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

Servomotoren und Roboter verändern additive Anwendungen. Erfahren Sie die neuesten Tipps und Anwendungen zur Implementierung von Roboterautomatisierung und fortschrittlicher Bewegungssteuerung für die additive und subtraktive Fertigung sowie die Zukunftsaussichten: Denken Sie an hybride additive/subtraktive Verfahren.

FORTSCHRITTLICHE AUTOMATISIERUNG

Von Sarah Mellish und RoseMary Burns

Der Einsatz von Energieumwandlungsgeräten, Bewegungssteuerungstechnologie, hochflexiblen Robotern und einer Vielzahl weiterer fortschrittlicher Technologien sind treibende Faktoren für das rasante Wachstum neuer Fertigungsverfahren in der gesamten Industrie. Additive und subtraktive Fertigung revolutionieren die Herstellung von Prototypen, Teilen und Produkten und sind zwei Paradebeispiele dafür, wie sie die Effizienz und Kosteneinsparungen ermöglichen, die Hersteller für ihre Wettbewerbsfähigkeit benötigen.

Additive Fertigung (AM), auch als 3D-Druck bezeichnet, ist ein unkonventionelles Verfahren, das üblicherweise digitale Konstruktionsdaten nutzt, um durch schichtweises Verschmelzen von Materialien feste dreidimensionale Objekte zu erzeugen. Die additive Fertigung (AM) ermöglicht oft die abfallfreie Herstellung endkonturnaher Teile (NNS) und setzt sich sowohl für einfache als auch für komplexe Produktdesigns in Branchen wie der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Energiebranche, der Medizintechnik, dem Transportwesen und der Konsumgüterindustrie durch. Im Gegensatz dazu werden beim subtraktiven Verfahren durch hochpräzises Schneiden oder Bearbeiten Abschnitte aus einem Materialblock entfernt, um ein 3D-Produkt zu erzeugen.

Trotz wesentlicher Unterschiede schließen sich additive und subtraktive Verfahren nicht immer gegenseitig aus, da sie in verschiedenen Phasen der Produktentwicklung eingesetzt werden können. Ein frühes Konzeptmodell oder ein Prototyp wird häufig im additiven Verfahren erstellt. Sobald das Produkt fertiggestellt ist, können größere Chargen erforderlich sein, was die Möglichkeit zur subtraktiven Fertigung eröffnet. In jüngerer Zeit werden hybride additive/subtraktive Verfahren eingesetzt, wenn Zeit ein entscheidender Faktor ist, beispielsweise zur Reparatur beschädigter/abgenutzter Teile oder zur Herstellung hochwertiger Teile mit kürzerer Vorlaufzeit.

AUTOMATISIEREN SIE VORWÄRTS

Um den hohen Kundenanforderungen gerecht zu werden, integrieren Hersteller verschiedene Drahtmaterialien wie Edelstahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Titan, Aluminium und andere unterschiedliche Metalle in ihre Teilekonstruktion. Dabei wird zunächst ein weiches, aber dennoch festes Substrat verwendet, das schließlich mit einer harten, verschleißfesten Komponente endet. Dies hat unter anderem den Bedarf an Hochleistungslösungen für höhere Produktivität und Qualität sowohl in der additiven als auch in der subtraktiven Fertigung aufgezeigt, insbesondere bei Verfahren wie Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), WAAM-Subtraktion, Laser-Cladding-Subtraktion oder Dekoration. Zu den Highlights zählen:

