- Cleanliness kan belemmering voor AM zijn
- VDL ETG integreert 10 meter koelkanaal in wafer table dankzij AM
- Wanneer loont additive manufacturing?
ASML wil in de toekomst naar een productie gaan van 400 wafers per uur, vergeleken met 150 nu. Dit betekent dat de cyclustijd omlaag moet. VDL ETG heeft hiervoor een nieuwe wafer table ontwikkeld die het produceert met additive manufacturing. Dat is niet het enige ASML-onderdeel dat op de Precisiebeurs gepresenteerd werd.
Je zou het bijna een AM-masterclass kunnen noemen. De tweede dag van de Precisiebeurs presenteerden KMWE Precision, VDL ETG en NTS hun ervaringen en AM-projecten die ze tot nog toe gerealiseerd hebben, afgesloten met de toepassing van de technologie bij Philips Medical. Bart de Vries, lead engineer bij NTS, nam meteen een aantal punten van zorg weg. AM-onderdelen zijn sterk genoeg, ze zijn lekdicht (aangetoond met een heliumtest) zelfs als je dunwandig print en de herhaalnauwkeurigheid in de AM-productie is goed; de nauwkeurigheid zelf die NTS haalt is 0,05 mm.
ASML wil naar 400 wafers per uur, additive manufacturing helpt daarbij
Waferstage koelcircuit
Indirect beaamden dat ook de twee andere hightech bedrijven met hun toepassingen. Rob van Loon, AM engineer bij KMWE Precision, ging onder meer in op een onderdeel dat momenteel al voor ASML 3D wordt geprint. Het gaat om het entry- en exitstuk voor het koelcircuit van een waferstage module. Het onderdeel heeft een complexe vorm, onvermijdelijk vanwege de zeer geringe inbouwruimte. Additive manufacturing leek de meest aangewezen productietechniek. Het project heeft, aldus Rob van Loon, wel de nodige uitdagingen opgeleverd. Bijvoorbeeld hoe reinig je het inwendige kanaal. “Dat moet ultraclean zijn.” Tijdens de productie van het onderdeel komen er al verschillende vloeistoffen in, denk maar aan de koelsmeermiddelen tijdens het CNC-frezen van bepaalde vlakken. Resten hiervan moet je volledig verwijderen zonder de wanden te beschadigen. Het opspannen van het stuk voor de nabewerking was een ander probleem, omdat er geen enkel vlak aan het product zit. Met een CT scan is het onderdeel uiteindelijk gecontroleerd. Ook bij andere onderdelen die KMWE Precision 3D print, volstaat de CMM niet meer. Om diep in het onderdeel te kunnen meten, is Computertomografie nodig. KMWE heeft het onderdeel zover ontwikkeld voor additive manufacturing, dat het produceerbaar is én de prestaties verbeterd zijn door specifiek de mogelijkheden van de technologie te benutten. In het voorjaar neemt de toeleverancier een SLM 280 AM-systeem van SLM Solutions in gebruik voor de serieproductie van dit onderdeel.
Meer waferproductie
VDL ETG presenteerde tijdens de Precisiebeurs een voor AM geoptimaliseerd concept voor de wafer table. De temperatuur hiervan moet binnen enkele milligraden Kelvin constant blijven. Een andere eis is een vlakheid van 10 µm (over een diameter van 300 mm) en een zo laag mogelijk gewicht. Het huidige model, dat uit samengestelde onderdelen bestaat, heeft een levensduur van 7 tot 10 jaar. “Maar gaat soms eerder lekken door corrosie”, aldus Kevin Raedts, design engineer. Additive manufacturing zou dit kunnen voorkomen, was het uitgangspunt, omdat de koelkanalen geïntegreerd worden in het product dat als één geheel wordt geprint. Dat blijkt ook in de praktijk zo te zijn, wijzen de testen met een prototype uit. Met diamantfrezen is een vlakheid van het 3D geprinte onderdeel gehaald van 4 µm met een Ra waarde van 0,1 µm. Het belangrijkste is echter dat in het product zo’n 10 meter koelkanaal is geïntegreerd, iets wat alleen met additive manufacturing mogelijk is. In het bestaande model komt men niet verder dan 4 meter. Omdat een CT scan onvoldoende zekerheid bood, heeft VDL ETG het onderdeel aan een heatcycle test onderworpen, gevolgd door een druktest. “Omdat we zeker wilden zijn dat er geen porositeit was ontstaan waardoor het onderdeel zou kunnen gaan zweten”, aldus Kevin Raedts. Daarna is nog een helium lektest gedaan. Het product is volledig dicht.
