Vorwärts in 3D: Herausforderungen im 3D-Metalldruck meistern

Servomotoren und Roboter revolutionieren additive Fertigungsverfahren. Erfahren Sie mehr über die neuesten Tipps und Anwendungen zur Implementierung von Roboterautomatisierung und fortschrittlicher Bewegungssteuerung für additive und subtraktive Fertigung sowie über die Zukunft: hybride additive/subtraktive Verfahren.

AUTOMATISIERUNG FORTSCHRITT

Von Sarah Mellish und RoseMary Burns

Der Einsatz von Leistungswandlern, Bewegungssteuerungstechnologien, hochflexiblen Robotern und einer Vielzahl weiterer fortschrittlicher Technologien treibt das rasante Wachstum neuer Fertigungsverfahren in der gesamten Industrielandschaft voran. Additive und subtraktive Fertigungsverfahren revolutionieren die Herstellung von Prototypen, Teilen und Produkten und sind zwei Paradebeispiele dafür, wie sie die Effizienz und Kosteneinsparungen ermöglichen, die Hersteller benötigen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die additive Fertigung (AM), auch 3D-Druck genannt, ist ein innovatives Verfahren, das digitale Konstruktionsdaten nutzt, um dreidimensionale Objekte durch schichtweises Auftragen von Material von unten nach oben zu erzeugen. Da AM oft endkonturnahe Bauteile ohne Verschnitt ermöglicht, findet sie zunehmend Anwendung in Branchen wie der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Energie-, Medizin-, Transport- und Konsumgüterindustrie – sowohl für einfache als auch für komplexe Produktdesigns. Im Gegensatz dazu werden bei der subtraktiven Fertigung durch hochpräzises Schneiden oder Bearbeiten Materialabschnitte von einem Materialblock abgetragen, um ein 3D-Produkt zu erzeugen.

Trotz wesentlicher Unterschiede schließen sich additive und subtraktive Fertigungsverfahren nicht immer gegenseitig aus, da sie sich in verschiedenen Phasen der Produktentwicklung ergänzen können. Ein frühes Konzeptmodell oder ein Prototyp wird häufig additiv gefertigt. Sobald das Produkt fertiggestellt ist, werden unter Umständen größere Losgrößen benötigt, was den Einsatz subtraktiver Fertigungsverfahren ermöglicht. In jüngster Zeit werden, insbesondere bei zeitkritischen Anwendungen, hybride additive/subtraktive Verfahren eingesetzt, beispielsweise zur Reparatur beschädigter oder verschlissener Teile oder zur Herstellung hochwertiger Teile mit kürzeren Lieferzeiten.

AUTOMATISIEREN

Um den hohen Kundenanforderungen gerecht zu werden, integrieren Fertigungsunternehmen eine Reihe von Drahtmaterialien wie Edelstahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Titan, Aluminium und andere ungleichartige Metalle in ihre Bauteilkonstruktion. Sie beginnen mit einem weichen, aber dennoch robusten Substrat und enden mit einem harten, verschleißfesten Bauteil. Dies hat unter anderem den Bedarf an Hochleistungslösungen für höhere Produktivität und Qualität in additiven und subtraktiven Fertigungsumgebungen aufgezeigt, insbesondere bei Verfahren wie dem Drahtlichtbogen-Auftragschweißen (WAAM), dem subtraktiven WAAM, dem subtraktiven Laserauftragschweißen oder der Dekorationstechnik. Zu den wichtigsten Punkten gehören:

