Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions

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Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
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                                                      M. Levoni Bemposti

     Kd-1:
     the first windform
     3D printed driver
     Matteo Levoni Bemposti - CRP Technology

     T
         o Tiger Woods it’s «the game for a lifetime,       golf equipment. Krone ranks among the top                used in the golf industry for nearly 20 years.
         a combination of physical, metaphysical, and       international names in the world of high profile         However, very little has been done over the years
         psychological practices», to George Cole’s         golfing. An Italian company, whose expertise             to take full advantage of how they are used to
     character Arthur Daley it’s «like a love affair: If    encompass the use of additive manufacturing,             optimize the design or part performance. Most
     you don't take it seriously, it's no fun; if you do    high-precision CNC machining, non-destructive            efforts have been to reduce cost and increase
     take it seriously, it breaks your heart»: this is      testing during process phases, CMM dimensional           output: titanium parts are typically cast, stamped,
     golf, a «game of confidence, and most important,       controls to guarantee the total and complete             or forged as well as composites are laid up
     concentration: the ability to focus and block out      traceability of every part, from the certification of    by hand using “pre-preg” (pre-impregnated)
     distraction» (Joseph Parent, Zen Golf, Mastering       the metal alloy to the certification of final testing:   and cured by compression molding or in an
     the Mental Game). The aim of this case study is        CRP Group, was selected as technical partner.            autoclave.
     to illustrate the construction of CNC machined                                                                  Krone was determined to create the world’s most
     and 3D Printed driver clubhead on behalf of            THE STORY                                                advanced high-performance golf equipment.
     Krone, the world leader in custom engineered           Titanium and composites materials have been              In order to do this, the company CEO Marc

     Kd 1: la prima mazza da golf stampata in 3D

     Matteo Levoni Bemposti - CRP Technology

     Per Tiger Woods si tratta del “gioco di una vita,      costruzione della mazza da golf stampata in 3D           della lega in metallo alla certificazione del test
     un insieme di pratiche fisiche, metafisiche e          e lavorata con CNC per conto di Krone, leader            finale: il gruppo CRP è stato selezionato come
     psicologiche” e per il personaggio Arthur Daley        mondiale nel campo delle attrezzature da golf            partner tecnico.
     di George Cole è come una questione di cuore:          specifiche in base alle esigenze.
     se non la prendi sul serio, non è divertente e         L'azienda si classifica fra i nomi internazionali        I RETROSCENA
     se la prendi troppo seriamente, ti spezza il cuo-      più noti nel mondo del golf di alto profilo. Una         I materiali di titanio e i compositi sono utilizzati
     re”: tutto questo è il golf, un “gioco di fiducia      società italiana la cui esperienza comprende             nell’industria del golf da quasi 20 anni. Tuttavia,
     e, ancora di più, di concentrazione: la capacità       l’uso della produzione additiva, la lavorazione          è stato fatto molto poco nel corso degli anni
     di concentrarsi e di allontanare ogni forma di         CNC di alta precisione, test non distruttivi             per trarre il massimo vantaggio dalla modalità
     distrazione (Joseph Parent, Zen Golf, Dominare         durante le fasi di processo, il controllo dimen-         in cui essi vengono utilizzati per ottimizzare la
     il gioco di mente)                                     sionale CMM a garanzia della totale e completa           progettazione o la prestazione della parte. La
     La finalità di questo caso studio è illustrare la      tracciabilità di ogni parte, dalla certificazione        maggior parte degli sforzi erano volti a ridurre

