High tech systems & materials

High Tech Systems & Materials

WAT ZIJN HET? HOE WORDEN ZE GEMAAKT? WAT ZIJN BELANGRIJKE TRENDS?

Joost Krebbekx | Hans van Toor | November 2015

3

Inhoud

1. Voorwoord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2. Wat zijn High Tech Systems? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1 Definitie van High Tech Systems & Materials . . . 72.2 Wat zijn nieuwe High Tech Systems &

Materials? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Belangrijke trends bij het gebruik van High Tech Systems & Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Van mensarme naar onbemande systemen . . . 153.2 Sensoring & Big data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3 Nieuwe producten en vormen door

3D & AMT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263.4 De opmars van Photonica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5 Duurzaamheid in gebruiksfase en

in de end-of-life fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.6 Bottom of the pyramid producten . . . . . . . . . . . . . . 313.7 High Tech Systems worden steeds

bouwblokachtiger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4. Belangrijke trends bij het produceren van High Tech Systems & Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1 Fabricagetechnologieën met precisie: de “klassieke” high tech . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.2 3D Opbrengtechnologie neemt een vlucht . . . . 404.3 Robotisering en big data (Industry 4.0) . . . . . . . 424.4 Clean room productie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5. Intereresse in meer informatie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Bijlage Innovatie Cluster Drachten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5

1. Voorwoord

Om iedereen hetzelfde startpunt te geven in een dis-cussie over het belang van High Tech industrie, met name voor de regionale en landelijke economische bedrijvigheid, biedt het Innovatie Cluster Drachten u een informatief boekje aan. In dit boekje over “High Tech Systems & Materials” (HTSM) staan verschillende voorbeelden weergegeven over de wijze waarop High Tech Systems worden toegepast en hoe deze worden gemaakt en de belangrijke trends bij de bedrijven die dagelijks hun brood verdienen met deze producten.

Het Innovatie Cluster Drachten (ICD) is de Noor-delijke invulling van een ecosysteem rondom HTSM. Met dit boekje krijgt u een mooi kijkje in de keuken bij onze ICD bedrijven. Wellicht raakt u zo geïnspi-

reerd dat we u mogen ontmoeten op één van onze open dagen. U bent dan van harte welkom.

Dit boekje is zeker niet uitputtend, want we werken voortdurend aan nieuwe innovaties. Het geeft wel een mooi overzicht van waar we nu staan.

Met plezier bieden wij u dit boekje dan ook aan en wensen u veel leesplezier en innovatieve inspiratie.

Joost KrebbekxProgramma manager Innovatie Cluster Drachten/Senior Managing Consultant Berenschot

Kor VisscherVoorzitter vereniging Innovatie Cluster Drachten

7

2. Wat zijn High Tech Systems?

2.1 DEFINITIE VAN HIGH TECH SYSTEMS & MATERIALS

Veel Nederlandse maakbedrijven maken deel uit van de hoogtechnologische maakindustrie: de topsector High Tech Systems & Materials (hierna ook wel HTSM genoemd).

Onder High Tech Systems & Materials verstaan we in algemene zin bedrijfsactiviteiten gericht op de ontwikkeling, productie en onderhoud van:

Apparaten Systemen met een specifieke functie ( vaak aangedreven door 220V), bv een scheerapparaatInstrumenten Systemen met een meet functie bv een electronenmicroscoopMachines Systemen met een fabricage functie (vaak aangedreven door 380 V) bv een freesmachineMechanisaties Systemen met een combinatie van fabricage- en meet functies.

Vaak geprogrammeerd voor 1 taak en fysiek verbondenRobots Programmeerbaar systeem dat verschillende taken uit kan voeren. bv LasrobotAutomotive Systemen die vervoer over de grond als hoofdfunctie hebben:

personenauto’s, vrachtauto’s, bussen(Aero)space Systemen die vervoer door de lucht als hoofdfunctie hebben:

passagiersvliegtuigen, fighters, transportvliegtuigenSchepen Systemen die vervoer via water als hoofdfunctie hebben:

transportschepen, jachten,werkschepen

8 HIGH TECH SYSTEMS & MATERIALS

Het gaat hierbij niet alleen om het hele systeem maar ook alle subsystemen, componenten en materialen die onderdeel uit maken van het totaal.

Karakteristieke eigenschappen van complexe, hightech systems zijn:

O intelligent (embedded systemen, software, sensoren)

O nauwkeurig (nano-elektronica, high precision manufacturing) en

O efficiënt (mechatronica, energie)

Op het voorblad van dit boekje vindt u allerlei voor-beelden van high tech systems & materials. Om deze systemen te maken zijn ook allerlei hoogwaardige materialen nodig. Iedereen kent natuurlijk staal en kunststoffen maar er zijn ook vele nieuwe mate-rialen die gebruikt worden in deze systemen zoals spuitgietbare keramiek, exotische metaallegeringen met allerlei bijzondere functies, vezel versterkte com-posieten en functionele coatings.

Wat rekenen we niet onder de definitie?

Uiteraard is techniek overal aanwezig maar worden de volgende gebieden niet onder high tech systems & materials gerekend: weg- en waterbouw, utiliteits-/woningbouw, gebouwinstallaties en installaties voor proces(achtige) industrie.

