Draadvonken slimmer dankzij AI

Besturingstechnologie verbetert draadvonkproces

De innovaties bij het draadvonken zitten tegenwoordig vooral in zaken die niet direct zichtbaar zijn, maar wel een grote invloed hebben op het eindresultaat, de bediening van de machine én aanvullende eisen die hightech bedrijven stellen. Het gaat ook hier om meer dan de machinetechnologie alleen.

Artificiële intelligentie

Ook – of misschien wel juist – bij erodeertechnologie beginnen fabrikanten steeds meer artificiële intelligentie (AI) toe te passen. Eigenlijk doen ze dit al langer, maar tegenwoordig wordt nadrukkelijker de link gelegd tussen bepaalde nieuwe functies en die kunstmatige intelligentie.

Dat gebeurt bijvoorbeeld bij de nieuwste software die, in combinatie met sensoren, het proces beter bewaken en data genereren voor een beter inzicht in het draad- of zinkvonkproces. Dit alles met het doel om het proces laagdrempeliger te maken, ook voor de minder ervaren vakman, en om de gebruiker gereedschappen te geven om het proces te analyseren en zo tot hogere prestaties te komen.

Sneller optimale resultaten halen

Artificiële Intelligentie wordt ook ingezet om het vonkproces zelf te verbeteren, bijvoorbeeld als men met speciale draden snijdt, of om de snijparameters adaptief aan te passen. Men verkleint zo het risico op draadbreuk; het proces wordt effectiever en men kan het verbruik van draad verminderen. 

De besturing leert als het ware van elke snede en kan zo veel beter bepalen waar de grenzen van het proces liggen. Oftewel: bij welke instellingen wordt de kans op draadbreuk zo groot dat het een reëel risico vormt?

Door het toepassen van machine learning en bijhorende algoritmes, leert de besturing van de bewerkingen die op de machine worden uitgevoerd, in verschillende materialen. Na verloop van tijd zullen de algoritmes steeds beter in staat zijn om in een vroeg stadium de optimale instellingen te kiezen. 

Men komt zo sneller tot een goed eindresultaat, zonder veel trial and error. Hogere vormnauwkeurigheden en lagere oppervlakteruwheden kunnen sneller behaald worden, met minder ervaring. Naast het verhogen van de efficiëntie en kwaliteit, verlagen de fabrikanten met deze oplossingen de drempel om te gaan draadvonken.

Moeilijke materialen en ultrasone ondersteuning

Draadvonken heeft er lange tijd over gedaan om geaccepteerd te worden als productietechnologie voor kritische onderdelen in de luchtvaartindustrie. Dat had alles te maken met de witte laag die op het werkstuk ontstaat door de snelle opwarming en afkoeling. Met hun nieuwe generatie generatoren hebben de fabrikanten dit probleem wel onder controle, maar wereldwijd onderzoeken wetenschappers nog steeds hoe het bewerken van lastige materialen verbeterd kan worden.

Een van deze materialen is wolfraamcarbide (hardmetaal). Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat ultrasone ondersteuning een positief effect kan hebben op de Material Removal Rate (MRR) én de oppervlaktekwaliteit. Wanneer trillingen worden toegepast op het micro-WEDM proces (Wire Electrical Discharge Machining), zijn de ontladingen effectiever met minder kortsluitingen. De voedingssnelheid kan bovendien constant blijven.

Ultrasone trillingen kunnen een positief effect hebben op de 'Material Removal Rate' en de oppervlaktekwaliteit bij het bewerken van lastige materialen zoals hardmetaal

Sommige onderzoekers laten het werkstuk ultrasoon trillen, andere doen dat met de draad (het gereedschap). Dit laatste hebben ook onderzoekers aan een Thaise universiteit gedaan. Ze hebben recent resultaten gepubliceerd over draadvonken met een zink gecoate messingdraad, met ultrasone ondersteuning. De ultrasone unit werkt met een frequentie van 40 kHz. De hoeveelheid materiaal (wolfraamcarbide) die hiermee weggehaald kon worden, is 18 mm³/min, vergeleken met 14 mm³/min zonder de ultrasone ondersteuning.