26     composite solutions n. 1/2017
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                                                                               i costi e incrementare la resa: le parti in titanio vengono tipicamente
                                                                               fuse, stampate o forgiate così come i compositi vengono applicati con
                                                                               l’ausilio dei “pre-preg” (preimpregnati) e reticolati con lo stampaggio per
                                                                               compressione oppure in autoclave.
                                                                               Krone era determinata a fornire l’attrezzatura da golf di alta prestazione
                                                                               più avanzata al mondo e a tal fine, il CEO della società, Marc Kronenberg
                                                                               e il suo staff erano dell’idea di avere bisogno di due cose:
                                                                               a) Abbandono delle tecniche produttive “di serie” per diventare pionieri
Titanium Face and Windform SP Body (not assembled) (Courtesy of Krone
                                                                                   della “produzione di serie personalizzata” nell’industria del golf
Golf)                                                                          b) Utilizzo dei materiali più innovativi, processi high tech e cooperazione
Faccia in titanio e testa in Windform SP (non assemblato) (Foto Krone Golf)        con i leader industriali per sviluppare golf driver che fissassero un
                                                                                   nuovo standard in quanto a qualità e prestazione.
Kronenberg and his staff believed they needed to achieve 2 things:             Dopo aver compiuto una estesa ricerca e test di diversi processi produt-
a) Break out of the traditional “mass produced” manufacturing techniques and   tivi additivi come la sinterizzazione laser diretta del metallo del titanio
   be the pioneers of “mass customization” in the golf industry.               e la stampa 3D dei modelli master o cera per la fusione: mentre alcuni
b) Use the most innovative materials, high tech processes, and partner         risultati sono stati molto promettenti, sono emersi però problemi di ac-
   with industry leaders in manufacturing to develop a golf driver that sets   curatezza (tolleranze), di ripetibilità (variazioni parte su parte) e qualità
   a new standard for quality and performance.                                 della parte (aspetto superficiale).
After an extensive research and testing of different additive manufacturing    Il gruppo italiano è stato scelto per il progetto e per dare le linee guida
processes such as Direct Metal Laser Sintering of titanium and 3D printing     su come associare l’utilizzo della produzione additiva alla lavorazione
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                                                                                  custom solution. Two specific      speed that are easily measured and quantified.
                                                                                  divisions within the Group         There are also more nuanced ones like “sound”
                                                                                  were placed on the project         and “feel” that are more of a personal preference
                                                                                  team: CRP Meccanica                take time to fine tune.
                                                                                  and CRP Technology. One            Performance is critical as well. Golfers will simply
                                                                                  coordinated the project            not use a product that does not perform up to
                                                                                  between the companies              their expectations.
                                                                                  and the design consultants         That’s the reason why golf club design and
                                                                                  leveraging its High-Precision      development is quite similar to high performance
                                                                                  CNC machining expertise.           automobiles in that acceleration and top speed
                                                                                  The department of 3D Printing      are easy to measure, but getting the balance,
                                                                                  and Additive Manufacturing of      handling, and exhaust note just right require a
                                                                                  the other creates end parts        blend of art and science.
     KD-1 Final result (Courtesy of Krone)                                        and prototypes in short time: it
     KD-1 Risultato finale (Foto Krone)                                           can build extremely complex        EFFORTS INVOLVED IN THE COMPONENTS
                                                                                  geometry that cannot be            The engineering behind a great golf driver
     of “wax” or master patterns for casting: while           easily tooled or it is impossible to tool thanks       involves optimizing thickness of each surface,
     some of the results were quite promising there           to the reinforced performing laser sintering           controlling total weight of the head, and tuning
     were also quite a few issues with accuracy               powders for Additive Manufacturing named               the center of gravity of the assembly. It’s a
     (tolerances), repeatability (part to part variations),   Windform materials. Their mechanical properties        balancing act to get everything right.
     and part quality (surface appearance).                   make them a layer above 3D Printing, leading           The USGA and R&A (Rules Committee for
     The Italian group was selected for the project           from rapid prototyping to rapid manufacturing.         Professional Golf) have placed limitations
     to provide guidance on how to combine the use                                                                   on the maximum size and volume that a golf
     of Additive Manufacturing and High-Precision             EVALUATION CRITERIA                                    driver can be - so engineers are constrained
     CNC machining. By partnering with the Italian-           There are a lot of metrics used to evaluate golf       to design within a certain “box”. This has held
     based group, Krone was tapped into a network             club performance: most commonly “distance”             back innovation and lead to the major golf club
     of companies that provide a wide range of                and “launch conditions” like loft, spin, and ball      manufactures to design product that is all very