Wanneer loont AM en wanneer niet? Bart de Vries van NTS presenteerde een kostenmodel, waarmee fijnmechanische bedrijven kunnen nagaan of het zin heeft een onderdeel additief te maken of beter subtractief. In de praktijk zijn er veel meer factoren op de kostprijs van invloed en kunnen er ook andere redenen zijn om te gaan 3D printen. Je hebt als engineer overigens zelf invloed op de kosten: 60 tot 90 procent van de kosten komen van het volume van het onderdeel. Hoe kleiner, hoe goedkoper te 3D printen. Maar hoe selecteer je de juiste onderdelen voor AM? Een vuistregel is hoe méér materiaal je moet verspanen, des te interessanter additive manufacturing kan zijn. Verspaan je meer dan 75%, dan loont het zeker de moeite verder te kijken. Uiteraard telt mee of je aluminium of titanium verspaant. Zit je Material Removal Rate onder de 50%, dan zullen de voordelen van AM elders vandaan moeten komen. En dat kan heel goed, meent De Vries. Hoe complexer het onderdeel, hoe meer voordeel AM biedt. Integratie van functies kan een aanleiding zijn; of kortere doorlooptijden. Hij vindt complexiteit een goede parameter omdat je deze analytisch kunt benaderen. NTS heeft de potenties van de onderdelen die het maakt, berekend om high potentials en low potentials van elkaar te scheiden. Twee laatste tips van de NTS engineer: “Wees niet bang om te printen, de materiaaleigenschappen zijn goed. En weet dat simpele onderdelen niet interessant zijn.”
Cleanliness kan belemmering zijn
Cleanliness speelde bij dit onderdeel minder een rol omdat het een gesloten systeem is. “In de praktijk is cleanliness bij additive manufacturing wel een punt”, zegt Kevin Raedts. “Vaak is dat het struikelblok voor een applicatie in de semiconductor industrie.” Hoewel het de nodige voeten in de aarde heeft gehad, kan VDL ETG AM-onderdelen inmiddels volgens Grade 2 gereinigd aanleveren. Met het voor AM geoptimaliseerd onderdeel kan ASML de cyclustijd verkorten tot 1,5 seconden. Voldoende om naar 400 wafers per uur te gaan. “Dit is echt een goede applicatie voor de toekomst”, aldus de VDL ETG engineer.
Met het voor AM geoptimaliseerd onderdeel kan ASML de cyclustijd verkorten tot 1,5 seconden.
Kostprijs van AM-onderdelen
Additive manufacturing biedt dus veel potentieel voor de halfgeleiderindustrie, maar ook voor lucht- en ruimtevaart zoals Rob van Loon en Kevin Raedts aan de hand van andere voorbeelden lieten zien. VDL ETG heeft bijvoorbeeld een module voor het uitlijnen van lasers volledig geredesigned die compacter is en als één geheel wordt geprint, inclusief bladveren die meegeprint worden. KMWE heeft een onderdeel voor de ruimtevaart herontworpen voor AM in opdracht van Airbus Defense and Space. Van 100 losse componenten is men naar 1 gegaan, wat nog extra bespaart omdat de assemblage vroeger in een cleanroom gebeurde. KMWE heeft het onderdeel nabewerkt met zinkvonken. Rob van Loon vindt dat je absoluut de kennis moet hebben van de nabewerkingsprocessen om tot een goed ontwerp te komen. Om de sterkte van de module te controleren, is het aan krachten tot 76G onderworpen. Zelfs de 0,2 mm dunne wanden waren volledig intact.
