorlooptijd: ca. 48 uur. (afhankelijk van takttijd, deze is materiaal afhankelijk) Aantal doorstootplaten met daarop stapels van productdragers: 108 stuks.
Debinden
Restdebinden/aansinteren
sinteren
opzetband
Programma van eisen
Functioneel – eisenpakket
Nummer Eis Toelichting Prioriteit
Algemeen
1 Levensduur De productdragers dienen een minimale levensduur
van 1 jaar te hebben. vast 2 Economische
rendabiliteit
De levensduur/kostprijs verhouding dient zo
maximaal mogelijk te zijn. variabel 3 Betrouwbaarheid
De productdragers en afstandstukken mogen door disfunctioneren geen storingen en stilstand van de doorstootsinteroven veroorzaken.
vast 4 Kwantificering De insteek is ca. 150 stapels die bestaan uit 7
productdragers en 4 afstandstukken per laag. variabel
Belastbaarheid
5 Temperatuur bestendigheid
De productdragers en afstandstukken dienen bestand
te zijn tegen een temperatuur van maximaal 1400 °C. vast 6 Temperatuur
schokbestendigheid
De productdragers en afstandstukken dienen bestand te zijn tegen een temperatuurschok van maximaal 10 K/min.
vast
7 Atmosfeer
De productdragers en afstandstukken dienen bestand te zijn om te functioneren in de volgende atmosferen:
- N2 (van 0% – 100%)
- H2 (van 0% – 100%)
- HNO3 (gasvormig, concentratie max. 5% in N2
omgeving, T: 135 °C)
vast
8 Belasting Belading per plaat: maximaal 1000 gram, verdeeld
over de plaat. vast
Functioneel
9 Stabiliteit De totale stapel dient voldoende stabiel te zijn tijdens
het transport door de doorstootoven. vast 10 Flexibiliteit De tussenafstand van de productdragers moet
variabel zijn. variabel
11 Efficiëntie
Benutting van de beschikbare ruimte moet optimaal zijn. Concreet; dikte productdragers moet zo minimaal mogelijk zijn.
variabel
12 Gebruiksvriendelijk
De productdragers en afstandstukken moeten door de operators eenvoudig opgebouwd kunnen worden tot een stapel.
variabel 13 Gebruiksvriendelijk De handling van de productdragers en
afstandstukken moet ergonomisch verantwoord zijn. vast 14 Afmetingen Maximale buitenafmetingen productdragers: 210 x
210 x 150 mm. ( l x b x h ) vast 15 Uitvoering Demonteerbaar i.v.m reparatie etc. variabel 16 Uitvoering
Opstaande rand aan de omtrek van de
productdragers, om producten van de plaat vallen te voorkomen, indien mogelijk.
variabel
17 Contact met producten
Platen moeten; bij voorkeur geschikt zijn om direct producten op te leggen, of als basisplaat dienen waarop dan een tussenplaat komt.
Voorschrift: Al2O3, minimale zuiverheid: 99,6%.
Fabricage - eisenpakket
Nummer Eis Toelichting Prioriteit
Fabricage
18 Efficiëntie Beperkt aantal bewerkingen tijdens fabricage. variabel 19 Onderdelengebruik De totale stapel dient te bestaan uit zo weinig
mogelijk verschillende onderdelen. (modulair) variabel 20 Onderdelengebruik Er dient gebruik te worden gemaakt van zoveel
mogelijk standaard onderdelen. (standaardisatie) variabel
Millieu - eisenpakket
Nummer Eis Toelichting Prioriteit
Materiaal gebruik
21 Hergebruik van materialen
Er dient zoveel mogelijk gebruik te worden gemaakt
van te hergebruiken materialen. variabel 22 Schadelijke stoffen Het gebruik van schadelijke stoffen dient zo veel
Onderzoek naar geschikte materialen voor productdragers
De geschikte materialen die aan de temperatuureisen, te weten maximaal 1400°C en
temperatuurschok van 10 K/min. voldoen zijn onder te verdelen in: metalen, keramiek en composiet materialen.
Metalen
De commercieel verkrijgbare metalen die aan de temperatuureisen voldoen zijn: Wolfraam (W)
Molybdeen (Mo) Tantalium (Ta) Niobium (Nb).
Mechanische eigenschappen
In onderstaande grafiek is de E-modulus van deze materialen uitgezet tegen de temperatuur. De elasticiteit- of E-modulus is een materiaaleigenschap die een maat is voor de stijfheid van een materiaal.