Verder worden onderdeeltoeleveranciers die in het niet-nauwkeurige bereik (> 0,01 mm) werken ook niet onder deze sector gerekend. Overigens zijn deze bedrijven over het algemeen in Nederland nauwelijks meer aanwezig. De term High Tech is ontstaan in de tijd dat er veel maakbedrijvigheid naar Oost Europa en het Verre Oosten verdween (eind 90-jaren en begin deze eeuw). Deze term was vooral bedoeld om te laten zien dat een deel van de maakindustrie echt niet onder deze trend viel en gewoon een robuuste toekomst had in deze regio en in Nederland.

9

2.2 WAT ZIJN NIEUWE HIGH TECH SYSTEMS & MATERIALS?

Typische nieuwe HTSM-voorbeelden zijn hieronder weergegeven en laten de nieuwste trends eigenlijk meteen al doorschemeren die we in het volgende hoofdstuk gaan behandelen.

Nieuwe medische instrumenten

New informatie & communicatie generaties

Nieuwe robotsystemen Nieuwe simulatoren Nieuwe onbemande systemen

Nieuwe additive Manufacturing systemen

Nieuwe auto’s Nieuwe bottom-of-the piramid producten


Het onderstreept nog eens de diversiteit van de soor-ten eindproducten die onder de categorie HTSM val-len maar vooral ook de duizelingwekkende snelheid waarmee allerlei nieuwe systemen ontstaan en waar je als bedrijf rekening mee dient te houden

Nieuwe HTSM-proposities komen voort uit behoef-ten van klanten en dus uit belangrijke lange termijn trends die de vraag naar allerlei verschillende syste-men mede vormgeven. Daarnaast zijn er nog techno-logisch trends, die komen in de hoofdstukken 2 en 3.

11

Lange termijn maatschappelijke ontwikkelingen in het politieke, sociale, ecologische en economische domein

ONTWIKKELING BESCHRIJVING KANSEN/BEDREIGINGEN

Bevolkingsgroei Groei van de wereldbevolking zal komende decennia verder toenemen. Schatting VN: meer dan 8 miljard mensen in 2050

• Wereldwijde economische groei, meer systemen

• Schaarste van grondstoffen, energie, voedsel,

Globalisering en opkomende economieën

Opkomen van BRIC-landen (Brazilië, Rusland, India, China)

• Groei van afzetmarkten wereldwijde economie, meer systemen

• Meer globale mobiliteit en communicatie, vertaalt in systemen

Duurzaamheid Toenemende aandacht voor goede verhouding van people, planet, profit

• Kansen voor duurzame producten, businessmodellen en energiezuinig

• Beperkende wetgeving en geen level playing field

Klimaatverandering Grote veranderingen in klimaat met uiteenlopende gevolgen per gebied

• Producten en diensten ter bescherming tegen zeespiegelstijging

Lokalisering Toename van lokale productie door veiligheidsissues, protectionisme en voordelen, zoals meer kennisuitwisseling en reductie van transportkosten

• Locale clusters met hun eigen klantwensen

• Rem op wereldwijde economische groei


Lange termijn maatschappelijke ontwikkelingen in het politieke, sociale, ecologische en economische domein

ONTWIKKELING BESCHRIJVING KANSEN/BEDREIGINGEN

Veiligheid/in control Meer aandacht voor veiligheid door groeiend onveiligheidsgevoelToenemende neiging om risico’s te mijden c.q. te voorkomen

• Groei van veiligheidsproducten• Toename van angst voor anderen• Veel complexe sensor-/

actuatornetwerksystemen met hoge mate van regelkringen

Verstedelijking Meer dan de helft van de wereldbevolking woont tegenwoordig in een stad

• Smart cities • Producten die deze problemen oplossen

Vergrijzing Toename van het aantal ouderen in de westerse wereld en relatieve afname van het aantal werkende mensen

• Groei in sectoren gericht op ouderen, zoals health, zorg

• Afname van de welvaart door relatief minder aantal werkzame personen

Gezondheid Toename van gezondheidsproblemen, zoals overgewicht, chronische ziekten en patiënten met meerdere aandoeningenBelang van gezondheid toegenomen

• Medische en zorgsector zullen sterk groeien. Groeiende kosten gezondheidszorg

• Toename (hightech) medische apparaten, extra skeleton systems

Beleveniseconomie, internet en entertainment

Vermaak is steeds belangrijker en groeit daardoor

• Verdere groei van systemen die mensen vermaken

• Leisure industry

Bottom of the pyramid

Nieuwe businessconcepten voor de grote groep armsten van de wereld

Nieuwe businessconcepten met kern-functieproducten

13

Veel van deze trends zorgen voor directe markt-ontwikkelingen die voor het Nederlandse HTSM-cluster, en dus ook het Innovatie Cluster Drachten, van belang zijn:

O Meer en nieuwe soorten systemen (soms ook als dienst: leasen in plaats van aanschaffen/sharing).

O Systemen die rekening houden met verschillende culturele achtergronden (andere human interfaces/apps).

O Duurzaamheid wordt belangrijker: hergebruik, minder gebruik energie en (schadelijke) materialen.

O Systemen die op afstand te bedienen en te onderhouden zijn.

O Systemen als onderdeel van een groter netwerk/systeem (via internet).

Dit heeft veel invloed op de nieuwe productfuncties (producttechnologie, hoofdstuk 3), de wijze van produceren (productietechnologie, hoofdstuk 4) en de toekomstige te gebruiken materialen (materiaal-technologie). Deze laatste trend is in dit document niet verder uitgewerkt.

