Vorwärts in 3D: Meistern Sie die Herausforderungen im 3D-Metalldruck

Servomotoren und Roboter verändern additive Anwendungen. Erfahren Sie die neuesten Tipps und Anwendungen bei der Implementierung von Roboterautomatisierung und fortschrittlicher Bewegungssteuerung für die additive und subtraktive Fertigung und erfahren Sie, was als nächstes kommt: Denken Sie an hybride additive/subtraktive Methoden.

FORTSCHRITTLICHE AUTOMATISIERUNG

Von Sarah Mellish und RoseMary Burns

Der Einsatz von Energieumwandlungsgeräten, Bewegungssteuerungstechnologie, extrem flexiblen Robotern und einer vielseitigen Mischung anderer fortschrittlicher Technologien sind treibende Faktoren für das schnelle Wachstum neuer Fertigungsprozesse in der gesamten Industrielandschaft. Die additive und subtraktive Fertigung revolutioniert die Art und Weise, wie Prototypen, Teile und Produkte hergestellt werden. Dies sind zwei Paradebeispiele dafür, dass Hersteller die Effizienz und Kosteneinsparungen erzielt haben, die sie anstreben, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die additive Fertigung (AM) wird als 3D-Druck bezeichnet und ist eine nicht-traditionelle Methode, die in der Regel digitale Designdaten nutzt, um solide dreidimensionale Objekte zu erstellen, indem Materialien Schicht für Schicht von unten nach oben verschmolzen werden. Bei der Herstellung von Near-Net-Shape-Teilen (NNS) ohne Abfall wird AM weiterhin sowohl für einfache als auch für komplexe Produktdesigns eingesetzt. Branchen wie die Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Energie-, Medizin-, Transport- und Konsumgüterindustrie werden weiterhin genutzt. Im Gegensatz dazu werden beim subtraktiven Verfahren Abschnitte aus einem Materialblock durch hochpräzises Schneiden oder Bearbeiten entfernt, um ein 3D-Produkt zu erstellen.

Trotz wesentlicher Unterschiede schließen sich die additiven und subtraktiven Verfahren nicht immer gegenseitig aus, da sie zur Ergänzung verschiedener Phasen der Produktentwicklung eingesetzt werden können. Ein frühes Konzeptmodell oder Prototyp wird häufig durch den additiven Prozess erstellt. Sobald das Produkt fertiggestellt ist, sind möglicherweise größere Chargen erforderlich, was den Weg für die subtraktive Fertigung öffnet. In jüngerer Zeit, wo Zeit von entscheidender Bedeutung ist, werden hybride additive/subtraktive Methoden eingesetzt, um beispielsweise beschädigte/abgenutzte Teile zu reparieren oder Qualitätsteile mit kürzerer Vorlaufzeit herzustellen.

AUTOMATISIEREN SIE VORWÄRTS

Um den strengen Kundenanforderungen gerecht zu werden, integrieren Hersteller eine Reihe von Drahtmaterialien wie Edelstahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Titan, Aluminium und andere unterschiedliche Metalle in ihre Teilekonstruktion, angefangen bei einem weichen, aber starken Substrat bis hin zu einem harten, verschleißfesten Substrat -resistente Komponente. Dies hat zum Teil den Bedarf an Hochleistungslösungen für mehr Produktivität und Qualität sowohl in additiven als auch in subtraktiven Fertigungsumgebungen deutlich gemacht, insbesondere wenn es um Prozesse wie die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen (WAAM), die subtraktive WAAM-Fertigung, die subtraktive Laserauftragschweißung oder die Dekoration geht. Zu den Highlights gehören:

• Fortschrittliche Servotechnologie:Um die Time-to-Market-Ziele und die Designvorgaben der Kunden besser zu erfüllen, wenn es um Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität geht, greifen Endbenutzer auf fortschrittliche 3D-Drucker mit Servosystemen (über Schrittmotoren) für eine optimale Bewegungssteuerung zurück. Die Vorteile von Servomotoren wie dem Sigma-7 von Yaskawa stellen den additiven Prozess auf den Kopf und helfen Herstellern, häufige Probleme durch Drucker-Boosting-Funktionen zu überwinden:
  • Vibrationsunterdrückung: Robuste Servomotoren verfügen über Vibrationsunterdrückungsfilter sowie Antiresonanz- und Kerbfilter und sorgen so für eine extrem gleichmäßige Bewegung, die die optisch unangenehmen Stufenlinien beseitigen kann, die durch die Drehmomentwelligkeit des Schrittmotors verursacht werden.
  • Geschwindigkeitssteigerung: Eine Druckgeschwindigkeit von 350 mm/Sek. ist jetzt Realität, was mehr als dem Doppelten der durchschnittlichen Druckgeschwindigkeit eines 3D-Druckers mit Schrittmotor entspricht. Ebenso kann eine Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 1.500 mm/Sek. bei rotatorischer oder bis zu 5 Meter/Sek. bei linearer Servotechnik erreicht werden. Die extrem hohe Beschleunigungsfähigkeit durch leistungsstarke Servos ermöglicht eine schnellere Bewegung der 3D-Druckköpfe in die richtige Position. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das gesamte System zu verlangsamen, um die gewünschte Endqualität zu erreichen. Folglich bedeutet diese Verbesserung der Bewegungssteuerung auch, dass Endbenutzer mehr Teile pro Stunde herstellen können, ohne dass die Qualität darunter leidet.
  • Automatische Abstimmung: Servosysteme können selbstständig ihre eigene individuelle Abstimmung durchführen, was eine Anpassung an Änderungen in der Mechanik eines Druckers oder Abweichungen im Druckprozess ermöglicht. 3D-Schrittmotoren nutzen keine Positionsrückmeldung, sodass es nahezu unmöglich ist, Prozessänderungen oder Unstimmigkeiten in der Mechanik auszugleichen.
  • Encoder-Feedback: Robuste Servosysteme, die absolutes Encoder-Feedback bieten, müssen nur einmal eine Referenzfahrt durchführen, was zu längerer Betriebszeit und Kosteneinsparungen führt. 3D-Druckern mit Schrittmotortechnologie fehlt diese Funktion und sie müssen bei jedem Einschalten in die Ausgangsposition gebracht werden.
  • Feedback-Erkennung: Ein Extruder eines 3D-Druckers kann oft einen Engpass im Druckprozess darstellen, und ein Schrittmotor verfügt nicht über die Feedback-Erkennungsfähigkeit, um einen Extruderstau zu erkennen – ein Mangel, der zum Scheitern eines gesamten Druckauftrags führen kann. Vor diesem Hintergrund können Servosysteme Extruderrückstände erkennen und ein Abstreifen des Filaments verhindern. Der Schlüssel zu einer überragenden Druckleistung ist ein geschlossenes System mit einem hochauflösenden optischen Encoder. Servomotoren mit einem 24-Bit-Absolutwertgeber mit hoher Auflösung können eine Feedback-Auflösung von 16.777.216 Bit im geschlossenen Regelkreis für eine höhere Achsen- und Extrudergenauigkeit sowie Synchronisation und Blockierschutz bieten.
• Hochleistungsroboter:So wie robuste Servomotoren additive Anwendungen verändern, so verändern auch Roboter den Wandel. Ihre hervorragende Bahnleistung, die starre mechanische Struktur und die hohen Staubschutzklassen (IP) – kombiniert mit fortschrittlicher Anti-Vibrations-Steuerung und Mehrachsenfähigkeit – machen hochflexible Sechs-Achsen-Roboter zu einer idealen Option für die anspruchsvollen Prozesse rund um die Nutzung von 3D Drucker sowie Schlüsselmaßnahmen für die subtraktive Fertigung und hybride additive/subtraktive Verfahren.
  Die Roboterautomatisierung als Ergänzung zu 3D-Druckmaschinen umfasst weitgehend die Handhabung gedruckter Teile in Mehrmaschineninstallationen. Vom Entladen einzelner Teile aus der Druckmaschine bis hin zum Trennen von Teilen nach einem mehrteiligen Druckzyklus optimieren hochflexible und effiziente Roboter den Betrieb für einen höheren Durchsatz und Produktivitätssteigerungen.
