Koelkanalen in vrije vorm

“Het is een heel nieuwe manier van denken”. Zo omschrijft Hans Ruijs het ontwerpen van een 3D print matrijsinsert voor conformal cooling. “Bij een normale matrijs denk je als het ware in 2D met geboorde koelleidingen. Spuitgietproducten zijn wel 3D objecten en met 3D metaal-prints ga je naar een koeling in een vrije vormen.”

Tekst en foto: Maartje Henket. Renders: Moba.

Ruijs is senior engineer Plastics bij Moba, een van de grootste fabrikanten van eierverwerkingssystemen ter wereld. Met bijna 1000 medewerkers heeft het bedrijf 70 procent marktaandeel in de wereldwijde markt van machines voor het automatisch sorteren, verpakken en verwerken van eieren. De grootste systemen van het bedrijf verwerken 225.000 eieren per uur en Moba staat op de 7de plaats in de De Makers Top100 van 2026, direct achter enkele semicon-bedrijven. 

Moba produceert veel onderdelen voor hun machines zelf. Het RVS-staalwerk, de kunststof spuitgietproducten, de software voor de eiermachines en de robots worden allemaal ik eigen huis ontwikkeld en grotendeels ook gemaakt. Het bedrijf heeft dan ook 135 R&D-medewerkers in dienst, waarvan Ruijs zich exclusief bezighoudt met de kunststof onderdelen. 

Ruijs, die voorheen zijn eigen spuitgieterij annex extrusiebedrijf had in Oss, is in 2016 bij Moba in dienst getreden. Reden: “Bij Moba krijg ik de vrijheid van werken met de daarbij behorende verantwoordelijkheden voor de kunststofafdeling, zoals ik ook in mijn eigen bedrijf had”. Het is een goede stap geweest, want het enthousiasme over zijn werk spat ervan af. 

Als een van de eersten in Nederland maakt Ruijs serieus werk van conformal cooling, door met Trumpf als eerste stap een 3Dmetaal-print matrijs te ontwikkelen voor rollenassen, waarover eieren door de machine worden getransporteerd. Dit principe wordt binnenkort toegepast op een Arburg 2K spuitgietmachine (200 ton), waarmee het bedrijf de aanschaf van een extra spuitgietmachine voorlopig heeft bespaard. “Doordat de koelkanalen dichter om het product heen liggen en de kronkelende vorm van de kanalen leidt tot meer turbulentie, wordt er zoveel efficiënter gekoeld dat we de koeltijd hebben kunnen terugbrengen van 70 naar 30 seconden”, vertelt Ruijs. “Dat bespaart ons met dit product 600 uur per jaar en maakt dat we een ander nieuw product op dezelfde spuitgietmachine kunnen bijplannen.” 

De koeltijd is niet het enige voordeel, want de beter uitgebalanceerde koeling leidt ook tot betere eindresultaten, zowel in maatnauwkeurigheid als oppervlak. Ruijs schat dat je gemiddeld van ‘tolerance gate 3’ naar ‘tolerance gate 1’ kunt gaan (in de ISO-norm 20457). En dat is aantrekkelijk, in een tak van sport waar met kwetsbare goederen als eieren wordt gewerkt en precisie dus heel belangrijk is. 

Wat nou, koelkanalen 

Moba heeft inmiddels vijf projecten op het gebied van 3D printen gedaan, samen met onder andere Hogeschool Windesheim, Trumpf en het samenwerkingsverband IAMM Consortium. De inserts van matrijzen zijn ontwikkeld met de technologie van Trumpf. Ze worden gemaakt met Selective Laser Melting (SLM), van hetzelfde staal waar normaal gesproken de vormplaten van een matrijs worden gemaakt. Hoewel niet alle staalsoorten als AM-poeder verkrijgbaar zijn, is er wat dat betreft dus geen belemmering. 

Momenteel is Ruijs met Windesheim gestart met een vervolgtraject, om de matrijs(inserts) nog verder te optimaliseren. Dat is waar het 3D-denken nog vrijer wordt. “Traditioneel gezien denk je in koelkanalen”, steekt hij enthousiast van wal, “maar met 3D printen hoeft dat niet. Je zou een lattice/TMPS structuur door middel van geforceerde convectie kunnen maken, om op een andere manier tot een maximale porositeit te komen. Hiermee hebben we een onderzoekstraject gestart met Windesheim en in feite ligt een heel nieuwe manier van ontwerpen voor ons open. Met nTopology, een software pakket dat gebruik maakt van wiskundig definieerbare vormen met Lattice/TPMS structuren, en Ansys, een software pakket gespecialiseerd op het gebied van simulaties, kunnen warmteoverdracht- en stromingssimulaties gemaakt worden. Eigenlijk heb ik nog geen idee waar dat toe gaat leiden.” 

