Een matrijs uit duizenden

Instelbare matrijs/ Jim Heirbaut
Foto/ Bart van Overbeeke

Matrijzen voor het vervormen van metaalplaat zijn duur. Voor kleine productseries meestal té duur. Werktuigbouwkundige ir. Sebastiaan Boers ontwierp een matrijs die binnen vijf minuten van vorm kan veranderen. Daarbij liet de promovendus zich inspireren door een 75 jaar oude uitvinding van een Duitse arts voor het maken van steunzolen. Op maandag 18 december hoopt Boers te promoveren.

Wie kent ze niet uit de speelgoedwinkel? Onder een raam van plexiglas zit een oppervlak dat bestaat uit honderden metalen pinnetjes. Deze zitten zo dicht op elkaar dat ze alleen nog maar in de lengterichting kunnen bewegen. Druk er van onderaf je hand in en een metalen kopie van je handpalm verschijnt in de oprijzende pinnetjes.
Prachtig, maar slechts weinigen zullen bij dit stuk speelgoed denken aan een praktische toepassing. Ir. Sebastiaan Boers van de groep Materials Technology van de faculteit Werktuigbouwkunde deed dat wel. Hij maakte samen met de Gemeenschappelijke Technische Dienst (GTD) een matrijs (of mal, red.) -bestaande uit honderden pinnetjes- die in praktisch elke mogelijke vorm instelbaar is. Door vervolgens een stuk plaatmateriaal in de ontstane vorm te persen, vormt zich een afdruk van de matrijs in de plaat. De vormen die hierin gemaakt kunnen worden, zijn maximaal 40 bij 50 bij 25 millimeter groot.


Het bekende speelgoed waarvan Boers’ instelbare matrijs veel weg heeft.

Het grote voordeel van een instelbare matrijs is de flexibiliteit. Voor kleine aantallen producten of prototypes is een normale, vaste matrijs veel te duur. Het kost al gauw duizenden euro’s om te maken. Dat komt niet alleen doordat matrijzen vaak zijn gemaakt van speciale soorten staal, het is vooral het arbeidsloon dat de kosten opvoert. Het maken ervan duurt lang, want de vaak complexe vormen moeten zeer nauwkeurig worden uitgefreesd. Dat gaat vaak in meerdere stappen, van grof naar fijn. De matrijs van Boers is weliswaar nog duurder, maar kan wel steeds opnieuw worden gebruikt. Het is er in feite niet één, maar oneindig veel verschillende matrijzen. Bij uitstek geschikt voor gepersonificeerde producten, prototypes, kleine series of enkel-stuks producten. De matrijs kan worden gebruikt voor staal of aluminium plaat, maar zou ook als onderdeel in een spuitgietmatrijs voor polymeren gebruikt kunnen worden of zelfs als gietmal voor kunststof.

Steunzolen


Het belangrijkste gedeelte van de instelbare matrijs: de 1846 pinnen.

Maar Boers was niet de eerste met dit idee. Al in de jaren dertig van de vorige eeuw was er in Duitsland een arts die het principe had bedacht voor het maken van steunzolen. Boers: “Hij heeft het gepatenteerd, maar voor zover ik weet, heeft hij er nooit een werkend apparaat van gemaakt.” En ook tegenwoordig wordt het principe van de instelbare matrijs industrieel gebruikt. Maar dan wel op een veel grotere schaal dan waar Boers op mikt. De Amerikaanse vliegtuigbouwer Northrop Grumman Corp. gebruikt een dergelijk apparaat om aluminium plaatmateriaal te vormen voor straaljagers. “Daarvoor is zo’n matrijs bij uitstek interessant, want daar gaat het om kleine series, waarvoor het ondoenlijk is steeds een nieuwe matrijs te maken. Komt bij dat je de productietijd hiermee behoorlijk verkort. Dat vinden vliegtuigbouwers ook enorm interessant”, aldus Boers.