  Beim herkömmlichen 3D-Druck sind Roboter bei der Pulververwaltung hilfreich, indem sie bei Bedarf Druckerpulver nachfüllen und Pulver von fertigen Teilen entfernen. Auch andere bei der Metallbearbeitung beliebte Endbearbeitungsaufgaben wie Schleifen, Polieren, Entgraten oder Schneiden lassen sich problemlos erledigen. Qualitätsprüfungen sowie Verpackungs- und Logistikanforderungen werden ebenfalls direkt mit Robotertechnologie erfüllt, sodass Hersteller ihre Zeit auf Arbeiten mit höherer Wertschöpfung wie kundenspezifische Fertigung konzentrieren können.
  Für größere Werkstücke werden Industrieroboter mit großer Reichweite eingesetzt, um den Extrusionskopf eines 3D-Druckers direkt zu bewegen. In Verbindung mit peripheren Werkzeugen wie rotierenden Sockeln, Positionierern, linearen Schienen, Portalen und mehr wird so der erforderliche Arbeitsraum für die Erstellung räumlicher Freiformstrukturen bereitgestellt. Neben dem klassischen Rapid Prototyping werden Roboter zur Herstellung großvolumiger Freiformteile, Formformen, 3D-förmiger Fachwerkkonstruktionen und großformatiger Hybridteile eingesetzt.
• Mehrachs-Maschinensteuerungen:Innovative Technologie zur Verbindung von bis zu 62 Bewegungsachsen in einer einzigen Umgebung ermöglicht nun die Mehrfachsynchronisierung einer breiten Palette von Industrierobotern, Servosystemen und Frequenzumrichtern, die in additiven, subtraktiven und hybriden Prozessen eingesetzt werden. Eine ganze Gerätefamilie kann jetzt nahtlos zusammenarbeiten und dabei vollständig von einer SPS (Programmable Logic Controller) oder IEC-Maschinensteuerung wie dem MP3300iec gesteuert und überwacht werden. Professionelle Plattformen wie diese werden oft mit einem dynamischen 61131 IEC-Softwarepaket wie MotionWorks IEC programmiert und nutzen bekannte Tools (z. B. RepRap-G-Codes, Funktionsblockdiagramm, strukturierter Text, Kontaktplan usw.). Um eine einfache Integration zu erleichtern und die Maschinenverfügbarkeit zu optimieren, sind vorgefertigte Tools wie Bettnivellierungskompensation, Extruderdruckvorschubsteuerung, Mehrspindel- und Extrudersteuerung enthalten.
• Erweiterte Benutzeroberflächen für die Fertigung:Verschiedene Softwarepakete sind für Anwendungen in den Bereichen 3D-Druck, Formschneiden, Werkzeugmaschinen und Robotik von großem Nutzen und können schnell eine einfach anpassbare grafische Maschinenschnittstelle bereitstellen und so den Weg zu größerer Vielseitigkeit ebnen. Intuitive Plattformen wie Yaskawa Compass wurden mit Blick auf Kreativität und Optimierung entwickelt und ermöglichen es Herstellern, Bildschirme mit einem Branding zu versehen und einfach anzupassen. Von der Einbeziehung zentraler Maschinenattribute bis hin zur Berücksichtigung von Kundenanforderungen ist nur wenig Programmierung erforderlich – da diese Tools eine umfangreiche Bibliothek vorgefertigter C#-Plug-Ins bereitstellen oder den Import benutzerdefinierter Plug-Ins ermöglichen.

Erhebe dich nach oben

Während die einzelnen additiven und subtraktiven Verfahren weiterhin beliebt sind, wird es in den nächsten Jahren zu einer stärkeren Verlagerung hin zur hybriden additiven/subtraktiven Methode kommen. Bis 2027 soll das Unternehmen mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 14,8 Prozent wachsen¹ist der Markt für Hybrid-Additive-Fertigungsmaschinen bereit, den steigenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Um sich von der Konkurrenz abzuheben, sollten Hersteller die Vor- und Nachteile der Hybridmethode für ihren Betrieb abwägen. Mit der Möglichkeit, Teile nach Bedarf zu produzieren und den CO2-Fußabdruck erheblich zu reduzieren, bietet das hybride additive/subtraktive Verfahren einige attraktive Vorteile. Unabhängig davon sollten die fortschrittlichen Technologien für diese Prozesse nicht übersehen werden und in den Produktionsstätten implementiert werden, um eine höhere Produktivität und Produktqualität zu ermöglichen.