Bron: www. plansee.com
Verkrijgbaarheid
Op te merken valt dat alleen Wolfraam en Molybdeen verkrijgbaar zijn in de uitvoeringsvormen die nodig zijn voor de productdragers. Beide materialen worden o.a. als plaat, draad, staafmateriaal en bevestigingsmiddel geleverd. Tantalium en Niobium worden voornamelijk als legeringselementen en in niche markten als supergeleiders gebruikt.
Hierdoor blijven alleen Wolfraam en Molybdeen als geschikte materialen over.
Prijsniveau
Hieronder is het prijsniveau per megaton over de laatste 5 jaar van Molybdeen uitgezet tegen dat van Wolfraam. (Tungsten) Omdat Wolfraam een aanzienlijk hogere dichtheid heeft dan Molybdeen; 19,35 g/cm3 t.o.v 10,22 g/cm3 , zijn de verticale assen in deze verhouding getekend zodat toch een objectief vergelijk per gewichtseenheid kan worden gemaakt.
Te zien is dat Wolfraam aanzienlijk duurder is dan Molybdeen.
Bron: InfoMine.com
Conclusie metaal
Gebleken is dat er 4 metalen in aanmerking komen als materiaal voor de productdrager; Wolfraam, Molybdeen, Tantalium en Niobium. Tantalium en Niobium vallen af doordat ze niet verkrijgbaar zijn in de gewenste uitvoeringsvorm. Wolfraam is veel duurder dan Molybdeen terwijl de iets betere sterkte op hoge temperaturen t.o.v Molybdeen weer teniet gedaan wordt door een hogere brosheid.
De te verwachten levensduur van Wolfraam is als gevolg van deze brosheid niet noemenswaardig hoger dan van Molybdeen. Bovendien is kostenbesparing de reden van dit onderzoek .
Keramiek
Voorschriften materiaalleverancier
Basf, de leverancier van het MIM-Feedstock materiaal, levert voor al hun materialen een “processing instructie” aan.
Onderstaande quote komt uit zo’n “processing instructie”. De aanbeveling voor het oplegmateriaal geldt voor alle materialen die in de doorstootsinteroven verwerkt kunnen worden.
Sintering must be done in an atmosphere with 99.998 % pure and dry
hydrogen (dewpoint < – 40 °C).
As sintering support Al2O3 with a purity of 99.6 % is recommended, e. g.
Frialit® Al2O3 (Friatec AG).
Bron: Basf Processing instr._Catamold 17-4PHA
Al2O3
De huidige situatie is als volgt; er worden platen van het voorgeschreven keramische materiaal (Al2O3
met een minimale zuiverheid van 99,6%) op de Molybdeen platen geplaatst. Op dit keramische materiaal worden de producten gelegd. Het direct plaatsen van de producten op metalen platen is niet mogelijk omdat eutectische werking smeltverschijnselen zal veroorzaken tussen producten en platen. De toepassing van een keramische productdrager gemaakt van Al2O3 met de vereiste minimale
zuiverheid zal dus 2 functies combineren en het gebruik van Molybdeen overbodig maken.
Bron: CRC Materials Science and Engineering Handbook
Bron: CRC Materials Science and Engineering Handbook
ZrO2
Dit materiaal voldoet aan alle eisen waar ook Al2O3 aan voldoet, het kan dus gebruikt worden om de
producten direct op te leggen. Het is bovendien geschikt om producten van Titanium op te sinteren, wat Al2O3 niet is. Daar vindt het ook momenteel zijn toepassing bij ITB / MIM.
De doorstootoven is echter niet geschikt om titaan te sinteren, de kostprijs van ZrO2 is aanzienlijk
hoger is dan Al2O3 en volgens bovenstaande grafiek is de E-modulus lager dan Al2O3.
0 100 200 300 400 500 20 500 800 1000 1250 1400 1500 E-m o d u lu s [Gp a] Temperatuur [°C]
E-modulus Keramiek
E-modulus Al2O3 E-modulus Zr2O3Conclusie keramiek
Hieruit blijkt dat een keramische plaat van Al2O3 die zowel dient als direct oplegmateriaal voor de
producten als voor “bouwdeel van de stapel” de beste oplossing is.
Composietmaterialen
Van deze materialen is onderzoek naar gedaan naar Metal Matrix Composite en Ceramic Matrix Composite materialen.