     di precisione CNC. Cooperando con il gruppo              rapida alla produzione rapida.                         il bilanciamento, la manipolabilità e i consumi
     italiano, Krone si è trovata all’interno di una rete                                                            richiedono arte e scienza.
     di società che forniscono una ampia serie di             CRITERI DI VALUTAZIONE
     soluzioni personalizzate. Sono state scelte per il       Esistono molti parametri per valutare la presta-       GLI SFORZI COMPIUTI PER LA
     progetto due divisioni specifiche facenti parte del      zione delle mazze da golf: generalmente sono           REALIZZAZIONE DEI COMPONENTI
     gruppo, CRP Meccanica e CRP Technology. Una              la distanza e le condizioni di lancio, come loft,      Le tecniche ingegneristiche alla base di un gran-
     aveva il compito di coordinare il progetto fra le        spin e la velocità della palla che sono facilmente     de golf driver includono l’ottimizzazione dello
     società e i consulenti del progetto, facendo leva        misurabili e quantificati. Esistono anche altre        spessore di ogni superficie, il controllo del peso
     sull’esperienza nella lavorazione CNC di alta            sfumature come lo stile e l’effetto al tatto che       totale della testa e l’adeguamento del centro di
     precisione. Il dipartimento di Stampa 3D e Produ-        sono più di una semplice preferenza personale,         gravità di tutto l’assemblaggio. E’ il bilanciamen-
     zione additiva dell’altra divisione crea parti finali    i cui adeguamenti richiedono tempo.                    to che fa sì che tutto vada come dovuto.
     e prototipi in tempi brevi: può costruire geometrie      La prestazione è anch’essa critica e i giocatori       USGA e R&A (Comitato normatore per il golf pro-
     estremamente complesse che non possono es-               di golf semplicemente non utilizzano un prodotto       fessionale) ha posto dei limiti sulla dimensione
     sere facilmente o non possono essere lavorate            che non risponda alle loro aspettative in quanto       e volume massimi di un golf driver, quindi gli
     del tutto grazie alle polveri di sinterizzazione         a prestazioni.                                         ingegneri sono obbligati a progettare rispettando
     laser a prestazione avanzata, per la produzione          Questo è il motivo per cui lo sviluppo della           certi canoni. Tutto questo ha trattenuto la spinta
     additiva, denominate materiali Windform.                 mazza da golf è simile a quello delle automobili       all’innovazione e ha indotto i produttori di mazze
     Le loro proprietà meccaniche le rendono superio-         di alta prestazione perché se l’accelerazione          da golf a sviluppare prodotti molto simili fra loro.
     ri alla stampa 3D, passando dalla prototipazione         e la velocità massima sono facili da misurare,         “Vediamo – ha commentato Kronenberg

28     composite solutions n. 1/2017
Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
manufacturing allows to create very stiff
                                                                                                            lightweight structures and 3D lattice geometries
                                                                                                            that were never before possible.
                                                                                                            «In our working experience with CRP so far –
                                                                                                            stated Mr.Kronenberg, we have not had any of
                                                                                                            mentioned issues. The part quality, consistency,
                                                                                                            and accuracy from both their CNC Machining and
                                                                                                            3D Printing Departments has been outstanding».

