Kd-1: the first windform 3D printed driver - Composite Solutions
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w 3D PRINTING
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
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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
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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.
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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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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”.
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