Droneonderdelen van prototype tot serie, met het juiste proces voor elk onderdeel

Hydroforce bewerkt de eerste droneonderdelen uit massief metaal en laat elk onderdeel daarna overgaan op het proces dat bij zijn serie past: drukgieten van aluminium voor behuizingen met koelribben, poedermetallurgie en MIM voor tandwielen en klinken, CNC-bewerking voor constructieonderdelen. Eén werkplaats, één kwaliteitsplan en één set documenten, van het eerste prototype tot de seriepartij.

Een droneprogramma doorloopt twee zeer verschillende fasen. Zolang het casco wordt ontwikkeld, veranderen de onderdelen na elke testvlucht en wil niemand betalen voor een matrijs die volgende maand wordt afgedankt. Zodra het ontwerp vastligt en de eerste serie is besteld, draait de vraag zich om: welke onderdelen zijn het nog waard om uit een massief blok te verspanen, en welke moeten worden gegoten of geperst, zodat het duizendste stuk minder kost en overeenkomt met het eerste.

Wij verzorgen verspanen, drukgieten en poedermetallurgie in dezelfde werkplaats. Een bouwer van multirotordrones, landbouwdrones, drones met vaste vleugel, grondrobots of maritieme drones kan dus bij ons beginnen met het prototype en voor de serie blijven. Dit artikel legt uit hoe die overgang per onderdeel wordt gepland.

Fase 1: prototypen machinaal bewerkt uit massief materiaal

Een machinaal bewerkt prototype heeft geen eigen gereedschap nodig, zoals een matrijs. Als het ontwerp verandert, verandert het CAD-model en komt het volgende onderdeel met de nieuwe geometrie van de machine. Voor vroege casco’s is dat het doorslaggevende argument.

• Materialen: aluminiumlegeringen uit de 6xxx- en 7xxx-serie voor armen met een geïntegreerde motorzitting, middenplaten, motorsteunen, klapscharnieren voor de armen en beugels; titanium en roestvast staal 1.4301/304 en 1.4404/316 voor assen, maritieme behuizingen en onderdelen in zout water.
• Nauwkeurigheid: ±0,05 mm en passingen IT6–IT7 op boringen en bevestigingsvlakken, met geometrische toleranties volgens ISO 2768-fH, ISO 286 en ISO 1101.
• Machines: Haas-centra voor CNC-frezen met een werkbereik van 1.270 x 660 x 635 mm en DMG MORI-draaimachines tot Ø500 mm en 1.000 mm lengte.
• Controle: het eerste stuk wordt gemeten op de Zeiss CMM en het daarop gevalideerde programma wordt hergebruikt voor de volgende onderdelen.
• Afwerking: anodiseren of poedercoaten volgens de specificatie, zodat een prototype kan worden gevlogen en getest in dezelfde afwerking als de serie zal hebben.

Eén punt kan het best al in deze fase worden geregeld. Als een behuizing later wordt gemaakt met drukgieten, moet het bewerkte prototype al de ontvormhellingen, wanddiktes en afrondingsstralen van het gietstuk hebben. Testresultaten van een prototype met scherphoekige uitsparingen en dikke wanden gelden niet voor een dunwandige gegoten behuizing. Wij beoordelen de tekening op het serieproces terwijl het prototype wordt gemaakt, zodat de vliegtesten worden uitgevoerd op de geometrie die in productie gaat.

Tandwieltrappen voor servoactuatoren, spuitpompen en lieren worden voor het prototype gefreesd en geslepen volgens ISO 1328. Een belaste trap vraagt meestal kwaliteitsklasse 7. Hetzelfde tandwiel kan later worden geperst en gesinterd, maar pas wanneer module, breedte en profiel definitief zijn.

Fase 2: voor elk onderdeel een serieproces

Als het ontwerp vastligt, wordt elk onderdeel afzonderlijk bekeken. De tabel toont de gebruikelijke routes voor een drone of een grondrobot. De laatste kolom is even belangrijk als de andere: een gegoten of gesinterd onderdeel heeft nog steeds oppervlakken die machinaal worden nabewerkt.