                                                                                                            KD-1: windform SP 3D printed driver
 KD-1 preassembled, pre-painted. KD-1 assembled, pre-painted
 KD-1 preassemblato - preverniciato. KD-1 assemblato – preverniciato                                        clubhead with precision machined titanium
                                                                                                            hitting surface
                                                                                                            The collaboration led to the creation of KD-1. It is
similar to one another. «We see – commented               part-to-part variations, and require secondary    a composite driver clubhead where the different
Mr.Kronenberg - the opportunity to do something           operations
revolutionary in the golf industry and design a        Besides titanium cannot be cast or stamped
superior product through the use of intelligent        any thinner, due to the need to post-weld parts
design, innovative materials, and high tech            together.
manufacturing methods».                                Welding creates a heat effected zone and can
                                                       cause deformation in thin areas.
CONSTRAINTS OF PAST TECHNOLOGIES                       Carbon fibre parts cannot become any stiffer
Past technologies require machine tooling that         without switching to expensive high modulus
limits the geometry that can be produced               fibres.
a) Labor intensive                                     High-performing CNC machining and Additive
b) Past technologies are not suitable for small        Manufacturing solve all of these issues:
   runs or customized parts                            CNC machining allows to control tightly              KD-1 Final result (Courtesy of Krome)
c) Casting and Forging have wide tolerances,           the thicknesses in critical areas. Additive          KD-1 Risultato finale (Foto Krome)

- l’opportunità di fare qualcosa di rivoluzionario    necessità di saldare in un secondo momento            stampa 3D sono sorprendenti.
nell’industria del golf e di progettare un prodotto   tutte le parti. La saldatura crea un’area molto
di qualità superiore grazie all’uso di un design      soggetta al calore e si possono determinare           KD-1: MAZZA WINDFORM SP STAMPATA IN
intelligente, di materiali innovativi e di tecniche   deformazioni nelle aree a spessore molto basso.       3D CON SUPERFICIE BATTENTE AL TITANIO
di produzione high tech”.                             Le parti in fibra di carbonio non possono diven-      LAVORATA CON PRECISIONE
                                                      tare molto robuste senza utilizzare dispendiose       La collaborazione ha prodotto KD-1. E’ un driver
LE LIMITAZIONI IMPOSTE DALLE                          fibre ad alto modulo.                                 clubhead dove i diversi materiali hanno una
TECNOLOGIE DEL PASSATO                                Le lavorazioni CNC di alta prestazione e l’additive   funzione specifica e strutturale.
Le tecnologie del passato richiedevano lavorazio-     manufacturing hanno risolto tutti questi proble-      La struttura di KD-1 è stata costruita dal diparti-
ni che ponevano delle limitazioni alla geometria      mi: le prime permettono di controllare accurata-      mento 3D Printing di CRP Technology e Additive
da produrre:                                          mente gli spessori in aree critiche. La seconda       Manufacturing utilizzando la sinterizzazione laser
a) Lavoro intensivo                                   permette di creare strutture di basso peso molto      e l’innovativo materiale Windform SP Additive
b) Le tecnologie del passato non si addicono a        robuste e geometrie a reticolo tridimensionale,       Manufacturing. Si tratta di un materiale molto
   cicli di lavoro brevi o a parti personalizzate     come mai prima d’ora.                                 duttile dotato di massima resistenza meccanica.
c) La fusione e la forgiatura hanno ampie tolle-      “Nella nostra esperienza lavorativa con CRP,          E’ utilizzato nei casi in cui sia presente un’alta
   ranze, variazioni parte su parte e richiedono      ha affermato Kronenberg, finora non abbiamo           sollecitazione a fatica anche nei momenti di
   operazioni secondarie                              incontrato problemi di questo tipo. La qualità        vibrazione o di forte impatto senza il rischio che
Inoltre, il titanio non può essere fuso o stam-       della parte, la consistenza e la precisione dei       si rompa. L’elasticità contribuisce ad assorbire
pato con spessore molto basso a causa della           dipartimenti dedicati alla lavorazione CNC e di       queste sollecitazioni meccaniche.

