Roboter vs. CNC für die automatisierte additive Metallfertigung

Von David Alatorre, CTO, Rivelin Robotics

Der Einsatz der additiven Metallfertigung hat die Fertigungsindustrie revolutioniert und ermöglicht die schnellere und kostengünstigere Herstellung komplexer und komplizierter Teile. Die notwendige Nachbearbeitung dieser Teile führt jedoch zu zeitlichen und finanziellen Einschränkungen bei den Gesamtkosten pro Teil, die die Vorteile von AM völlig zunichte machen können. Das Entfernen von Stützen ist der entscheidende erste Schritt bei der Nachbearbeitung von Metall-AM-Teilen und eine Herausforderung. Heutzutage sind Stützelemente für die Teiletreue während des Herstellungsprozesses immer noch unerlässlich, sie müssen jedoch entfernt werden, um das gewünschte Endprodukt mit der gewünschten Form, den vorgesehenen Merkmalen und Toleranzen zu erhalten.

Während die manuelle Entfernung von Stützstrukturen bei vielen Anwendungen der Metall-AM immer noch der Status Quo ist, geht es in diesem Artikel um den Übergang zu automatisierten Lösungen für die Entfernung (und Nachbearbeitung) von Stützstrukturen und um die Vor- und Nachteile der Verwendung von CNC-Systemen (Computer Numerical Control) gegenüber der Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von Robotern.

Unterstützen oder nicht unterstützen? Es gibt Argumente dafür, dass das Problem der Entfernung von Stützstrukturen in der additiven Fertigung letztendlich durch das sogenannte stützfreie Drucken gelöst werden kann. Dies wäre natürlich das ultimative Ziel, völlige Designfreiheit bei optimierter Ressourceneffizienz zu ermöglichen, wobei Rohstoffe und Energie nur für die Herstellung des Endteils und nicht für die Stützen verwendet werden.

Leider ist der AM-Sektor noch nicht so weit, und obwohl die Unterstützung durch das Design minimiert wird, sind sie immer noch – und werden es auch in absehbarer Zukunft sein – eine Notwendigkeit. Die Minimierung des Material- und Energieaufwands für Stützen ist in fast jeder Situation richtig, kann aber auch die Gestaltungsfreiheit beeinträchtigen und die gewünschte Funktionalität des Endverwendungsteils beeinträchtigen, das beispielsweise entworfen werden muss mit ausgefüllten Hohlräumen oder Überhängen, die zum Verlust der Leichtgewichtigkeit führen. Generative Designs können auch unnötig eingeschränkt werden, um die Winkel zu erhalten, die für reduzierte Stützen erforderlich sind.

Ein Fokus auf die Reduzierung des Supports kann sich auch auf die Prozesseffizienz auswirken. Beispielsweise müssen lange Teile möglicherweise in einer bestimmten Ausrichtung gebaut werden und nehmen daher mehr Platz auf der Bauplatte ein, und gestapelte Bauten können aufgrund der miteinander verbundenen Stützstrukturen unpraktisch werden.

Kurz gesagt: Obwohl wir immer nach weniger Support streben sollten, sind sie derzeit immer noch ein notwendiges Werkzeug für die meisten komplexen AM-Anwendungen.

Manuelle Nachbearbeitung Erstaunlicherweise ist die manuelle Entfernung von Support für die Mehrheit der AM-Benutzer auch heute noch das Verfahren der Wahl. Es erfordert hochqualifizierte Techniker, um Stützstrukturen mit herkömmlichen Handwerkzeugen aller Art zu entfernen. Dremels sind auch nützlich. Es ist erprobt und erprobt, erfordert aber Geschicklichkeit, Problemlösungskompetenz und Kreativität. Es eignet sich gut für Produktionsumgebungen mit hohem Mix und geringem Volumen.

Allerdings ist das manuelle Entfernen der Stützen auch sehr zeitaufwändig, arbeitsintensiv und schmutzig, da giftiger Staub eine persönliche Schutzausrüstung oder abgeschirmte Umgebungen erfordert. Das Risiko einer Pulverentzündung und -explosion sowie Verletzungen durch wiederholte Belastung sind häufige Probleme. Darüber hinaus ist es nicht genau wiederholbar und variiert von Person zu Person und sogar von Schicht zu Schicht, was zu Problemen bei der Qualitätskontrolle und einem Anstieg der Ausschussrate führt. Es ist auch schwierig zu skalieren, wenn die Nachfrage nach AM-Teilen deutlich zu steigen beginnt.