• Fortschrittliche Servotechnologie:Um Markteinführungsziele und Kundenspezifikationen hinsichtlich Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität besser zu erfüllen, greifen Endnutzer auf moderne 3D-Drucker mit Servosystemen (anstelle von 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 Druckeroptimierung zu überwinden:
  • Vibrationsunterdrückung: Robuste Servomotoren verfügen über Vibrationsunterdrückungsfilter sowie Antiresonanz- und Sperrfilter, die für eine extrem gleichmäßige Bewegung sorgen und die optisch unschönen Stufenlinien, die durch die Drehmomentwelligkeit des Schrittmotors verursacht werden, beseitigen können.
  • Geschwindigkeitssteigerung: Eine Druckgeschwindigkeit von 350 mm/s ist nun Realität und mehr als doppelt so schnell wie die durchschnittliche Druckgeschwindigkeit eines 3D-Druckers mit Schrittmotor. Ebenso können Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 1.500 mm/s mit Rotations- und bis zu 5 m/s mit linearer Servotechnologie erreicht werden. Die extrem hohe Beschleunigung durch Hochleistungsservos ermöglicht es, 3D-Druckköpfe schneller in die gewünschte Position zu bringen. Dies trägt wesentlich dazu bei, dass das gesamte System nicht mehr verlangsamt werden muss, um die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen. Diese verbesserte Bewegungssteuerung ermöglicht es Endanwendern, mehr Teile pro Stunde ohne Qualitätseinbußen herzustellen.
  • Automatisches Tuning: Servosysteme können selbstständig ein individuelles Tuning durchführen und sich so an Änderungen in der Druckermechanik oder Abweichungen im Druckprozess anpassen. 3D-Schrittmotoren nutzen keine Positionsrückmeldung, wodurch Prozessänderungen oder Abweichungen in der Mechanik kaum kompensiert werden können.
  • Encoder-Feedback: Robuste Servosysteme mit absolutem Encoder-Feedback müssen nur einmal eine Homing-Routine durchführen, was zu längeren Betriebszeiten und Kosteneinsparungen führt. 3D-Drucker mit Schrittmotortechnologie verfügen nicht über diese Funktion und müssen bei jedem Einschalten neu gehomed werden.
  • Feedback-Sensorik: Der Extruder eines 3D-Druckers kann im Druckprozess oft einen Engpass darstellen, und ein Schrittmotor verfügt nicht über die Feedback-Sensorik, um einen Extruderstau zu erkennen – ein Defizit, das zum Ruin eines gesamten Druckauftrags führen kann. Servosysteme können daher Extruderstaus erkennen und Filamentablösung verhindern. Der Schlüssel zu überlegener Druckleistung ist ein geschlossenes Regelsystem mit einem hochauflösenden optischen Encoder. Servomotoren mit einem 24-Bit-Absolut-Encoder mit hoher Auflösung bieten eine Feedback-Auflösung von 16.777.216 Bit für höhere Achsen- und Extrudergenauigkeit sowie Synchronisierung und Stauschutz.
• Hochleistungsroboter:So wie robuste Servomotoren additive Anwendungen verändern, tun dies auch Roboter. Ihre exzellente Bahnperformance, die robuste mechanische Struktur und der hohe Staubschutz (IP) – kombiniert mit fortschrittlicher Schwingungsdämpfung und Mehrachsenfähigkeit – machen hochflexible Sechsachsenroboter zur idealen Option für die anspruchsvollen Prozesse rund um den Einsatz von 3D-Druckern sowie für Schlüsselprozesse in der subtraktiven Fertigung und hybriden additiven/subtraktiven Verfahren.
  Die Roboterautomatisierung ergänzend zu 3D-Druckmaschinen umfasst im Wesentlichen die Handhabung gedruckter Teile in Mehrmaschinenanlagen. Vom Entladen einzelner Teile aus der Druckmaschine bis hin zur Trennung von Teilen nach einem mehrteiligen Druckzyklus optimieren hochflexible und effiziente Roboter den Betrieb für höheren Durchsatz und höhere Produktivität.