Met behulp van Cambridge Engineering Selector zijn wel materialen te vinden die aan de eisen voldoen maar onderzoek leert dat die niet verkrijgbaar zijn in de gewenste uitvoeringvorm en
afmetingen. Bovendien ligt de kostprijs van dit soort materialen op een hoger niveau dan Al2O3 en zijn
deze bijzonder moeilijk (dus kostbaar) te bewerken zijn om de gewenste vorm en afmetingen te verkrijgen. Leverancier van het MIM materiaal beveelt bovendien niet aan om producten direct op dit soort materiaal te plaatsen zodat toch weer een tussenlaag van Al2O3 nodig is.
Conclusie composietmaterialen
De composietmaterialen zijn niet het meest geschikt als productdrager. Belangrijkste redenen zijn de hogere kostprijs en het feit dat er dan toch nog een Al2O3 tussenlaag nodig is.
Onderzoek naar uitvoeringsvorm
Brainstormsessie productdragers
Datum:17-11-2010.
Locatie: ITB precisietechniek in metaal en kunststof.
Aan deelnemers is de probleemstelling voorgelegd met nadruk op de uitvoeringsvorm. Deelnemers: Rob van Hees projectengineer MIM en kunststof
Bernard van der Heijden projectengineer stamping en kunststof
Gerard van Rooij werkvoorbereider/planning gereedschapmakerij Martien Martens
1. Rob:
Frame van Mo, een soort van schuifladen systeem. Met daarin geschoven keramische platen. 2. Rob:
Zoals 1, maar dan frame van keramiek. 3. Bernard
Basisplaat met vier hoekstukken waar keramische platen tussen gestapeld kunnen worden. 4. Bernard
Basisplaat met vier zuilen waar keramische platen (voorzien van gaten) over heen gestapeld kunnen worden.
5. Rob
Keramische plaat met opstaande rand (“bakje”) maken d.m.v slibgieten. 6. Rob
Keramische plaat met opstaande rand (“bakje”) maken d.m.v verspanen uit vol keramisch materiaal. 7. Gerard/Rob
Losse keramische platen d.m.v. keramische afstandsproppen stapelen. 8. Rob
Bovenstaande keramische afstandsproppen vervaardigen d.m.v. CIM proces. (Ceramic Injection Molding)
9. Bernard
Als keramische plaat met vaste opstaande rand moeilijk is, losse opstaande randen hiervoor voorzien. 10. Rob
Keramische afstandsproppen voorzien van een gleuf om bovenstaande opstaande randen te positioneren.
11. Rob
Prototypes eerst testen in batchoven om temperatuurbestendigheid te testen, dan pas in doorloopoven.
Evaluatie brainstormsessie productdragers Elino doorstootsinteroven
Na evaluatie over maakbaarheid kunnen de losse ideeën worden geclusterd tot de volgende groepen:
1. Schuifladensysteem, uitgevoerd in Molybdeen of keramiek.
2. Basisplaat met 4 zuilen waar keramische platen over heen gestapeld kunnen worden. a. Basisplaat van Mo met daaraan vast bevestigde Mo zuilen
(bevestigingsmethode; klinken)
b. Basisplaat van keramiek met daaraan vast bevestigde keramische zuilen (bevestigingsmethode nog onbekend)
3. Losse keramische platen d.m.v. keramische afstandsproppen stapelen.
a. Deze keramische proppen voorzien van gleuven om losse randen aan de omtrek van de plaat te positioneren (randen om afvallen producten te voorkomen)
b. Deze keramische proppen producten m.b.v CIM (Ceramic Injection Molding) techniek
Toevoeging vanuit leverancier
Aan Gimex technische keramiek, leverancier van keramisch materiaal, is dezelfde vraagstelling voorgelegd. Dit is hun voorstel: zie Bijlage 2; aanbieding Gimex
een viertal van schroefdraad voorziene staven wordt met moeren aan een plaat gekoppeld.
Over de buis worden afstandsbusjes geplaatst met afmeting (bijv.) Ø 17 x Ø 12 x L= X mm.
Daarop komt de volgende plaat, enzovoort. De onderste moer valt weg in de grondplaat,
zodat de eerste plaat min of meer op de grondplaat komt te liggen.
Dit is in principe oplossing 2b met als bevestigingsmethode de schroefdraad aan één zijde.