Constructieonderdelen blijven in serie vaak bewerkt. Een motorsteun draagt stuwkracht en trillingen, is klein, en machinaal bewerkt en geanodiseerd 7xxx-aluminium is daarvoor het juiste materiaal. In serie verspanen wij deze onderdelen in partijen van identieke stuks op één opspanning en met één CMM-programma, waardoor de stuksprijs daalt zonder dat het onderdeel verandert.

Grondrobots met een giek of een blad vormen de uitzondering op het hele schema. Hun hydraulische cilinders worden op bestelling gemaakt, vanaf één stuk. De prototypecilinder en de seriecilinder volgen dus dezelfde route, met dezelfde drukproef op 1,5 keer de werkdruk.

Drukgieten voor behuizingen: wat verandert er in serie

Een behuizing met koelribben is het onderdeel dat het meest profiteert van de overstap naar drukgieten. Koelribben uit een massieve plaat frezen kost per behuizing vele minuten en maakt van het grootste deel van de plaat spanen. Op onze pers duurt een productiecyclus 30 seconden tot 2 minuten, afhankelijk van de afmetingen van het onderdeel, en worden de ribben, bevestigingsnokken en kabeldoorvoeren in hetzelfde schot met de behuizing gevormd.

• Wanden en gewicht: dunwandige delen van 0,5 tot 1,5 mm, met ribben op de plaatsen waar de behuizing stijfheid nodig heeft.
• Nauwkeurigheid: ±0,1 tot 0,3 mm in gegoten toestand, oppervlakteruwheid Ra 1,6 tot 6,3 µm.
• Warmte: aluminiumlegeringen geleiden warmte met 90 tot 160 W/m·K, zodat de behuizing zelf de warmte van de vermogenselektronica afvoert.
• Gereedschap: matrijzen worden in onze eigen gereedschapmakerij vervaardigd uit staal H13 of P20 en beproefd op een productiepers voordat het eerste exemplaar wordt goedgekeurd.
• Afgedichte of warmtebehandelde behuizingen: vacuümondersteund drukgieten wanneer een behuizing bij een pakkingvlak een afdichting moet houden of tot T6 moet worden oplosgegloeid. Zones die gevoelig zijn voor porositeit worden met röntgenonderzoek gecontroleerd.
• Afwerking: CNC-bewerking van pasvlakken, boringen, schroefdraad en afdichtingsgroeven, daarna poedercoaten, kathodisch dompellakken, chromateren of anodiseren volgens de specificatie.

Voor kleine onderdelen met zeer dunne doorsneden en fijn detail worden zinklegeringen gegoten op warmkamermachines. Magnesium kan voor een specifiek onderdeel worden besproken.

Gesinterde en MIM-onderdelen: tandwielen, klinken en kleine hendels

Tandwielen voor spuitpompen, lieren en servoaandrijvingen vormen de tweede groep die in serie van proces verandert. Een geperst en gesinterd tandwiel krijgt zijn tandprofiel van de matrijs, zodat elk tandwiel uit één gereedschap dezelfde geometrie heeft.

• Poedermetallurgie (PM): verdichting tot 800 MPa, einddichtheid tot 97%, tolerantie ±0,05 mm na het sinteren en nauwer na het kalibreren. Al het poeder komt in het onderdeel terecht, zodat tot 30% minder materiaal wordt gebruikt dan wanneer hetzelfde tandwiel uit staafmateriaal wordt gefreesd. De resterende porositeit dempt trillingen en laat het tandwiel stiller lopen.
• Metaalpoederspuitgieten (MIM): voor kleine onderdelen van minder dan ongeveer vijftig gram met dwarsgaten, uitsparingen en ondersnijdingen, zoals klapscharnieren, vergrendelhaken, vergrendelnokken, microtandwielen en gimbalbeugels. Als staalsoorten komen 17-4 PH en 316L in aanmerking, wanddiktes vanaf 0,3 mm en toleranties tot ±0,02 mm. Een schot duurt 15 tot 45 seconden.