• Fortschrittliche Servotechnologie:Um die Markteinführungsziele und Kundenspezifikationen hinsichtlich Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität besser zu erfüllen, setzen Endanwender verstärkt auf fortschrittliche 3D-Drucker mit Servosystemen (anstelle von Schrittmotoren) für eine optimale Bewegungssteuerung. Die Vorteile von Servomotoren, wie beispielsweise dem Sigma-7 von Yaskawa, revolutionieren den additiven Fertigungsprozess und helfen Herstellern, gängige Probleme durch die Leistungssteigerung des Druckers zu überwinden.
  • Vibrationsdämpfung: Robuste Servomotoren verfügen über Vibrationsdämpfungsfilter sowie Antiresonanz- und Kerbfilter, die eine extrem gleichmäßige Bewegung ermöglichen und die optisch unschönen Stufenlinien, die durch Drehmomentwelligkeit von Schrittmotoren verursacht werden, eliminieren können.
  • Geschwindigkeitssteigerung: Eine Druckgeschwindigkeit von 350 mm/s ist nun Realität und verdoppelt die durchschnittliche Druckgeschwindigkeit eines 3D-Druckers mit Schrittmotor. Ebenso lassen sich Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 1.500 mm/s mit Drehantrieb oder bis zu 5 m/s mit Linearservotechnologie erreichen. Die extrem schnelle Beschleunigung durch Hochleistungsservos ermöglicht es, die 3D-Druckköpfe deutlich schneller in die richtige Position zu bringen. Dadurch wird die Notwendigkeit, das gesamte System zur Erzielung der gewünschten Oberflächenqualität zu verlangsamen, erheblich reduziert. Dank dieser verbesserten Bewegungssteuerung können Anwender mehr Teile pro Stunde fertigen, ohne Kompromisse bei der Qualität eingehen zu müssen.
  • Automatische Abstimmung: Servosysteme können selbstständig individuelle Einstellungen vornehmen und sich so an Veränderungen in der Druckermechanik oder Abweichungen im Druckprozess anpassen. 3D-Schrittmotoren nutzen keine Positionsrückmeldung, wodurch es nahezu unmöglich ist, Prozessänderungen oder mechanische Ungenauigkeiten auszugleichen.
  • Encoder-Rückmeldung: Robuste Servosysteme mit absoluter Encoder-Rückmeldung benötigen nur eine einmalige Referenzfahrt, was die Betriebszeit erhöht und Kosten spart. 3D-Drucker mit Schrittmotoren verfügen nicht über diese Funktion und müssen bei jedem Einschalten referenziert werden.
  • Feedback-Erkennung: Der Extruder eines 3D-Druckers kann oft ein Engpass im Druckprozess sein, und ein Schrittmotor besitzt nicht die Feedback-Erkennung, um eine Extruderverstopfung zu erkennen – ein Mangel, der zum Abbruch des gesamten Druckauftrags führen kann. Servosysteme hingegen können Extruderverstopfungen erkennen und Filamentabrisse verhindern. Der Schlüssel zu einer überragenden Druckleistung liegt in einem geschlossenen Regelkreis mit einem hochauflösenden optischen Encoder. Servomotoren mit einem 24-Bit-Absolutwertgeber mit hoher Auflösung bieten eine geschlossene Feedback-Auflösung von 16.777.216 Bit für höhere Achsen- und Extrudergenauigkeit sowie Synchronisierung und Schutz vor Verstopfungen.
• Hochleistungsroboter:So wie robuste Servomotoren additive Fertigungsverfahren revolutionieren, tun dies auch Roboter. Ihre exzellente Bahngenauigkeit, die robuste mechanische Struktur und die hohe Schutzart (IP) – kombiniert mit fortschrittlicher Schwingungsdämpfung und Mehrachsenfähigkeit – machen hochflexible Sechs-Achs-Roboter zur idealen Lösung für die anspruchsvollen Prozesse rund um den Einsatz von 3D-Druckern sowie für Schlüsselaufgaben in der subtraktiven Fertigung und hybriden additiven/subtraktiven Verfahren.
  Die Roboterautomatisierung in Kombination mit 3D-Druckmaschinen umfasst häufig die Handhabung der gedruckten Teile in Anlagen mit mehreren Maschinen. Vom Entladen einzelner Teile aus der Druckmaschine bis zum Trennen der Teile nach einem mehrteiligen Druckzyklus optimieren hochflexible und effiziente Roboter die Abläufe und steigern so Durchsatz und Produktivität.