Visualisering van principes
1.Schuifladensysteem
Vast vormgegeven frame waarin platen kunnen worden geschoven.
doorstoottegel
frame
oplegplaat
2. Basisplaat met 4 zuilen
Basisplaat met 4 zuilen waar keramische platen over heen gestapeld kunnen worden met daar tussen afstandsringen.
basisplaat met 4 zuilen op doorstoottegel
keramische afstandsringen
keramische oplegplaat
samenstelling van basisplaat met 4 zuilen, afstandsringen en keramische oplegplaten
3. Losse keramische platen d.m.v. keramische afstandsproppen stapelen
doorstoottegel met afstandsproppen
keramische afstandsproppen
keramische oplegplaat
samenstelling van doorstoottegel met keramische oplegplaten en keramische afstandsproppen
Vergelijking principes
Bepaling weegfactoren
Volgens de Kesselringmethode zijn de volgende variabele eisen op het gebied van uitvoering na de brainstorm sessie eerst d.m.v weegfactoren onderling vergeleken waaruit de weegfactoren zijn vastgesteld. Die zijn vervolgens toegepast in de beoordeling van de verscheidene principes op deze eisen d.m.v een beoordelingsmatrix waarin 1 de minimale- en 4 de maximale score is.
Eisen
1. stabiliteit
2. flexibele tussenafstand
3. gebruiksvriendelijk (tijdens opbouw door operators)
4. modulaire opbouw (met zo min mogelijk verschillende onderdelen) 5. kostprijs
6. voldoende mogelijkheid tot gasflow
7. opstaande rand (om afvallen producten te voorkomen) 8. demonteerbaar (i.v.m reparatie van delen)
Diagram ter bepaling weegfactoren
In vergelijking met eisEisen 1 2 3 4 5 6 7 8 score weeg factor 1 1 1 1 1 1 1 1 7 4 2 0 1 1 1 1 1 1 6 3 3 0 0 1 1 0 1 1 4 2 4 0 0 0 0 0 1 1 2 1 5 0 0 0 1 0 0 1 2 1 6 1 1 1 1 1 1 1 7 4 7 0 0 1 1 1 0 1 4 2 8 0 0 0 1 1 0 1 3 1
Vergelijkingsmatrix
Eisen
1. stabiliteit
2. flexibele tussenafstand
3. gebruiksvriendelijk (tijdens opbouw door operators)
4. modulaire opbouw (met zo min mogelijk verschillende onderdelen) 5. kostprijs
6. voldoende mogelijkheid tot gasflow
7. opstaande rand (om afvallen producten te voorkomen) 8. demonteerbaar (i.v.m reparatie van delen)
Principes
1. Schuifladensysteem, uitgevoerd in Molybdeen of keramiek.
2. Basisplaat met 4 zuilen waar keramische platen over heen gestapeld kunnen worden a. Basisplaat van Mo met daaraan vast bevestigde Mo zuilen
b. Basisplaat van keramiek met daaraan vast bevestigde keramische zuilen 3. Losse keramische platen
a. d.m.v. keramische afstandsproppen stapelen
b. Deze keramische proppen voorzien van gleuven om losse randen aan de omtrek van de plaat te positioneren (randen om afvallen producten te voorkomen)
4. Huidig gebruikt Molybdeen systeem.
Vergelijkingsmatrix
Vergelijkingsmatrix
Eisen Principes Waardering 1 2a 2b 3a 3b 4 Ideaal 1 3 x 4 = 12 4 x 4 = 16 4 x 4 = 16 2 x 4 = 8 2 x 4 = 8 2 x 4 = 8 4 x 4 = 16 2 1 x 3 = 3 4 x 3 = 12 4 x 3 = 12 4 x 3 = 12 4 x 3 = 12 1 x 3 = 3 4 x 3 = 12 3 1 x 2 = 2 2 x 2 = 4 2 x 2 = 4 4 x 2 = 8 3 x 2 = 6 3 x 2 = 6 4 x 2 = 8 4 1 x 1 = 1 2 x 1 = 2 4 x 1 = 4 4 x 1 = 4 4 x 1 = 4 3 x 1 = 3 4 x 1 = 4 5 1 x 1 = 1 1 x 1 = 1 3 x 1 = 3 4 x 1 = 4 3 x 1 = 3 1 x 1 = 1 4 x 1 = 4 6 1 x 1 = 1 4 x 4 = 16 4 x 4 = 16 4 x 4 = 16 3 x 4 = 12 2 x 1 = 2 4 x 4 = 16 7 3 x 2 = 6 1 x 2 = 2 1 x 2 = 2 1 x 2 = 2 4 x 2 = 8 1 x 2 = 2 4 x 2 = 8 8 2 x 1 = 2 2 x 1 = 2 4 x 1 = 4 4 x 1 = 4 4 x 1 = 4 1 x 1 = 1 4 x 1 = 4 Σ 28 55 61 58 57 26 72 Rel. Σ 39% 76% 85% 81% 79% 36% 100%Opmerkingen bij de verschillende principes n.a.v vergelijkingsmatrix
Principe 1 Problemen met gasflow, kostprijs en gebruiksvriendelijkheid verwacht. Principe 2a Grootste nadelen; kostprijs Mo en niet demonteerbaar bij deformatie. Principe 2b Demonteerbaarheid keramische schroefdraad moet zich nog bewijzen. Principe 3a Stabiliteit moet zich nog bewijzen.