  Beim herkömmlichen 3D-Druck unterstützen Roboter das Pulvermanagement, indem sie bei Bedarf Druckerpulver nachfüllen und Pulver von fertigen Teilen entfernen. Auch andere in der Metallverarbeitung beliebte Aufgaben der Teilebearbeitung wie Schleifen, Polieren, Entgraten oder Schneiden lassen sich problemlos erledigen. Auch die Anforderungen an Qualitätskontrolle sowie Verpackung und Logistik werden durch Robotertechnologie optimal erfüllt, sodass sich Hersteller auf höherwertige Arbeiten wie die Sonderanfertigung konzentrieren können.
  Für größere Werkstücke werden Industrieroboter mit großer Reichweite eingesetzt, die den Extrusionskopf eines 3D-Druckers direkt bewegen. In Kombination mit Peripheriegeräten wie Drehtellern, Positionierern, Linearführungen, Portalen und mehr bietet dies den erforderlichen Arbeitsraum für die Erstellung räumlicher Freiformstrukturen. Neben dem klassischen Rapid Prototyping werden Roboter auch für die Herstellung großvolumiger Freiformteile, Gussformen, dreidimensionaler Fachwerkkonstruktionen und großformatiger Hybridteile eingesetzt.
• Mehrachsige Maschinensteuerungen:Innovative Technologie zum Verbinden von bis zu 62 Bewegungsachsen in einer einzigen Umgebung ermöglicht jetzt die Mehrfachsynchronisierung einer breiten Palette von Industrierobotern, Servosystemen und Frequenzumrichtern, die in additiven, subtraktiven und hybriden Prozessen zum Einsatz kommen. Eine ganze Gerätefamilie kann jetzt nahtlos zusammenarbeiten und wird vollständig von einer SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) oder einem IEC-Maschinencontroller wie dem MP3300iec gesteuert und überwacht. Professionelle Plattformen wie diese werden häufig mit einem dynamischen 61131 IEC-Softwarepaket wie MotionWorks IEC programmiert und verwenden vertraute Tools (z. B. RepRap G-Codes, Funktionsblockdiagramme, strukturierte Texte, Kontaktpläne usw.). Um eine einfache Integration zu ermöglichen und die Maschinenverfügbarkeit zu optimieren, sind vorgefertigte Tools wie Bettnivellierungskompensation, Extruderdruckvorschubsteuerung sowie Mehrspindel- und Extrudersteuerung im Lieferumfang enthalten.
• Erweiterte Benutzeroberflächen für die Fertigung:Verschiedene Softwarepakete bieten Anwendungen im 3D-Druck, Formschneiden, Werkzeugmaschinen und der Robotik und ermöglichen schnell eine einfach anpassbare grafische Maschinenoberfläche, die mehr Flexibilität ermöglicht. Intuitive Plattformen wie Yaskawa Compass wurden mit Blick auf Kreativität und Optimierung entwickelt und ermöglichen Herstellern die einfache und individuelle Gestaltung von Bildschirmen. Von der Integration zentraler Maschinenattribute bis hin zur Anpassung an Kundenbedürfnisse ist nur wenig Programmieraufwand erforderlich, da diese Tools eine umfangreiche Bibliothek vorgefertigter C#-Plugins bieten oder den Import benutzerdefinierter Plugins ermöglichen.

ERHEBE DICH

Während die einzelnen additiven und subtraktiven Verfahren weiterhin beliebt sind, wird sich in den nächsten Jahren ein stärkerer Trend hin zur hybriden additiven/subtraktiven Methode abzeichnen. Bis 2027 wird mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 14,8 Prozent gerechnet.¹Der Markt für hybride additive Fertigungsmaschinen ist bestens aufgestellt, um den steigenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Um sich von der Konkurrenz abzuheben, sollten Hersteller die Vor- und Nachteile des Hybridverfahrens für ihre Prozesse abwägen. Das hybride additive/subtraktive Verfahren bietet attraktive Vorteile, da es Teile bedarfsgerecht produziert und den CO2-Fußabdruck deutlich reduziert. Die fortschrittlichen Technologien für diese Verfahren sollten jedoch nicht vernachlässigt und in den Werken implementiert werden, um die Produktivität und Produktqualität zu steigern.