De onderzoekers schrijven deze productiviteitsverbetering toe aan twee factoren. Door de ultrasone trillingen wordt het oppervlak van het werkstuk afgebroken waardoor de elektrische ontlading het materiaal makkelijker kan weghalen. De tweede reden is dat de ultrasone trillingen ervoor zorgen dat de snelheid van de thermische verwijdering van de buitenste laag verhoogd wordt.

Dunnere witte laag

Een ander belangrijk voordeel is dat de zogenaamde witte laag die normaal ontstaat door het snelle afkoelen van het oppervlak aanzienlijk dunner is als men draadvonkt met ultrasone ondersteuning. De thermische schade aan het werkstuk is geringer.

De onderzoekers waarschuwen er wel voor dat onder de zogenaamde witte laag scheurtjes kunnen ontstaan als gevolg van een thermische schok. Ze geven aan dat dit nieuwe sensoren en besturingsalgoritmen zal vergen om het gecombineerde proces stabiel te krijgen.

Nieuwe draadtypen

Niet alleen aan de machinekant ontwikkelt draadvonken zich verder. Ook in de samenstelling van de draad vinden er innovaties plaats. Eén hiervan komt uit Nederland en is sterk gedreven door de hoogtechnologische supply chain in de halfgeleiderindustrie.

De zink- en koperdeeltjes die in gecoate messingdraad zitten, zijn niet in elke sector gewenst. In de halfgeleiderindustrie kan dit bij hoogvacuümcomponenten, waaraan de hoogste reinheidseisen worden gesteld, een probleem opleveren. Ook in medische toepassingen kan dit voor moeilijkheden zorgen. Deze deeltjes blijven in het oppervlak achter en kunnen in de uiteindelijke toepassing voor problemen zorgen.

Stabiel vonken met molybdeen- of wolfraamdraad is een oplossing, maar daar hangt een prijskaartje aan. Deze draden zijn kostbaar (tot 20 keer duurder dan gecoate messingdraad), breken snel en snijden langzaam. De productiviteit lijdt eronder.

Het gebruik van een nieuw type draad met messing kern, daarrond een laag koper-zink en dan een beschermlaag van nikkel resulteert in de hoogste reinheidseisen in de markt van hoogwaardige componenten

Een nieuwe oplossing die door enkele Nederlandse partijen samen met een Duitse draadfabrikant is ontwikkeld, is het snijden met een nieuw type draad met een messing kern, daarrond een laag koper-zink en dan een beschermlaag van nikkel.

Het aandeel koper en zink dat na het snijden achterblijft (0,2% WT) ligt op een verwaarloosbaar laag niveau, vergelijkbaar met de hoeveelheid die in het diëlektricum aanwezig is. Weliswaar kunnen er koperdeeltjes achterblijven na de eerste snede, bij de tweede snede worden dit verwijderd. En aangezien het hier om hoogwaardige componenten gaat, zijn meerdere snedes eigenlijk altijd nodig.

De snijsnelheid ligt eveneens veel hoger. Testen die in Nederland zijn gedaan, wijzen uit dat men met de nieuwe draad de hoogste reinheidseisen in de markt haalt, zonder dat aan de proceskant concessies moeten worden gedaan wat betreft stabiliteit en productiviteit.

   

  

Wordt duurzaamheid een thema?
Ook de fabrikanten van draadvonkmachines passen in hun nieuwe modellen verschillende energiebesparingsmogelijkheden toe. Duurzaamheid wordt stilaan een thema.

Wat eveneens bijdraagt aan duurzaamheid, is het hergebruik van de draad waarmee al een keer is gevonkt. Sommige fabrikanten hebben net als fabrikanten van hardmetalen gereedschappen een retourprogramma opgezet. Ze halen de gebruikte draad bij hun klanten op - die hier een vergoeding voor krijgen - en verwerken deze weer als grondstof in de productie van nieuwe draad. Zo schuiven ze op richting een circulaire economie. Het kwaliteitsniveau van de draad voldoet aan de ISO-normen.

Een Zwitserse fabrikant is in Italië, Zwitserland en Oostenrijk een programma gestart om heel oude machines te recupereren en de grondstoffen die er in zitten terug te winnen. Het gaar daarbij gemiddeld over 400 gram koper, 170 gram koolstofstaal en 200 kilogram aan elektronica onderdelen. Bedrijven die hun oude machine retour sturen, krijgen een certificaat dat aangeeft hoeveel afval en CO₂-emissie ze bespaard hebben.