Sinteren loont vanaf duizenden stuks, omdat er een pers- of MIM-gereedschap voor nodig is. Bij kleinere aantallen blijft het tandwiel gefreesd. Veel aandrijvingen combineren beide routes: gesinterde tandwielen voor de snelle, licht belaste trappen en een bewerkt tandwiel voor de belaste uitgaande trap, alles van één leverancier en onder één kwaliteitssysteem.

De warmtebehandeling volgt de tekening: doorharden en ontlaten, carboneren (inzetharden) of nitreren, en oplosgloeien en verouderen voor 17-4 PH. Boringen en lagerzittingen die een nauwere passing vragen, worden na het sinteren gekalibreerd of bewerkt.

Hoe de overgang naar een ander proces wordt beheerst

De overstap van een onderdeel van de freesmachine naar een matrijs of een persgereedschap is het moment waarop een serie fout kan gaan. Wij plannen die overstap op dezelfde manier voor elk onderdeel dat eigen gereedschap krijgt.

1. Tekeningbeoordeling vóór de bouw van het gereedschap. Ontvormhellingen, scheidingslijn, posities van ingietpunt en overloop, en de bewerkingstoeslag worden vastgelegd voordat de matrijs wordt gemaakt. De lagerboringen en afdichtvlakken worden aangemerkt als zones waar porositeit niet wordt geaccepteerd. Bij een MIM-onderdeel omvat de beoordeling ook een gelijkmatige wanddikte, referenties voor de scharnier- en bevestigingsgaten, grote vlakke delen die tijdens het sinteren kunnen kromtrekken, en een aanspuitpunt op afstand van functionele oppervlakken; de matrijsholte wordt ongeveer 1,18 keer zo groot als het eindonderdeel gemaakt om rekening te houden met krimp.
2. Gereedschapsproef en eerste exemplaar. De eerste schoten of eerste perslingen worden volledig gemeten, elke maat op de tekening, en vergeleken met het CAD-model en met het goedgekeurde prototype.
3. Controleplan. Kritieke kenmerken en controlefrequenties worden vastgelegd voordat de serie wordt vrijgegeven. Op verzoek delen wij het plan en spreken wij beproevingen in aanwezigheid van de klant of keuring door een derde partij af.
4. Dezelfde basis voor herhaalorders. Gereedschapstekeningen, procesparameters en sinterprogramma’s worden bewaard, zodat een herhaalorder wordt gemaakt volgens dezelfde basis als het eerste exemplaar.

De documenten veranderen niet met de hoeveelheid. Een prototype en een seriepartij worden geleverd met hetzelfde materiaalcertificaat, hetzelfde maatrapport en dezelfde coatingregistratie.

Wat wij van u nodig hebben

Om beide fasen in één keer te offreren, hebben wij nodig:

• het 3D-model of de tekening van elk onderdeel, met materiaal en afwerking;
• de prototypehoeveelheid en de verwachte jaarlijkse seriehoeveelheid;
• de oppervlakken die belasting dragen, afdichten of andere onderdelen positioneren;
• de omgeving waarin de drone werkt: stof, spuitchemicaliën, zout water of temperatuurbereik.

Wij antwoorden met de prijs van het machinaal bewerkte prototype, een aanbevolen serieroute voor elk onderdeel en de prijs van het gereedschap en de stuksprijs voor die route. Stuur uw bestanden naar office@hydroforce.ee of gebruik de contactpagina.

Gerelateerde artikelen: drukgegoten aluminium behuizingen voor ledverlichting, gesinterde tandwielen met poedermetallurgie en MIM, kwaliteitsplanning per technologie. Technologiepagina’s: CNC-bewerking, drukgieten, poedermetallurgie en MIM, hydraulische cilinders. Sectorpagina: Drones en onbemande systemen.