15

3. Belangrijke trends bij het gebruik van High Tech Systems & Materials

Hieronder zijn een aantal trends beschreven die belangrijk zijn voor de innovatie van HTSM in de markt. Het gaat hier over ontwikkelingen in de sys-temen zelf (producttechnologie). Naast “klassieke” innovatiedrijfveren zoals nauwkeuriger, sneller en goedkoper, zijn er een aantal specifieke trends te noemen die het begin van de 21e eeuw kenmerken en dagelijks de R&D medewerkers van het Innovatie Cluster Drachten, en andere high tech bedrijven in Nederland, bezig houden.

Een kleine opsomming van deze trends, geïllustreerd met voorbeelden, is hieronder beschreven:

3.1 VAN MENSARME NAAR ONBEMANDE SYSTEMEN

Een groot deel van de high tech systems die op de markt komen hebben in zich dat ze handwerkzaam-heden vervangen of dat de bediening met steeds minder mensen af kan.


| Voorbeelden van arbeidsbesparende systemen vanuit ICD bedrijven: de Neopost CVP 500: een automatische inpaklijn voor op maat gemaakt webwinkel verzendingen die 90% van de inpakarbeid bespaard. ECM mechanisaties van Irmato. Labautomation van BD Kiestra: het antwoord op de afnemende hoeveelheid laboranten in ziekenhuizen. (Bron: Neopost, irmato en BD websites)

Het terugdringen van de factor arbeid is een klas-sieke drijfveer van de HTSM-innovatie, waar op dit moment de stap naar zelfs onbemande systemen wordt gemaakt. Vaak is de mens zelf de zwakste schakel in een systeem: bv piloten zijn vaak de oorzaak van een vliegtuigongeluk door hun foutief

handelen, of is de mens niet geschikt om in zeer extreme condities te acteren. Een onbemand high tech systeem kan hierbij een oplossing zijn. En soms neemt het systeem saaie taken van ons over zoals stofzuigen en grasmaaien!

17

| Voorbeeld van een onbemand blusvoertuig, dat kan werken onder condities waar de mens niet toe in staat is. Verder zien we onbemande (consumenten) systemen die we inmiddels al in de praktijk tegen kunnen komen zoals de robotstofzuiger van Philips CL. Mini robots zijn ideaal om metingen uit te voeren en worden van allerlei sensoren voorzien.(bron oa websites, Philips, Husqvarna, Lely)


3.2 SENSORING & BIG DATA

In steeds meer high tech systemen komen complexe functies. Deze functies komen vaak tot stand door sensoren. Er komen steeds meer soorten sensoren die van alles kunnen meten. Eigenlijk is inmid-dels elke fysische grootheid wel te meten. Sensoren worden steeds elektronischer uitgevoerd en daardoor vaak een betere signaal/ruisverhouding, kleiner en goedkoper. Naast sensoren kennen we actuatoren: samen vormen ze een regelkring in een systeem. Enkele subtrends hierbij zijn:

O Van Big data naar Smart data O Visual Intelligence O Remote sensoring & virtual intelligence O Onderdeel van een groter netwerk

en Swarm-technology O Integratie met serious gaming en virtual reality

Van Big data naar Smart data Al deze sensoren halen gegevens binnen: dit noe-men we data. Dit gaat met grote hoeveelheden MB per minuut of zelfs per seconde. Dit noemen we Big Data. De laatste trend hierbij is Exascale data en dan hebben we het over 1018 bewerkingen per seconde!! Deze data is echter nog geen informatie. Data moet dus geanalyseerd worden en verbanden moeten gelegd worden om de systemen beter te laten werken. Hier gebruiken we algoritmen voor. De kunst van het achterhalen van patronen via de juiste algo-ritmen is dus van cruciaal belang. Kortom van Big Data naar Smart Data

Het ICD heeft een gezamenlijk 2 jarig R&D project op dit onderwerp.

19

R&D Project Sensors + big data

Samen leren: van meten naar handelenSamen leren met grote en kleine bedrijven

Meten Verzamelen Analyseren Handelen

Demo 1

IrmatoBC 1

Delta InstrumentsBC 2 & 3

YPBC 7

NeopostBC 5

PhilipsBC 4

BD KiestraBC 6, 8 & 9

3D meetplatform

Farm mgt toolKoemelk-differentiatie

Cloudservices

Machineperformance

PreventiefonderhoudConfiguratie mgt

Demo 2 & 3 Demo 7 Demo 5 Demo 4 Demo 6, 8 & 9

Proactieveinteractieoperators


Visual intelligence ontwikkelt zich zeer snelEen belangrijke trend is de ontwikkeling van visuele sensoren: camera’s. Het begon allemaal simpel met aanwezigheidserkenning: of een onderdeel er wel/niet is. Met de tegenwoordige camera’s en beeldver-

werkingssoftware kan steeds meer gedaan worden: positie inspectie, kleur herkenning, gezichtsherken-ning, contour herkenning, gelaatsuitdrukkingen, nachtzicht monochroom, nachtzicht full color etc.

| Ziuz is gespecialiseerd in visual intelligence en kan grote bestanden kinderporno laten scannen op allerlei kenmerken om zo recherche te versnellen en te verlichten. Ziuz maakt ook apparatuur die 1800 verschillende pillen visueel kan herkennen zodat patiënten de juiste pillen op het juiste moment krijgen

21

Remote sensoring & connected devices (Internet of Things)Remote sensoring is het op afstand monitoren, bedienen en analyseren van systemen. Dit is van groot belang voor bedrijven die hun producten wereldwijd hebben staan en die hun klanten willen assisteren bij het zo goed mogelijk gebruiken van deze systemen. Middels remote sensoring kunnen ze hun klanten 24/7 bij staan.