De start is al gemaakt met Windesheim’s onderzoeksverslag ‘Thermisch optimaliseren van een spuitgiet insert’. Overigens zijn veel gratis onderzoeksverslagen over het 3D-metaal-printen en uiteraard over kunststoffen te vinden op de website van Windesheim. Overkoepelend is er een samenwerkingsverband van drie hogescholen aangevuld met gespecialiseerde bedrijven uit de maakindustrie, kennisinstellingen, en netwerkorganisaties die erop richten het gebruik van metaalprinten te bevorderen. 

Moba spuitgiet zo’n 13 miljoen kunststof componenten per jaar, met 2000 matrijzen. Ruijs denkt dat een stuk of 50 daarvan zich lenen voor optimalisatie met conformal cooling. “Het is moeilijk om van tevoren precies te zeggen voor welke producten het loont. Het maken van de inserts met AM is nu nog duurder dan gewone inserts, omdat we de gewone inserts zelf kunnen maken en er ook minder bewerkingen voor de matrijzenmaker aan zitten. Een AM-machine is een grote investering en dat ligt voorlopig buiten ons bereik, want een businesscase is in deze fase van het project nog niet rond te krijgen.” 

Bovendien is de technologie nog zo jong, dat niemand weet wat de mogelijkheden zijn. “Het kan wel zijn dat ik morgen iets bedenk waarbij de matrijs direct breekt of teveel doorbuigt, om maar wat te noemen. Of we komen tot een ontwerp dat een gigantische verbetering oplevert. Je weet het niet – hoewel we de doorbuiging en de VonMises-krachten met simulaties al kunnen berekenen. Maar ja, als je niet begint, dan gebeurt er niets. En je weet niet waar je heengaat.”  

Daar moet je wel van houden en zelfs tegen kunnen. Misschien is die onzekerheid een van de redenen dat er nog zo weinig met conformal cooling wordt geëxperimenteerd.

Afwerking 

Ruijs zoekt nog naar manieren om de koelkanalen zelf gladder af te werken. “Ze zijn nu wat ruw van structuur. Dat vergroot de koelcapaciteit weliswaar enigszins, maar maakt het ook moeilijk om de koelkanalen echt goed droog te blazen met perslucht wanneer het spuitgietproces is afgerond. En dat leidt dan weer eerder tot oxidatie.” Hij experimenteert nu met een soort grit, om de kanalen van binnen te ‘schuren’.  

 Spuitgietproduct voor detectie 

Een product dat Ruijs heel graag wil ‘conformal-coolen’, is een spuitgietproduct voor detectie waarin veel details zitten en dat qua vorm en maatvoering eigenlijk niet geschikt is om te spuitgieten. Hij heeft het procedé met de standaard matrijs inmiddels zo uitgedokterd dat dit onderdeel op één van de spuitgietmachines goed kan worden verwerkt, maar alleen op die ene, en met een erg smal processwindow. “Zoiets is bij uitstek een product waar een kwaliteitsvoordeel is te behalen, zodat er uiteindelijk minder uitval van producten is te realiseren.” 

Het terugbrengen van koeltijd loont alleen als een spuitgietmachine daardoor efficiënter kan worden ingezet. Als hij sneller klaar is, maar dan geen productie draait, heeft het geen nut. Moba heeft momenteel 19 spuitgietmachines en die draaien efficiënt, met alleen een dagploeg. “Op het eind van de dag worden er langlopende reeksen opgezet en op vrijdagmiddag zeer langlopende reeksen, dus dat gaat mooi het hele weekend door zonder dat er mensen bij hoeven te zijn. Dat willen we eigenlijk ook zo houden. Zowel voor de spuitgieters als voor het bedrijf.” 

Extrusie wordt in Duitsland gedaan en is op het moment geen prioriteit en met 3D-printen van kunststof producten is nog niet de kwaliteit te halen die Moba nodig heeft. Het aan elkaar printen van kunststof en andere materialen, zoals metaal, vindt Ruijs interessant, maar hij is er nog niet aan begonnen. “Dat volg ik met interesse.” Ruijs’ aandacht ligt dus vooral bij het verbeteren van de spuitgietproducten en -proces. 

Kennis delen 

Moba is echt een voorloper op het gebied van de conformal cooling. Omdat het bedrijf geen concurrenten heeft in Nederland, ziet Ruijs er geen been in om zijn kennis te delen. Hij geeft les ‘matrijzen-B’ bij het Mikrocentrum, aan HBO-ers, en heeft daar voor de cursisten een leerportaal waar de nodige informatie op staat. In de IAMM groep bij Windesheim zit nog één bedrijf dat zich bezighoudt met conformal cooling en hij kent een aantal buitenlandse bedrijven. “Ik kan het iedereen aanraden. Het is lastig om van tevoren in te schatten wat je er precies aan hebt, maar het gaat in elk geval nieuwe inzichten opleveren.”