Principe 3b Stabiliteit moet zich nog bewijzen, grootste voordeel; opstaande rand. Principe 4 Geen flexibele tussenafstand, niet demonteerbaar, duur Mo.
Conclusies onderzoek naar uitvoering
Zoals blijkt uit de uitkomsten van de vergelijkingsmatrix komen als beste naar voren:
principe 2b; Basisplaat van keramiek met daaraan vast bevestigde keramische zuilen waar keramische platen over heen gestapeld kunnen worden.
Bepaling dikte Al
2O
3Vergelijking met Molybdeen
E-modulus Molybdeen bij 1400 °C: 250 Gpa Dikte huidig toegepast Molybdeen: 1,5 mm E-modulus Al2O3 bij 1400 °C: 225 Gpa
Alhoewel de verhouding in E-modulus maar een geringe diktevermeerdering ten opzichte van
Molybdeen noodzakelijk zou maken raadt de leverancier, gebaseerd op zijn ervaringen, een dikte van 3 mm aan.
Bovendien is de ervaring bij MIM/ITB dat een dikte van 3 mm tijdens handling “tegen een stootje kan” hoewel voorzichtigheid altijd geboden is.
Conclusie diktebepaling Al2O3
Gezien onze ervaringen met gedeformeerde Mo platen en de grotere sterkte van een 3 mm plaat tijdens handling wordt het advies van de leverancier gevolgd.
Spanningsberekeningen Al
2O
3oplegplaat
Eerst is plaat “handmatig” doorgerekend op buigspanning.
Q = 10N
Fy
A=Fy
B= 5N
D
M
M = (5 x 0,0792) – (5 x 0,0396) = 0,198 [Nm]“inklemmen in het midden”
* b * h
3= * 0,210 * 0,003
3= 4,725 x 10
-10[m
3]
=
=
= 1,26 x 10
6[
]
Maximaal optredende buigspanning: 1,26 MPa
0,026 0,158 6 0,026
Fy
AFy
BA
B
0 05N
-5N
0 0Fy
ADaarna is buigspanning met behulp van solid works simulation bepaald.
Maximaal optredende buigspanning: 1,32 MPa
Er is nog geen enkele normering voor deze keramische materialen. Iedere leverancier werkt met andere getallen, deze gelden alleen op kamertemperatuur, wil daar niet aan gehouden worden en zegt bovendien dat er ook nog eens flinke afwijkingen tot 30% mogelijk zijn.
Een getal dat toch door veel leveranciers wordt gehanteerd als toelaatbare buigspanning voor Al2O3
op kamertemperatuur is 248 Mpa. De berekende buigspanning blijft ruimschoots binnen de toelaatbare buigspanning.
Totale conclusie onderzoek naar materialen en uitvoering
Voorstel is om de testfase in te gaan met 2 principes. Als 1e de stapel die vervaardigd is volgens principe 2b.
Deze zal bestaan uit 7 Al2O3 oplegplaten met een dikte van 3 mm, 4 keramische pennen met aan 1
zijde schroefdraad en 2 x 4 keramische moeren. Hierbij zullen de 4 keramische pennen m.b.v de moeren aan één Al2O3 oplegplaat aan bevestigd worden die als basisplaat zal dienen.
Als 2e zullen de Al2O3 platen ook nog voor testen volgens principe 3a gebruikt worden. Hiervoor zullen
separate afstandsproppen aangemaakt worden. Voor de testfase op lage temperatuur zullen
prototype afstandsproppen van staal gebruikt worden, de eventuele definitieve afstandsproppen zullen van keramiek vervaardigd worden met als mogelijke productiemethode CIM. Hiervoor is een offerte aangevraagd bij Formatec in Goirle, CIM specialist. Zie bijlage 3, aanbieding Formatec
Na de testfase kan alsnog, als gekozen wordt voor optie 3, gekozen worden voor 3a of 3b.
Er is aan de directie van ITB een investeringsvoorstel gedaan voor bovengenoemd testmateriaal. Budget is verleend en bestelling is geplaatst voor 4 keramische pennen, 2 x 4 keramische moeren en 10 keramische platen.