Systemen zijn dus steeds meer verbonden met elkaar en met data centra. Verbonden devices kunnen dus data doorsturen die tijdens het gebruik zijn ver-gaard. Dit noemen we dan connected devices, ofwel The Internet of Things. (IoT)

| YP Your partner is gespecialiseerd in deze remote sensoring en is in staat om op standaard hardware (smart phones, I-Pads) telemetrische software te ontwikkelen


| De connected shaver van Philips die door middel van Bleutooth aan een smartphone verbonden is.(bron website Philips)

23

Onderdeel van een groter netwerk en Swarm-technologyVeel systemen werken alleen: stand alone. Maar door de toename van sensoriek en communicatie techno-logie kunnen steeds meer systemen samenwerken in een netwerk: een groter high tech systeem. Een mooi voorbeeld is Bluetooth. Iedereen kent dat wel vanuit de thuissituatie en in de auto waarbij apparaten met elkaar verbinding kunnen maken en dus met elkaar kunnen “communiceren”. Bluetooth is overigens een uitvinding van het toenmalige Ericsson in Emmen.

Op dit moment gaat deze ontwikkeling steeds verder en in combinatie met onbemande systemen wordt op dit moment op verschillende plekken op de wereld gewerkt aan zogenaamde “Swarm” technolo-gie: het gedrag van een groep van systemen als een zwerm te sturen door middel van zeer eenvoudige communicatieprotocollen onderling. Hierbij kunnen we heel veel leren van de natuur. Deze technologie

zal bijvoorbeeld doorslaggevend zijn om auto’s, zon-der bestuurders, onderling niet te laten botsen.

| Onbemande auto’s gaan gebruik maken van de Swarmtechnologie (bron website Google)

Voor zowel connected devices als voor systemen in een groter netwerk of zwerm is de ontwikkeling van betrouwbare Short Range Wireless Communication (oa Wifi, Bluetooth) maar er zijn nog veel meer mogelijkheden van groot belang.


Integratie met serious gaming en virtual realityDe laatste trend rondom sensoring & big data is de combinatie van high tech systemen met serious gaming. Bij serious gaming worden spelvormen inge-zet, waarbij het doel niet (alleen) vermaak is. Vaak vinden we deze combinatie terug in zeer realistische simulatoren die gebruikt worden bij het trainen van vaardigheden en het leren ingrijpen op gesimuleerde noodsituaties. Simulatoren stammen vooral uit de wereld van de luchtvaart maar komen ook steeds meer voor bij het leren besturen van schepen, auto’s en tegenwoordig ook bij het trainen bij chirurgische handelingen en sport.

Door de combinatie met (grote) afbeeldingen van de omgeving op schermen of brillen wordt de beleving enorm reeeël waargenomen. Dit noemen we de virtual reality. Door enorme rekensnelheden kan continue het beeld aangepast worden aan de posi-tie van het systeem en krijg je echt het gevoel dat je vliegt of vaart.

25

| Een mooi noordelijk voorbeeld (rechtsonder) van de mix van een high tech sytem met serious gaming is is de gezamenlijke ontwikkeling van Grendel Games & Pezy van een simulator om chirurgen minimaal invasieve operaties te laten oefenen bron (oa website Grendel Games)


3.3 NIEUWE PRODUCTEN EN VORMEN DOOR 3D & AMT

AMT staat voor Additive Manufacturing Techno-logy, kortweg gezegd het aanbrengen in laagjes (zelfs soms in atomen) van materialen om producten te maken in plaats van het weghalen van materiaal. (bv. frezen, draaien, …). Voorbeelden van AMT zijn: opdampen van coatings, sputteren, Atomic Layer Disposition.

De belangrijkste Additive Manufacturing Technology vandaag de dag, is het zogenaamde 3D printen. Deze technologie bestaat nu zo’n 20 jaren maar is volop in ontwikkeling. Steeds meer kunststof materialen kunnen hiervoor gebruikt worden, zelfs de stap naar metalen is volop in ontwikkeling en steeds grotere producten of juist kleinere precieze producten kun-nen met deze technologie gemaakt worden. Maar het belangrijkste van deze technologie is dat er produc-ten mee gecreëerd kunnen worden die tot voorkort

onmogelijk gemaakt konden worden met de tot dan toe bekende maakprocessen.

| Voorbeelden van producten die alleen door middel van metaal 3D printen te maken zijn