                                                                                                                               composite solutions n. 1/2017       29
Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
w 3D PRINTING

     materials have a specific function and structural        constraints.                                           CNC machining is that the process is very lean
     competence.                                              The shape of KD-1 face part has made it vital          and direct: once the CAD file is verified, the
     The KD-1 body structure has been manufactured            to use cutting edge precision engineering              process just requires a bit of programming and
     by CRP Technology’s 3D Printing and Additive             machinery: Krone recognized the superior level         set-up, before the parts are directly made on
     Manufacturing department utilizing Laser                 of technological expertise at CRP Meccanica,           High-Precision equipment (CNC and SLS) that
     Sintering and the innovative Windform SP                 the direct result of its origins in the world of       can virtually run 24 hours a day. The finished
     Additive Manufacturing material.                         motorsport, an extremely demanding field that          parts are high quality and match the original CAD
     Windform SP is a highly ductile material with            expects a level of reliability and precision out       file exactly.
     top mechanical resistance. It is used where              of the ordinary. This is why the work becomes          The combination of 3D printing and CNC
     there is high stress fatigue even in time as type        fundamental for any application involving a            machining leads to speed up the manufacturing
     vibration or shock without the risk of breaking.         certain degree of criticality: taking into account     process of the parts and save time. The additive
     The elasticity helps to absorb these mechanical          the properties of titanium and its applications in     manufacturing technology is much faster than
     stress. The body has 4 Helicoil® M4 inserts at the       different fields, from motorsport to aerospace,        designing and producing a tool for injection
     end to fasten the weight.                                from naval to industrial sectors, CRP Meccanica        molding. Furthermore, 3D Printing can give
     The KD-1 face (the striking surface of the head of       is able to CNC machining Titanium alloys from          engineers more flexibility in the timeline to make
     the club) is made in Ti6AI4V: it has been entirely/      solid and it has been the first to process these       design improvements.
     fully CNC machined from solid and sand blasted           alloys through Rapid Casting.                          "We plan – Kronenberg added - to continue to
     -external only- the hosel is made in titanium as                                                                work closely with CRP to refine the design so
     well. The weight is made in brass entirely CNC           Advantages obtained with high-precision                that it can take full advantage of their CNC and
     machined from solid and sand blasted                     CNC and additive manufacturing technologies            Additive Manufacturing processes and bring the
                                                              with Windform material:                                concept of “mass customization” for individually
     TI6AI4V TITANIUM ALLOY                                   a) speed                                               made golf components to market by the end of
     A lightweight but durable material was                   b) precision                                           this year.
     selected for this type of product, namely                c) design flexibility                                  The fit between the CNC machined parts and
     Ti6Al4V titanium alloy.                                  d) part optimization.                                  the Windform is exactly as designed. I can say
     The Titanium alloy used also satisfies the need          The most interesting features about parts              from the design point of view that the use of
     to have parts that comply with weight and size           realized in Windform SP and High-Precision             Windform SP and titanium has allowed me to

     La struttura ha 4 inserti Helicoil® M4 nella parte       origini nel mondo del motociclismo, un settore         4) ottimizzazione della parte
     terminale per fissare il peso. Il lato di KD-1 (la       molto esigente che richiede un grado di affida-        Le caratteristiche più interessanti delle parti
     superficie che colpisce della mazza è realizzata         bilità e di precisione fuori dall’ordinario. Questo    realizzate con la lavorazione Windform SP e CNC
     con Ti6Al4V ed è stata lavorata interamente con          è il motivo per cui è diventato essenziale per         di alta precisione sono il processo molto lineare e
     CNC da solido e con sabbiatura (esternamente)            qualsiasi applicazione includere un certo grado        diretto: una volta verificato il file CAD, il processo
     e il flessibile è anch’esso di titanio.                  di perfezionismo: prendendo in considerazione le       richiede soltanto un bit di programmazione e
     Il peso è dato dal bronzo, lavorato interamente          proprietà del titanio e le sue applicazioni in vari    impostazione prima che le parti siano realizzate
     con CNC da un solido e sabbiato                          campi, dal motociclismo al settore aerospaziale,       direttamente con le attrezzature di alta preci-
                                                              dal navale all’industriale, CRP Meccanica può          sione (CNC e SLS), il che può essere realizzato
     LEGA DI TITANIO TI6AI4V                                  lavorare le leghe di titanio da un solido ed è stata   virtualmente 24 ore su 24. Le parti finite sono di
     E' stato scelto un materiale leggero ma durevole         la prima azienda a trattare queste leghe con la        alta qualità e corrispondono esattamente al file
     nel tempo per questo tipo di prodotto, vale a dire       tecnica della fusione rapida.                          CAD originale. La combinazione della stampa
     la lega di titanio Ti6AI4V. La lega di titanio utiliz-                                                          3D con la lavorazione CNC accelera il processo
     zata soddisfa inoltre il requisito di parti conformi     Vantaggi ottenuti dalla lavorazione CNC di             produttivo delle parti con notevole risparmio
     alle limitazioni di peso e dimensioni. La forma          alta precisione e dalle tecnologie di produ-           di tempo. La tecnologia della produzione ad-
     della faccia KD-1 ha reso indispensabile utilizzare      zione additiva con Windform:                           ditiva è molto più veloce della progettazione e
     macchinari di alta precisione e Krone ha trovato         1) velocità                                            produzione di un dispositivo per lo stampo ad
     un grado molto alto di esperienza tecnologica            2) precisione                                          iniezione. Inoltre, la stampa 3D può offrire agli
     nel partner italiano, il chiaro risultato delle sue      3) flessibilità nella progettazione                    ingegneri una superiore flessibilità nel tempo per