Automatisierung Bei Lösungen zur Automatisierung der Nachbearbeitung von AM-Metallteilen wurden einige Fortschritte erzielt. Am gebräuchlichsten ist der Einsatz von CNC-Fräsmaschinen, einer bewährten Technologie für eine Vielzahl von Fertigungsanwendungen, einschließlich eines Hybridansatzes für AM. Sie sind unbestreitbar genau und wiederholbar. Doch nur weil etwas üblich ist und sich in manchen Bereichen bewährt hat, heißt das nicht zwangsläufig, dass es immer die beste Lösung ist.

CNC kann gut funktionieren, wenn das betreffende Teil enge Toleranzen aufweist und Ebenheit, Rundheit, Konzentrizität oder Abmessungen innerhalb weniger Mikrometer liegen müssen. Es handelt sich außerdem um die bevorzugte Technologie zum Entfernen von Stützstrukturen bei Großserienfertigungen, bei denen die Geometrien einfach sind oder sich eine einfache Befestigung in nur wenigen Ausrichtungen ergibt. Ebenso kann es gut für Drucke geeignet sein, bei denen die Entfernung der Plattform mit einem CNC-Erodiergerät den Großteil der Unterstützung übernimmt.

Für dünnwandige Bauteile, platzsparende Stapelaufbauten und Teile mit Gitterstrukturen oder Sollbruchstützen sind CNC-Maschinen jedoch keine gute Lösung. Man kann auch mit Recht sagen, dass CNC-Programmierer keine einmaligen generativ gestalteten organischen Formen mit zusammengesetzten Kurven mögen.

Dies verdeutlicht und stärkt das Argument gegen CNC für die Entfernung der Unterstützung im AM-Ökosystem.

Einer der Haupttreiber von AM ist die Flexibilität des Designs, die es Benutzern ermöglicht, Komponenten von einer Charge zur nächsten zu iterieren, anzupassen und zu aktualisieren. Das bedeutet, dass Unternehmen, die AM in der Produktion einsetzen, selten in eine starre Industrieautomation investieren. Jede Iteration, jede Änderung am Design würde eine neue CNC-Trajektorie für einen neuen Werkzeugweg bedeuten und wäre mit hohen Kosten verbunden. AM muss diese Designflexibilität auf jeden Schritt der Fertigungsprozesskette übertragen.

Das Problem ist bei Werkzeugen und Vorrichtungen ähnlich. Die Art von hochpräzisen Vorrichtungen, die für eine starre Industrieautomation erforderlich sind, macht einfach keinen Sinn, es sei denn, Sie sind bereit, sich langfristig auf ein Design festzulegen.

Und dann ist da noch das Problem der Variabilität von Charge zu Charge. Selbst wenn Sie über eine perfekte Vorrichtung und einen perfekten Werkzeugweg verfügen, ist es möglicherweise nicht die beste Idee, sich direkt aus dem Drucker auf eine perfekt vorhersehbare Auflagefläche zu verlassen. Dies liegt daran, dass davon ausgegangen wird, dass sich AM-Stützen durchbiegen, sodass AM-Teile dies nicht tun müssen. AM-Stützen werden dünn hergestellt, um die Verwendung von Pulvermaterial zu maximieren. An der Komponente werden dünne Verbindungen hergestellt, um Oberflächenzeuge zu minimieren und das Abbrechen des Gerüsts zu erleichtern. Manchmal ändert sich sogar die Materialzusammensetzung zwischen den Chargen, was bedeutet, dass Träger von Charge zu Charge anders aussehen und sich anders verhalten können.

Roboter Daher benötigt AM eine Automatisierung, die sich an Schwankungen anpassen kann, insbesondere für die Unterstützung und Entfernung von Zeugen. Und diese Herausforderung wurde durch den Einsatz hochentwickelter Software und künstlicher Intelligenzsysteme gelöst, die dabei helfen, Werkzeugwege und Roboterbewegungen zu generieren, ohne ein ganzes Team für Systemtechnik zu mobilisieren. Dies ermöglicht dann eine schnelle Iteration sowie die Automatisierung kleiner Chargen.