Ook op dit onderwerp heeft het ICD een gezamenlijk 2 jarig R&D project

27

R&D project 3D printen

Samen leren metaal printen

TitaniumKoel-kanalen

Persoonlijkeproducten

Geprinteelectroden

GecurvdeKoel kanalen

NormaleGrondstoffen

Current approach

Proposed approach


3.4 DE OPMARS VAN PHOTONICA

Een nog wat onbekende, maar zeker niet onbe-langrijke trend, is de wereld van photonica: simpel weg gezegd: het werken met licht (photonen) in plaats van electronen. Eigenlijk kun je photonica als opvolger van de electronica zien en daarom zijn deze werelden nauw met elkaar verweven. Wellicht wordt

deze eeuw wel de eeuw van het photon, zoals de 20e eeuw de eeuw van het electron was. Dit maakt nog snellere schakelingen mogelijk maar ook extra nieuwe functionaliteiten: bekende toepassingen zijn lasers maar ook zonnepanelen (PV= PhotoVoltaic) en nachtkijkers. Zeker ontwikkelingen in de medi-sche toepassingen zullen profiteren van deze nieuwe producttechnologie.

| Photonis in Roden maakt zgn optische beeldversterkers die licht 30.000 X kan versterken. Naast in nachtkijkers worden deze subsystemen ook hoogwaardige microscopen verwerkt (bron website Photonis)

29

3.5 DUURZAAMHEID IN GEBRUIKSFASE EN IN DE END-OF-LIFE FASE

Een belangrijke drijfveer voor innovatie is de nood-zaak naar duurzamere producten. Over het alge-meen kan men stellen dat high tech systemen wel een lange levensduur hebben en dat daarmee de zogenaamde use (= gebruiks)-fase de belangrijkste fase van high tech systemen is. Natuurlijk is ook de productiefase en de end-of-life fase van belang maar ten opzichte van de totale levenscyclus is de use-fase (gebruiksfase) bijna altijd dominant.

Metal “fighting”Het vervangen van metalen in high tech systems door lichtgewicht kunststoffen kan veel duurzaam-heidsvoordelen hebben: metalen kosten meer energie om te produceren, kunststoffen zijn vaak lichter om te gebruiken en corroderen niet. Kunststoffen heb-ben ook vaak een kostenvoordeel. Voor veel kunst-

stoffen zijn er, of ontstaan er, steeds meer goede recycle mogelijkheden.

All electric systemsAuto’s, trucks, schepen en vliegtuigen maken nog steeds gebruik van verbrandingsmotoren om hun energie op te wekken om te bewegen. Er zijn natuurlijk massieve ontwikkelingen op het gebied van elektrificeren van al deze high tech systems, soms nog via een combinatie van beide systemen (hybride), soms al 100 % elektrisch, zoals de welbe-kende Tesla S. Electrische aandrijving met zonnecel-len, biedt de potentie voor oneindige voorstuwing van voertuigen! Bij electrificeren is natuurlijk ook energie opslag cruciaal. Er is wereldwijd een enorme strijd gaande om de meest efficiënte en lichtste accupakketten in combinatie met een electrische aandrijf”trein”. Battery-management is derhalve een strategische competentie voor veel high tech bedrij-ven aan het worden.


| Whisper Power is een afsplitsing van MasterVolt, een gerenommeerde naam in de wereld van de zonne-energie en werkt aan de hybridisering en electrificering van energiesystemen voor de high tech systems (oa jachtbouw). Whisper Power is natuurlijk ook vertegenwoordigd op de Solar Boat Race (bron: website Whisper Power)

31

Cradle to Cradle en Re-manufacturingEen belangrijke trend binnen de high tech systems is Re-manufacturing: het terugnemen van gebruikte systemen, die te inspecteren en te modificeren, en ver-volgens weer op de markt aan te bieden met de zelfde garantie als een nieuw product. Naast een enorm duurzaamheidsvoordeel heeft dit vaak ook commerci-ele voordelen: bv het inruilen van het oude systeem bij de klant in combinatie met de verkoop van een nieuw systeem en/of het afschermen van de onderkant van de markt door low cost systemen aan te bieden.

| Neopost doet aan succesvol aan Remanufactring van DS75 folder Inserter (bron Neopost)

Mocht het systeem niet meer bruikbaar zijn worden, dan worden belangrijke componenten eraf gehaald en als reserve onderdeel gebruikt. Mocht dat ook geen zin meer hebben, dan zijn de gebruikte materia-len echt aan recycling toe.

Bij cradle-to-cradle producten is het belangrijk om in het ontwerp al rekening te houden met het hergebruik van materialen. Materialen moeten of in de biocycle passen (composteerbaar zijn) of in de technocycle (zo vaak mogelijk recyclebaar).

3.6 BOTTOM OF THE PYRAMID PRODUCTEN

Zeker bij consumentenproducten is dit een belang-rijke trend: immers een groot deel van de wereld-bevolking is (nog steeds) verstoken van enige luxe. Niet toevallig is dit een hele grote groep en dus feitelijk een nieuwe markt. Bottom-of-the piramide


producten zijn dus zeer functionele maar vooral low cost producten. Dat vergt een andere dan gebrui-kelijk wijze van ontwerpen en fabriceren. Deze producten kunnen nog steeds high tech zijn om te ontwerpen en maken. Hieronder als voorbeeld een product van Philips, de zogenaamde Woodstove, die voor een volledige verbranding van de houtsnippers zorgt. Door de vorm van een gasvlam na te bootsen wordt er veel brandstof bespaard en worden er geen giftige rookgassen meer ingeademd waardoor men-sen gezonder blijven.

| BoP product Philips: de Woodstove (bron: webiste Philips)

3.7 HIGH TECH SYSTEMS WORDEN STEEDS BOUWBLOKACHTIGER

High Tech Systems worden steeds “bouwblokachti-ger” opgezet rondom de hoofdfunctie (de processing zelf, de kern, het hart van de werkelijke applicatie).