Testfase productdragers
De testen met het in vorige hoofdstuk “totale conclusie onderzaak naar materiaal en uitvoering” omschreven materiaal zullen als volgt plaatsvinden:
1. Opbouw van een stapel volgens principe 2b, beoordeling op stabiliteit en gebruiksvriendelijke opbouw.
2. Opbouw van een stapel volgens principe 3a, beoordeling op stabiliteit en gebruiksvriendelijke opbouw.
3. Test van losse lege Al2O3 platen op hoge temperatuur in batchoven, beoordeling op
doorbuiging.
4. Test van losse beladen Al2O3 platen op hoge temperatuur in batchoven, beoordeling op
doorbuiging.
5. Transporttest van een stapel volgens principe 2b in koude doorstootoven, beoordeling op stabiliteit.
6. Transporttest van een stapel volgens principe 3a in koude doorstootoven, beoordeling op stabiliteit.
7. Transporttest van een stapel volgens principe 2b in doorstootoven op hoge temperatuur, beoordeling op stabiliteit en doorbuiging en demonteerbaarheid keramische schroefdraad. 8. Transporttest van een stapel volgens principe 3a in doorstootoven op hoge temperatuur
beoordeling op stabiliteit en doorbuiging.
Na vaststelling van dit testprogramma en bestelling van het testmateriaal heeft zich als gevolg van een verandering in de productbehoefte bij de klant van ITB een wijziging in de productieplanning
voorgedaan.
Als gevolg daarvan is de doorstootoven niet in gebruik en derhalve ook niet op temperatuur in de periode waarin proeven 7 en 8 gepland zijn. Vanwege het hoge uurtarief van de installatie wordt de oven niet opgewarmd voor testdoeleinden alleen.
Daarom zullen de testen t/m 6 volgens planning uitgevoerd worden (t/m test in koude doorstootoven) en zullen er extra testen op hoge temperatuur in de batchovens uitgevoerd worden.
1. Opbouw van een stapel volgens principe 2b
Stapel is opgebouwd samen met toekomstige gebruikers en leden van het brainstormteam.
Opmerkingen tijdens opbouw:
Montage staven aan bodemplaat m.b.v moeren bewerkelijk. Kleine afwijking in positie en/of haaksheid heeft grote gevolgen voor pasbaarheid bovenliggende platen.
Onzekerheid over hoe vast de moeren aan te draaien. Te vast kan als gevolg van uitzetting breuk veroorzaken. Te los geeft onvoldoende stabiliteit en levert moeilijkheden op tijdens opbouw van de stapel i.v.m te ver uitwijken van de staven.
Opbouw als gevolg van bovenstaande punten bewerkelijk. Verwachting is dat bij vervormde platen en/of staven dit alleen maar moeilijker wordt.
2. Opbouw van een stapel volgens principe 3a
Stapel is opgebouwd samen met toekomstige gebruikers en leden van het brainstormteam.
Opmerkingen tijdens opbouw:
Opbouw van stapel zeer eenvoudig.
Na opbouw geeft de stapel, al hoewel de verwachtingen vooraf minder waren, een soldide betrouwbare indruk.
Verbeteringen die ondanks bovenstaande onmiddelijk werden geopperd: Hoogte verjonging vergroten; dit vergroot de stabiliteit.
Verschil in diameter tussen verjonging en gat waar verjonging in valt verkleinen; dit vergroot de stabiliteit.
Buitendiameter prop vergroten voor meer draagvlak; dit vergroot de stabiliteit.
Tijdens het opbouwen van de stapel volgens zowel principe 2b als 3a werd al snel de toepassing van "de 5e keramische ring” in het midden van de plaat wenselijk. Deze zijn te zien op de afbeeldingen bij beide principes. Dit is in de oorspronkelijke plannen niet meegenomen maar biedt dermate grote voordelen voor wat betreft ondersteuning tegen doorbuigen van de plaat.
De nadelen wegen niet op tegen de voordelen. (extra kosten en ruimteverlies en dus een geringe capaciteitsvermindering)
3. Test van losse lege Al
2O
3platen op hoge temperatuur in batchoven,
beoordeling op doorbuiging.
Opstelling
Een stapel met Molybdeen platen met producten ten behoeve van de batch sinteroven. Daarop gezet 1 doorstoottegel met daarop 1 losse lege Al2O3 plaat.
Plaat is voor plaatsing doorgemeten en was vlak.
Na de sintering is plaat weer doorgemeten en deze was nog steeds vlak. Proef dus geslaagd.
4. Test van losse beladen Al
2O
3platen op hoge temperatuur in
batchoven, beoordeling op doorbuiging.
Opstelling
Een stapel met Molybdeen platen met producten ten behoeve van de batch sinteroven.