  Beim traditionellen 3D-Druck unterstützen Roboter das Pulvermanagement, indem sie bei Bedarf Pulver nachfüllen und von den fertigen Teilen entfernen. Auch andere in der Metallverarbeitung übliche Bearbeitungsschritte wie Schleifen, Polieren, Entgraten oder Schneiden lassen sich problemlos durchführen. Qualitätsprüfung sowie Verpackungs- und Logistikprozesse werden ebenfalls durch Robotertechnologie abgedeckt, sodass sich die Verarbeiter auf wertschöpfendere Tätigkeiten wie die kundenspezifische Fertigung konzentrieren können.
  Für größere Werkstücke werden Industrieroboter mit großer Reichweite so umgerüstet, dass sie den Extrusionskopf eines 3D-Druckers direkt bewegen können. In Verbindung mit Peripheriegeräten wie Drehbasen, Positionierern, Linearführungen, Portalen und weiteren Komponenten entsteht so der benötigte Arbeitsraum zur Herstellung räumlicher Freiformstrukturen. Neben dem klassischen Rapid Prototyping werden Roboter auch zur Fertigung großvolumiger Freiformteile, Gussformen, 3D-geformter Fachwerkkonstruktionen und großformatiger Hybridbauteile eingesetzt.
• Mehrachsen-Maschinensteuerungen:Innovative Technologien zur Vernetzung von bis zu 62 Bewegungsachsen in einer einzigen Umgebung ermöglichen nun die Multisynchronisation einer breiten Palette von Industrierobotern, Servosystemen und Frequenzumrichtern für additive, subtraktive und hybride Fertigungsverfahren. Eine ganze Gerätefamilie kann nahtlos unter der vollständigen Steuerung und Überwachung einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) oder eines IEC-Maschinencontrollers wie dem MP3300iec zusammenarbeiten. Professionelle Plattformen wie diese, die häufig mit einer dynamischen IEC-Software (61131) wie MotionWorks IEC programmiert werden, nutzen vertraute Werkzeuge (z. B. RepRap-G-Codes, Funktionsbausteindiagramme, Strukturierter Text, Kontaktplan usw.). Um die Integration zu vereinfachen und die Maschinenverfügbarkeit zu optimieren, sind vorgefertigte Funktionen wie die Bettnivellierung, die Extruderdrucksteuerung sowie die Steuerung mehrerer Spindeln und Extruder integriert.
• Benutzerschnittstellen für die moderne Fertigung:Für Anwendungen im 3D-Druck, der Formbearbeitung, im Werkzeugmaschinenbau und in der Robotik bieten diverse Softwarepakete große Vorteile. Sie ermöglichen die schnelle Bereitstellung einer einfach anpassbaren grafischen Maschinenschnittstelle und damit eine höhere Flexibilität. Intuitive Plattformen wie Yaskawa Compass wurden mit Blick auf Kreativität und Optimierung entwickelt und erlauben Herstellern die individuelle Gestaltung und Anpassung der Benutzeroberfläche. Von der Integration grundlegender Maschinenattribute bis hin zur Berücksichtigung von Kundenwünschen ist nur wenig Programmierung erforderlich – diese Tools bieten eine umfangreiche Bibliothek vorgefertigter C#-Plug-ins oder ermöglichen den Import eigener Plug-ins.

ERHÖHE DICH

Obwohl additive und subtraktive Verfahren weiterhin beliebt sind, wird sich in den nächsten Jahren ein stärkerer Trend hin zum hybriden additiven/subtraktiven Verfahren abzeichnen. Bis 2027 wird ein durchschnittliches jährliches Wachstum (CAGR) von 14,8 Prozent erwartet.¹Der Markt für hybride additive Fertigungsanlagen ist bestens gerüstet, um den steigenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Um sich im Wettbewerb zu behaupten, sollten Hersteller die Vor- und Nachteile des Hybridverfahrens für ihre Betriebsabläufe sorgfältig abwägen. Von der bedarfsgerechten Teilefertigung bis hin zur deutlichen Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks bietet das hybride additive/subtraktive Verfahren attraktive Vorteile. Die fortschrittlichen Technologien dieser Prozesse sollten nicht außer Acht gelassen und in der Fertigung implementiert werden, um höhere Produktivität und Produktqualität zu erzielen.