Daarentegen is er steeds meer behoefte om niet-kernfuncties (ondersteunende bouwblokken) aan andere spelers in de keten over te laten. Doordat steeds meer OEM‘ers zich concentreren op hun kernactiviteiten, liggen er kansen voor toeleve-ranciers. Dit vergt wel strategische investeringen en intensieve samenwerking. Hiernaast staat een ordening van veelvoorkomende bouwblokken. Niet alle systemen hoeven dus te bestaan uit dezelfde bouwblokken!

Dit levert de volgende uitdagingen op bij het ontwer-pen van High Tech systemen

33

Systeemtechnologie High Tech systems

Covering

Conditioning

ProcessingHoofd-functie

Dosing

Powering

Adding

Control

Motionsystem

Handlingobject

Imaging Measuring Sub-functie


O Ontwerpen van het totale systeem vraagt om een steeds betere functionele opdeling. Dit heeft tot gevolg dat het ontwerpproces nu echt multidisciplinair wordt. Statisch, mechanisch, mechatronisch, meet- en regeltechniek, software, etc. lopen gelijk op. Elkaar verstaan is het voorportaal van elkaar begrijpen. Het spreken van dezelfde taal is dus essentieel. Generalisten die tegelijkertijd enige diepgang en respect weten te bereiken, zijn de golden boys.

O Goed functioneel opdelen is een vak. Interfacemanagement is daar een onderdeel van. In een vroegtijdig stadium zullen de interfaces bevroren worden en zal hier een wijzigingsprocedure op gehanteerd worden. Dit is niet altijd prettig, maar wel noodzakelijk om werkpakketten, op bouwblokniveau, parallel uit te zetten. Op zich is dat vaak nodig om de gewenste time-to-market te halen. Goed opdelen

van werkpakketten zorgt voor een minimale doorlooptijdreductie van 20%. (ervaringsgetal)

O High Tech-systemen worden steeds complexer, steeds meer sensornetwerken met regelloops erachter. Het nadeel van veel sensoriek is dat er goed naar de signaal-ruisverhouding gekeken moet worden om de machines op een hoge up-time te houden (zie ASM-L-machines die nu 45 (!) verschillende graden van vrijheid hebben en tegelijkertijd beheerst moeten worden).

O Bescherming van kennis. Binnen de keten is een “open innovatie cultuur” nodig om als samenwerkend verband tot echt vernieuwende innovaties te komen. Deze kennis moet wel binnen de keten beschermd worden om het concurrentievoordeel ook om te kunnen zetten tot een economisch voordeel voor de samenwerkende bedrijven

35

4. Belangrijke trends bij het produceren van High Tech Systems & Materials

Bij het produceren van complete high tech syste-men worden gemiddeld 60 soorten maakprocessen gebruikt, in 8 verschillende klassen (zie hieronder). Met al deze technologieën kan de aanmaak van losse onderdelen tot en met het samenstellen van complete systemen beschreven worden. Een compleet fabricage-proces is dus optelsom van vele fabricage technologieën die in de gehele fabricageketen nodig zijn.

We kennen de volgende 8 klassen:

1. Wegneemtechnologie: bv frezen, ECM, laser bewer-ken etc. Hierbij wordt materiaal weggenomen.

2. Opbrengtechnologie: bv opdampen, 3D printen, etc. Hierbij wordt materiaal aangebracht.

3. Vormtechnologie: bv. spuitgieten, smeden. Hierbij wordt basismateriaal in een vorm gebracht.

4. Transitietechnologie: bv uitharden, gloeien, etc. Hierbij wordt de chemische structuur van het materiaal veranderd.


5. Reinigingstechnologie: bv. uitdampen, beitsen. Hierbij worden materialen/componenten schoongemaakt/voorbewerkt.

6. Meettechnologie: bv SEM, röntgen, etc. Hierbij worden allerlei metingen gedaan aan de componenten. Hoewel je met meten niets maakt is het wel vaak een belangrijke stap om iets te maken.

7. Verbindingstechnologie: bv solderen, lassen, etc. Hierbij worden twee of meer componenten definitief met elkaar verbonden.

8. Samensteltechnologie: bv klikken, schroeven. Hierbij worden twee of meer componenten samengesteld die ook weer losneembaar zijn.

| Het ICD lid Photonis maakt optische beeldversterkers en heeft hiervoor maar liefst 130 verschillende soorten maakprocessen (waaronder een aantal zeer precieze, exotische processen) in huis. (Bron website Photonis)

37

Belangrijke trends in de wereld van het produceren van High Tech Systems zijn:

4.1 FABRICAGETECHNOLOGIEËN MET PRECISIE: DE “KLASSIEKE” HIGH TECH

Ook hier beginnen we met een “klassieke” innova-tiedrijfveer: het steeds preciezer kunnen bewerken van materialen tot onderdelen door toenemende high tech productspecificaties. In feite geldt dat voor alle 60 soorten technologieën.

De relatie tussen fabricagetechnologie en precisie is vastgelegd in de zogenaamde Taniguchi-curve.

Elke fabricagetechnologie kent een vorm van uiter-ste, herhaalbare precisie, maar ook minder precieze uitvoeringsvormen. Zo is er bijvoorbeeld sprake van conventioneel frezen, hoog precisiefrezen en UHP (ultrahoog precisie) frezen. Soms verandert ook de naam van het proces: in de semi-conductorwereld wordt “precisie zagen” dan ook wel dicing genoemd.

