Automatisierte robotergestützte Methodik zur Fertigung und Nachbearbeitung von Werkstücken auf Basis generativer Herstellungsverfahren
Motivation
Die generative Fertigung hat in den letzten Jahren für die produzierende Industrie an großer Bedeutung gewonnen. Die Anzahl industrieller Systeme zur additiven Herstellung hat sich in der Zeit von 2010 bis 2014 in Deutschland verdreifacht. Seit mehr als 15 Jahren finden additive Fertigungsmethoden von Kunst-stoffbauteilen hauptsächlich im Bereich des Rapid-Prototypings und der Einzelteilfertigung Anwendung. In den letzten Jahren hat sich die Technologie dahingehend weiterentwickelt, dass sie bereits für Kleinserien und die Serienfertigung eingesetzt werden kann. Allen additiven Verfahren ist dabei gemein, dass sie einen Kompromiss aus Bauteilqualität und Durchlaufzeit eingehen. Die maximale Geschwindigkeit des Materialauftrags wird durch die Leistung des Extrudersystems begrenzt und die Prozesszeit ist signifikant von der gewählten Schichtdicke abhängig.
Eine geringe Durchlaufzeit kann nur durch eine geringe Schichtauflösung erreicht werden und induziert dadurch, dass in der Regel bei hochtolerierten Qualitätsbereichen spanend nachbearbeitet werden muss. Weist ein Bauteil zudem eine hohe Komplexität und starke geometrische Überhänge auf, so wird eine Stützstruktur zur Erhaltung der Bauteilstabilität während des Prozesses benötigt. Eine Erweiterung der im Prozess verwendeten Maschinenkinematik bietet das Potential, den Anteil von Stützmaterialien zu verringern oder gar vollständig zu eliminieren. Zusätzliche Freiheitsgrade ermöglichen eine Neuorientierung zwischen dem Bauteil und dem Extruder schon während des Prozesses, ohne auf ein Umspannen des Werkstückträgers angewiesen zu sein.
Zielsetzung
Im Rahmen des Forschungsvorhabens „AuRoNa3D“ wird eine hybride Prozesskette entwickelt, die zur Erhöhung des Automatisierungsgrads von additiven Fertigungsprozessen beiträgt. Dafür wird der konventionelle 3D-Druck um zusätzliche Freiheitsgrade erweitert und eine spanende Bearbeitung zur Steigerung der geometrischen Maßhaltigkeit eingeführt.
Vorgehensweise
Kern der hybriden Prozesskette bilden zwei Programme zur Maschinenprogramm- und Prozessverwaltung. Dabei übernimmt das „Preperation and Simulation Tool“ die Aufbereitung und Vorverarbeitung der Prozessdaten. Das Programm greift über eine Schnittstelle auf die Bauteilinformationen aus dem CAD/CAM-System zu und liefert das Maschinenprogramm zur Robotersteuerung für die spanende Nachbearbeitung und optische Messung. Über einen Slicer wird das Maschinenprogramm zur additiven Fertigung erstellt. Die einzelnen Maschinenprogramme können folgend zur Prozesssimulation genutzt werden. Innerhalb des Preperation and Simulation Tools werden alle drei Programmabschnitte zu einem gemeinsamen Maschinenprogramm (G-Code) aggregiert. Dabei entstehen abwechselnde Steuerungsblöcke zur additiven Fertigung, optischen Messung und subtraktiven Nachbearbeitung. Während der Programmlaufzeit überwacht das Programm „Control Tool“ den Fertigungsprozess. Sollte bei der optischen Messung eine unzureichende Qualität detektiert werden, wird im Nachgang der Steuerungsblock zur spannenden Nachbearbeitung ausgeführt. Bei Funktionsflächen wird die spanende Nachbearbeitung immer ausgeführt. Zur Qualitätsüberwachung wird das additiv gefertigte Bauteil in definierten Posen unter dem Sensor geführt und eine 3D-Punktwolke vom Ist-Zustand generiert. Die tatsächliche Geometrie wird mit den CAD-Daten abgeglichen und potentielle Verletzungen der Qualitätsanforderungen identifiziert. Sollte die Qualität der additiven Fertigung den Vorgaben entsprechen wird der Maschinenprogrammblock zur subtraktiven Nachbearbeitung nicht ausgeführt und es folgt der nächste additive Fertigungsabschnitt.