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Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
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really push the limits for the "performance" of the golf club. The KD-1-5            la realizzazione di migliorie del progetto. “Abbiamo previsto – ha affermato
design is going to be really special. Although it looks rather ordinary, it’s        Kronenberg – di continuare a lavorare in stretta collaborazione con i nostri
performance level, as predicted in computer simulations, is unlike any               partner per ridefinire il progetto e in modo da trarre massimo beneficio
other golf club available today".                                                    dai processi CNC e di produzione additiva e promuovere la produzione di
                                                                                                                           serie personalizzata per componenti
                                                                                                                           singoli delle attrezzature da golf, la
                                                                                                                           cui commercializzazione è prevista
                                                                                                                           entro la fine di quest’anno. L’ade-
          MATTEO
          MAT
            AT       LEVONI BEMPOSTI,                 MATTEO LEVONI BEMPOSTI,                                              guamento fra le parti lavorate a CNC
        Engin Specialized in Additive
        Engineer                                      Ingegnere specializzato in Additive                                  e Windform è esattamente come è
    Manufacturing and Windform Materials              Manufacturing e materiali Windform è il                              stata progettata. Posso dire dal punto
    is the Head of the Reverse Engineering            responsabile del reparto di Reverse Engineering
                                                                                                                           di vista progettuale che l’impiego di
    Department at CRP Technology in Modena.           presso CRP Technology di Modena.
                                                                                                                           Windform SP e del titanio mi ha con-
    He attends international                          Ha partecipato e partecipa per conto di
    conferences as speaker on the use                 CRP Technology a conferenze internazionali                           sentito di spingere oltre i limiti della
    of the Additive Manufacturing                     sull’utilizzo della fabbricazione additiva                           “prestazione” della mazza da golf. Il
    in different field as aerospace, motorsport,      in ambito aerospazio, motorsport, avio,                              progetto KD-1-5 risulterà veramente
    aviation, automotive, marine and UAVs .           automotive, navale e UAV.                                            speciale. Pur sembrando piuttosto
    In his career Matteo Levoni has designed          Nella sua carriera lavorativa Matteo Levoni                          comune, il suo livello prestazionale,
    engines for a major automotive manufacturer.      si è anche dedicato alla progettazione di motori                     come preannunciato dalle simulazio-
    He graduated in Mechanical Engineering            per un’importante casa automobilistica.
                                                                                                                           ni al computer è diverso da quello di
    at the University of Modena                       E' laureato in Ingegneria Meccanica presso
    and Reggio Emilia.
                                                                                                                           qualsiasi mazza da golf attualmente
                                                      l’Università di Modena e Reggio Emilia.
                                                                                                                           disponibile sul mercato”.
Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
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