De Taniguchi-curve is jarenlang gebruikt voor de monitoring van de ontwikkeling van de precisie-fabricageprocessen in de tijd van (afnemende fabricagetechnologieën).


| Bron: Roadmap Lange Termijn Technologie ontwikkeling High Tech Systems Point One

Relatie fabricagetechnologie en precisie

16

Relatie fabricagetechnologie en precisie

39

| Het ICD lid Norma is een voorbeeld van een bedrijf dat “leeft” van de ultraprecisiebewerkingen. (Bron website Norma)


4.2 3D OPBRENGTECHNOLOGIE NEEMT EEN VLUCHT

Naast weghaaltechnologie komt er steeds meer opbrengtechnologie voor directe toepassingen in de praktijk. Het laag-voor-laag opbrengen van atomen, moleculen, druppels materiaal, rupsen materiaal neemt een enorme vlucht. 3D printen is een hele belangrijke nieuwe productietechnologie in dit domein. Dat 3D printen nu ook voor eindproducten wordt toegepast, betekent dat er andere eisen komen aan het proces. Momenteel zijn kwaliteitsbeheer-sing, herhaalbaarheid, maar ook onderwijs grote uitdagingen.

De grote doorbraak op dit moment is de stap naar het nauwkeurig 3D metaalprinten. Ontwikkelingen in professionele printers maar ook thuisprinters gaan razendsnel en heeft veel invloed op de wijze van produceren van producten.

High Tech Systems en 3D printen zijn aan elkaar verbonden

14

Het principe van 3D printen is eenvoudig: laagje voor laagje

een product op te bouwen

Vormen die niet eerder mogelijk waren, zijn nu te maken

Producten kunnen persoonlijk op maat gemaakt worden en zonder hulpgereedschappen

Iedereen zijn eigen fabriekje thuis

Enheeftgroteimpact op:

Rapid xxxMet 3D printen kun je snel dus onderdelen maken en heb je geen (tussen)gereedschappen (tooling) nodig. Deze manier van werken is niet alleen inte-ressant voor het snel maken van prototypen (rapid prototyping) maar zeker ook interessant voor het maken van gereedschappen (rapid tooling) en zelfs

41

het fabriceren van onderdelen in kleinere series (rapid manufacturing)

Democratisering van productieDigitalisering heeft alle fases van de product development cycle democratischer en decentraler gemaakt. Zo wordt kennis vrijer gedeeld (open inno-vatie en crowd-sourcing) en is financiering toegan-kelijker geworden (crowdfunding). Een belangrijke trend die door 3D printen in gang is gezet is de democratisering van productie. Een 3D printer is een consumentengoed geworden en stelt iedereen in staat, waar ook ter wereld, zijn eigen producten te maken. Steeds meer open-source CAD bestanden, steeds meer 3D scanners en steeds meer open source 3D machines zijn voor weinig geld bereikbaar.

Open source 3D printers zijn printers die gemaakt zijn om zichzelf te repliceren: met deze printers kun je de onderdelen printen voor een exacte kopie van de prin-ter en dat kan natuurlijk heel vaak herhaald worden.

| Open-sourcemachines zoals RepRap zijn behoorlijk succesvol. (Bron RepRap website)


De wereldwijde opmars van 3D-printing thuis lijkt onvermijdelijk in de ogen van sommige specialisten, die daarin een manier zien om enkel dat wat nodig is op maat te fabriceren, zonder verzendings- of ver-plaatsingskosten en tegen lagere milieukosten. Een ander, ingewikkelder, aspect dat hiermee verband houdt is het risico en de aansprakelijkheid rondom het functioneren van het product, aangezien de gebruiker zelf de producent is geworden.

4.3 ROBOTISERING EN BIG DATA (INDUSTRY 4.0)

Met Industry 4.0 is in Duitsland is een ontwikkeling ingezet om de vierde technologische revolutie vorm te geven. Hierbij wordt gedoeld op de verregaande digitalisering en verwevenheid van machines, sen-soren en organisaties (ook ‘internet of things’ maar dan in de fabriek en keten) waardoor nieuwe manie-

ren van produceren en nieuwe business modellen kunnen ontstaan.

Het doel van deze “slimme fabrieken” is het hebben een zeer flexibele wijze van werken. In plaats van schaalvoordeel, bieden dergelijke slimme fabrieken synergievoordeel; het tijds-, materiaal- en kosten-effectief produceren van verschillende producten met verschillende kwaliteiten in verschillende hoeveelheden met een zo kort mogelijke doorlooptijd en zo weinig mogelijk verspilling om daarmee op wereldschaal concurrerend te kunnen zijn.

Hierdoor, is het mogelijk voor iedere klant ‘op maat’ producten en diensten te leveren(mass customi-zation). Ook de toeleverketen is in dit model sterk geïntegreerd en moet met dezelfde snelheid met de marktvraag mee bewegen. Het hart van alle deze nieuwe doelen wordt gevormd door geïntegreerde systemen van robots en bijbehorende logistieke processen.

43

In Nederland noemen we deze beweging Smart Industry. Het project Smart Factory, dat zich richt op het “maken/realiseren” past in deze beweging.