Daarop gezet 1 doorstoottegel met daarop 1 losse Al2O3 plaat beladen met een vergelijkbare belading
van de doorstootoven. Ingestelde maximaal temperatuur: 1360 °C. Plaat is voor plaatsing doorgemeten en was vlak.
Na sintering was testplaat gescheurd. Na beoordeling van situatie kan gesteld worden dat deze breuk is ontstaan omdat de beladen plaat druk heeft uitgeoefend tegen de binnenzijde van de oven. De hoogte van de stapel inclusief beladen plaat was namelijk zodanig dat als gevolg van uitzettingen en vervormingen op hoge temperatuur er contact tussen de beladen plaat en bovenkant van de
binnenzijde oven kan hebben plaatsgevonden.
Dit wordt mede bevestigd door de vondst van een keramische ring die gebruikt was als provisorische reparatie van de hotzone van de batchsinteroven.
De proef is herhaald, waarbij de hoogte van de stapel zodanig beperkt is dat geen contact kan plaatsvinden tussen plaat en bovenkant binnenzijde sinteroven.
Resultaten herhaling: Plaat is heel. Plaat weer doorgemeten en deze was nog steeds vlak. Proef dus geslaagd.
Proef is nog 5 maal herhaald, steeds met goed resultaat. Geen breuk of vervorming. Ingestelde maximaal temperatuur: 1360 °C.
5. Transporttest van een stapel volgens principe 2b in koude
doorstootoven, beoordeling op stabiliteit.
Opstelling van 1 doorstoottegel met daarop geplaatst een complete stapel opgebouwd volgens principe 2b.
Hieronder is deze opstelling te zien met daarnaast, als vergelijk, de huidig gebruikte stapel.
Deze opstelling heeft één hele cyclus door de koude doorstootoven gemaakt (ca. 48 uur) inclusief alle kritische overgangen, hoek- en lineairverplaatsingen. Resultaat van de proef is goed, geen problemen waargenomen.
6. Transporttest van een stapel volgens principe 3a in koude
doorstootoven, beoordeling op stabiliteit.
Opstelling van 1 doorstoottegel met daarop geplaatst een complete stapel opgebouwd volgens principe 3a. In verband met koude oven zijn de afstandsproppen als protoytpe vervaardigd van staal. Hieronder is deze opstelling te zien met daarnaast, als vergelijk, de huidig gebruikte stapel.
Deze opstelling heeft één hele cyclus door de koude doorstootoven gemaakt (ca. 48 uur) inclusief alle kritische overgangen, hoek- en lineairverplaatsingen. Resultaat van de proef is goed, geen problemen waargenomen.
Kostprijsvergelijking
Prijsontwikkeling Molybdeen platen.
Het onderzoek naar alternatieven voor Molybdeen is gedeeld met de leverancier van Molybdeen. Dit heeft deze duidelijk geprikkeld en aangezet tot het maken van een meer concurrerende aanbieding. Gecombineerd met de huidige Molybdeenprijs en duidelijkheid over de definitieve aantallen heeft dit geleid tot een aanbieding van €199.500,- (zie onderstaand overzicht)
Prijsontwikkeling aangeboden Molybdeen platen
datum Prijs per stapel Prijs per 150 stapels 2009 € 2.900,- € 435.000,-
Januari 2011 € 1.701,- € 255.150,- April 2011 € 1.330,- € 199.500,-
Voor alle duidelijkheid, de uitgangsbasis en aanleiding voor dit onderzoek was het prijsniveau van 2009. In de hierna volgende kostprijs vergelijking productdragers is de laatste prijs meegenomen.
Vergelijk kostprijs productdragers
Overzicht kostprijs
Prijs keramische ring 17,5 mm € 1,50 Prijs keramische afstandsprop 17,5 mm € 3,60 Prijs spuitgietmatrijs t.b.v keramische
afstandsproppen. (hoogte instelbaar)
€ 6750,-
Dit overzicht geldt voor de aanmaak van de eerste serie stapels.
Initiële kosten als aanmaak spuitgietmatrijs voor keramische tussenproppen m.b.v CIM techniek en de kosten voor keramische staven en moeren zijn hier in verrekend. Bij de berekening is uitgegaan van 150 stapels van 7 platen.