Bij deze matrijs wordt elke pin nog aangestuurd door een elektromotor. “Daar is op die schaal nog plaats voor, maar het zorgt er wel voor dat die mal een paar miljoen kost. Met pinnetjes van een millimeter doorsnede moest ik op zoek naar een andere methode om de pinnen te positioneren.” En dat loste Boers op door een verrassend eenvoudig karretje te ontwerpen dat langs de achterzijde van de pinnen rijdt en ze stuk voor stuk een duwtje geeft. En dat steeds precies ver genoeg. “Het gaat al behoorlijk nauwkeurig en snel, maar in beiden zit nog ruimte voor verbetering. Dat is alleen een kwestie van geld”, aldus Boers, die voor de instelbare matrijs een octrooiaanvraag heeft lopen.
Het is een fascinerend gezicht de metalen staafjes schijnbaar uit zichzelf naar hun plek te zien schuiven. Boers stelt wat zaken in op de computer en drukt op de knop ‘Start’. Dan schuiven de eerste pinnen met een nauwkeurigheid van een tiende millimeter naar hun plek. Na verloop van tijd ontstaat de gewenste vorm. Na zo’n vijf minuten staan alle ruim achttienhonderd pinnen op hun plek en is de vorm vervolmaakt. Alle pinnen worden met een hydraulische pomp tegen elkaar gedrukt, zodat ze netjes op hun plek blijven. Dan is de instelbare matrijs klaar voor gebruik.
Nu kan de te vervormen plaat ertussen. Een dikke plak rubber perst de plaat in de vorm die de flexibele matrijs heeft aangenomen. Boers: “Het rubber dient ter vervanging van een eventuele bovenhelft van de matrijs. Die zou het zaakje gelijk weer een stuk duurder maken. Het rubber is niet samendrukbaar en zorgt er dus voor dat de plaat precies in de juist vorm wordt geperst.” Om ervoor te zorgen dat in de plaat geen afdruk van de pinnetjes terechtkomt, ligt onder de plaat nog een dun rubber vlies, dat de krachten wat verdeelt. Daarbij geldt: hoe dikker deze laag, hoe gladder het oppervlak. Maar ook: hoe kleiner het detail dat je kunt maken. “Net als bij de prinses op de erwt”, zegt Boers met een lach.


Schematische weergave van het principe van de matrijs. Het rubber perst de plaat in de vorm van de matrijs.

Model
Het tweede deel van Boers’ promotie bestond uit meer fundamenteel onderzoek naar het vervormen van plaatmateriaal, waarbij het apparaat als ‘research tool’ diende. Doel was het opstellen van een model dat voorspelt hoe plaatmateriaal zich gedraagt wanneer het wordt vervormd. Omdat vervorming automatisch rek met zich meebrengt, zit er trouwens een grens aan het vervormen van plaatmateriaal. Ga je over die grens heen, dan kan het materiaal gaan scheuren.
Het computermodel van Boers heeft als bijzondere eigenschap dat het de deformatiegeschiedenis van een bepaald type staal kan beschrijven. “Wanneer je bijvoorbeeld een metaalplaatje buigt en vervolgens weer in de oude toestand terugbuigt, dan is dat stuk plaat niet meer hetzelfde, hoewel dat van de buitenkant gezien wel zo lijkt. Binnenin is het materiaal veranderd, doordat kristalgrenzen zijn gaan schuiven”, legt Boers uit.
“Een van mijn stellingen heeft hiermee te maken: ‘Vele wegen leiden naar Rome waarbij de optimale route afhankelijk is van oneindig veel factoren en persoonlijke smaak’. De kortste route is soms fysiek/ technisch onmogelijk terwijl de snelste route vaak het minst interessant is. Metalen zijn wat dat betreft net als mensen, de afgelegde route bepaalt de interne spanning op de eindbestemming. De interne spanningen in een metaal bepalen uiteindelijk de sterkte en bijvoorbeeld de levensduur van een product.”
De truc is nu dat het model de ideale route kan voorspellen om een bepaalde vorm uit plaatmateriaal te maken. Door verschillende tussenstappen te kiezen bij het vervormen, kan zo zelfs worden voorkomen dat breuk optreedt. De parameters in het model bepaalde Boers onder andere door het uitvoeren van eenvoudige buigproeven. Om het model te checken, stelde hij een flink aantal verschillende routes op voor het vervaardigen van een simpele proef-geometrie. Elke route kwam via verschillende tussenstappen uiteindelijk bij hetzelfde eindresultaat uit. Het gecheckte model kan dienen om de beste route te voorspellen voor het vervormen van een stuk plaatmateriaal. Dus zonder scheurvorming en met een optimaal eindresultaat.


Door een tussenstap in te bouwen (links) is een bepaalde vorm wel maakbaar, terwijl de directe benadering (rechts) tot breuk leidt.

Al tijdens Boers’ promotie toonden bedrijven belangstelling voor zijn vinding. Reden voor hem om een bedrijfje te beginnen: Optimal Forming Solutions. Met deze eenmanszaak is hij op zoek naar bedrijven om samen een project rond de matrijs op te zetten. Boers: “Ik weet zeker dat de matrijs bestaande productieprocessen zou kunnen vervangen. Maar ook is het de bedoeling voor een bedrijf een werkend prototype te bouwen. Deze tweede versie doet het prima in het lab en we hebben ermee kunnen laten zien dat het principe werkt. Maar de stoffige omgeving van een fabriek, dat is een heel ander verhaal.”/.