Een paar trends daarbinnen nog extra uitgelicht:

Robotisering van productieZoals al in het vorige hoofdstuk is gemeld is het mensloos werken uit verschillende perspectieven (geld, kwaliteit en tijd) een enorme driver van inno-vatie. Robots kunnen foutloos 24 uren en 7 dagen werken in condities waar mensen überhaupt niet in staat zijn om in te werken. Tot nu toe waren robots duur in aanschaf en vaak maar geschikt voor één soort bewerking.Daarom is er nu een beweging op gang gekomen om robots goedkoper, veel gebruiksvriendelijker en universeel inzetbaar te maken. Bovendien worden robots steeds meer voorzien van sensoriek om pro-cessen beter in control te houden. Dit genereert veel data die ook hier weer in smart data moeten worden

omgezet. Door nieuwe “neurale” ICT-programma-tuur kunnen we veel meer nieuwe verbanden zien en kunnen we beter benoemen hoe bijgestuurd kan worden (feed-back & feed-forward).

Democratisering van robottechnologieOok hier geldt dat er steeds meer eenvoudige, goed-kope robots op de markt komen. Deze goedkope robots zijn standaard robots en kunnen steeds beter ingezet worden voor allerlei soorten activiteiten. Ze zijn generiek programmeerbaar en vaak makkelijk programmeerbaar: je doet de handelingen voor door de robot aan de arm te trekken, zodat de robot de beweging daarna zelf kan herhalen. Zo komt ook deze vorm van automatisering in ieders bereik. En daarmee zal ook het concurrentieveld van high tech bedrijven kunnen gaan verschuiven.


Ook robots kunnen niet zonder mensenDaar waar robots komen verdwijnen dan de men-sen? Het antwoord is nee, dat gaat zeker niet gebeuren! Ook deze robots moeten ook ontworpen, gemaakt, in bedrijf gesteld, bediend en onderhouden worden. Dit vergt natuurlijk andere soorten vaardig-heden maar er blijft ook mensenwerk. Daarnaast zal de creativiteit van mensen nodig blijven om voort-durend te verbeteren en te innoveren.

ReshoringOf te wel het terughalen van werk als tegenover-gestelde beweging van offshoring/outsourcing. Door de factor arbeid van de productie laag te houden is concurrentie met lage lonen landen mogelijk. Door het professioneel automatiseren/robotiseren van productie zijn bedrijven in West Europa zelfs in staat om werk wat eerst voordeliger in een lage lonen land gemaakt kon worden opnieuw hier te maken. Dit een belangrijke ontwikkeling voor alle bedrijven van het ICD, waarmee het werk in de regio en in Neder-land kan worden behouden.

| Voorbeelden van goedkope standaard robots: de Cobot, een Baxter en een universal robot (bron websites Cobot, Baxter en Universal

45

| New York Times, 18 augustus 2013: Robot arms like those at a Philips Electronics factory in the Netherlands can perform the same tasks as hundreds of low-skill workers


| Verschillende soorten processen met oplopende stofklassen: stofarm produceren electronica bij Variass in Veendam, stofvrij produceren composieten in laboratorium Compoworld/NLR in Marknesse en clean room produceren bij Photonis in Roden.

4.4 CLEAN ROOM PRODUCTIE

Een vierde en belangrijke trend in wereld van de high tech productie is het steeds belangrijker worden van assemblage onder speciale geconditioneerde omstan-digheden waarbij contaminatie (vervuiling) een grote rol speelt. Traditioneel waren temperatuur en voch-tigheid in de assemblage hallen altijd al belangrijk. Nu komt daar contaminatie bij, die op de producten kan komen door stof- en bacteriebesmettingen. Stof is een belangrijk aspect bij precisie. Hoe nauwkeu-

riger een product moet werken, hoe meer negatieve invloed een stofkorrel kan hebben. Juist bij hoog-waardige medische producten is bovendien steriel werken van groot belang. Er zijn verschillende soor-ten stofklassen bekend waarbij de hoogste stofklassen behoorlijke installaties met zich meebrengen om die stofklassen te halen. Ook de werkprocessen worden anders met bijvoorbeeld toegangsluizen, schoonma-ken, schoonhouden en verpakken van de producten. Vaak moeten medewerkers speciale kleding dragen om “besmetting” van het product te voorkomen.

47

Roadmap 3D printing ICT in de fabriek Roadmap Draadloze communicatietechnologie

ToekomsTvisie FuTure FacTories

De invloed van automatisering in de industrie

Ir. J.A. Krebbekx

Dr. ir. M.F. van Assen

Drs. W.J. de Wolf

5. Intereresse in meer informatie?

Heeft dit boekje uw interesse gewekt, dan kunnen wij u de volgende interessante verdiepende informatie aanbieden. U kunt de informatie aanvragen via [email protected]

mailto:[email protected]


Roadmap Lange termijn technologie ontwikkeling HTSM

Roadmap Photonic devices Duurzaamheid in de HTSM sector

ABC van de topsector HTS&M

Veel geBruikTe BedrijfSkundige AfkorTingen en Begrippen uiT de HigH TeCH SySTeMS & MATeriAlS-wereld

Joost Krebbekx | Wouter de Wolf | Laurens Barten | Pieter Theeuwes

Roadmap Photonic DevicesSamenvatting

Berenschot Groep B.V.Europalaan 403526 KS UtrechtT +31 (0)30 291 69 16E [email protected]

High tech systems & materials

Technology

Transcript of High tech systems & materials