Uitvoeringssoort Prijs zonder keramische afstandsstukken per stapel Prijs inclusief keramische afstandsstukken per stapel Prijs inclusief keramische afstandsstukken voor 150 stapels Molybdeen € 1.330,- € 1.363,- € 207.375,- Keramisch versie 2b € 774,- € 819,- € 122.850,- Keramisch versie 3a € 546,- € 686,- € 102.960,- Wanneer alleen afstandsstukken nodig zijn, bijvoorbeeld bij een wijziging van tussenafstand, gelden voor de verschillende principes de volgende onderstaande prijzen:
Uitvoeringssoort Prijs per stapel Prijs per 150 stapels
Molybdeen € 45,- € 6.750,-
Keramisch versie 2b € 45,- € 6.750,- Keramisch versie 3a € 95,- € 14.310,-
Conclusie kostprijsvergelijking productdragers
Voor wat betreft kostprijs kunnen de volgende conclusies getrokken worden:
(let op; puur voor wat betreft kostprijs, technische aspecten zijn hier nog niet in meegenomen) Bij aanschaf van de 1e partij van 150 stapels met 7 platen per stapel zijn de investeringskosten bij keramische versie 3a het laagst.
Bij wijziging van tussenafstand, wanneer dus alleen andere afstandsringen cq tussenproppen nodig zijn wordt versie 3a vanaf de 3e wijziging duurder.
Conclusies en aanbevelingen
Conclusies
De opdracht was de vervanging van de productdragers gebruikt in de MIM doorstootsinteroven. De nu in gebruik zijnde Molybdeen productdragers zijn aan slijtage onderhevig en aan vervanging toe. Vanwege de hoge materiaalkosten en bijbehorende hoge investeringskosten moesten
materiaalalternatieven gezocht worden. Deze materialen moeten voldoen aan de eisen die gesteld worden aan het gebruik op hoge temperatuur. Bovendien moest er een uitvoering bedacht worden die een flexibelere hoogteverdeling mogelijk maakt dan in de huidige situatie.
Als beste alternatief voor Molybdeen is de keramieksoort Al2O3 naar voren gekomen. Dit is
uitstekende bestand tegen de omstandigheden waarin de productdragers moeten functioneren en kan bovendien 2 gevraagde functies combineren; als 1e als direct oplegmateriaal voor de producten en als 2e voor bouwdeel van de stapel. Keramiek is bovendien goedkoper dan Molybdeen.
Van de 2 uitvoeringen die als beste uit de uitvoeringsprincipevergelijking kwamen, en ook in de praktijk getest zijn, komt uitvoering 3a als beste uit de bus.
Belangrijkste redenen zijn.
Laagste investeringskosten.
Zeer goede handling tijdens opbouw. Stabiele opstelling.
Geringe vervorming tijdens gebruik.
Eenvoudig demonteerbaar bij reparatie en/of vervanging.
De investeringskosten van de keramiek oplossing zijn t.o.v de Molybdeen aanvangsituatie in 2009 teruggebracht van €435.000,- naar €103.000,-.
De investeringskosten van de keramiekoplossing zijn t.o.v de actuele Molybdeen aanbieding teruggebracht van €199.500,- naar €103.000,-.
Aanbevelingen
Hoewel het materiaal en uitvoeringsprincipe naar mijn mening voldoende zijn getest om bovenstaande conclusies te trekken, hebben niet alle testen volgens plan plaats kunnen vinden. Reden is het niet in gebruik zijn van de doorstootsinteroven.
De aanbeveling is dan ook om de vervanging van de huidige Molybdeen productdragers door de nieuwe kermische productdragers gefaseerd te laten plaatsvinden. Op het moment dat de
doorstootsinteroven weer in productie genomen wordt, worden de meest slechte exemplaren van de huidige Molybdeen productdragers vervangen door keramische productdragers. Dit komt neer op 25 stapels.
Dit biedt de volgende voordelen:
De keramische productdragers kunnen hierdoor een duurtest onder
productieomstandigheden ondergaan. Kleine wijzigingen / verbeteringen kunnen nog doorgevoerd worden.
Deze fasering zorgt voor een spreiding van de investeringskosten. Te denken valt aan splitsing in drie delen; 17% , 33%, 50% van de kosten te verdelen over een periode van 9 maanden tot een jaar.
Literatuurlijst
Producenten hoogsmeltende metalen
Plansee: www.plansee.com
Teledyne: www.teledyne.com
Producenten en leveraciers technische keramiek
Gimex: www.gimex.nl
Ceratec: www.ceratec.nl
Formatec: www.formatec.nl
Friatec: www.friatec.com
Technische gegevens materialen
Keramiek: http://www.memsnet.org/material/aluminumoxideal2o3bulk/
Keramiek: James F. Shackelford, William Alexander,
CRC Materials Science and Engineering Handbook ISBN: 9780849326967