Durch 3D-Scannen können Teile statt hochpräziser Vorrichtungen lokalisiert werden. Das bedeutet, dass Desktop-FDM-Drucker zur schnellen Herstellung von Kunststoffvorrichtungen verwendet werden können, ohne sich Gedanken über die Genauigkeit oder Änderungen am Design machen zu müssen. Darüber hinaus können Kraftsensoren eingesetzt werden, um die Oberfläche zu ertasten und die Bearbeitung entsprechend anzupassen, um mehr Zeit an hohen Stellen zu verbringen, bis die endgültige Form erreicht ist, oder um ein gleichmäßiges Finish zu erzielen

Ein großer Vorteil besteht darin, dass jedes Werkzeug zum Entfernen und Nachbearbeiten von Stützstrukturen verwendet werden kann. Wenn bereits bekannt ist, welche Werkzeuge mit den Materialien oder den gedruckten Trägertypen gut funktionieren, können dieselben Werkzeuge an einen Roboter angeschlossen werden, um eine sicherere Automatisierung zu ermöglichen. Mit der heutigen Technologie ähneln die Schritte zum Hinzufügen eines neuen kundenspezifischen Werkzeugs im Wesentlichen dem Hinzufügen eines neuen Schaftfräsertyps zu einer CNC-Maschine und erfordern keinen Systemintegrator, der stundenweise abrechnet.

Aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Effizienz, Flexibilität, Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Sicherheit, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit erweisen sich Roboter im Vergleich zu CNC-Maschinen als überlegene Lösung für die automatisierte Entfernung von Stützen aus AM-Metallteilen. Der Einsatz von Robotern in diesem Prozess führt nicht nur zu einem besser fertigen Produkt, sondern sorgt auch für einen sichereren, nachhaltigeren und kostengünstigeren End-to-End-Herstellungsprozess.

Mikroprozessorbasierte Steuerung für eine Werkzeugmaschine, die die Erstellung oder Änderung von Teilen ermöglicht. Eine programmierte numerische Steuerung aktiviert die Servos und Spindelantriebe der Maschine und steuert die verschiedenen Bearbeitungsvorgänge. Siehe DNC, direkte numerische Steuerung; NC, numerische Steuerung.

Prozess, bei dem leitfähige Materialien durch kontrollierte Anwendung eines gepulsten elektrischen Stroms verdampft werden, der zwischen einem Werkstück und einer Elektrode (Werkzeug) in einer dielektrischen Flüssigkeit fließt. Ermöglicht die Bearbeitung von Formen mit hoher Genauigkeit ohne die inneren Spannungen, die bei der herkömmlichen Bearbeitung häufig auftreten. Nützlich bei der Herstellung von Stanzformen.

Am Schaft gehaltener Fräser, der am Umfang und bei entsprechender Konfiguration auch am freien Ende schneidet. Erhältlich in verschiedenen Formen (Einzel- und Doppelend, Schrupp-, Kugelkopf- und Becherende) und Größen (Stummel, Mittel, Lang und Extralang). Auch mit unterschiedlicher Anzahl an Flöten erhältlich.

Oft selbst hergestelltes Gerät, das ein bestimmtes Werkstück hält. Siehe Vorrichtung; modulare Befestigung.

Bearbeitung mit mehreren auf einer Welle montierten Fräsern, im Allgemeinen zum gleichzeitigen Schneiden.

Leichtes, abrasives Material zur Endbearbeitung einer Oberfläche.

Bearbeitungsvorgang, bei dem Metall oder anderes Material durch Krafteinwirkung auf einen rotierenden Fräser entfernt wird. Beim Vertikalfräsen wird das Schneidwerkzeug vertikal auf der Spindel montiert. Beim Horizontalfräsen wird das Schneidwerkzeug horizontal montiert, entweder direkt auf der Spindel oder auf einem Dorn. Das Horizontalfräsen wird weiter in das konventionelle Fräsen unterteilt, bei dem sich der Fräser entgegen der Vorschubrichtung oder „nach oben“ in das Werkstück hinein dreht; und Gleichlauffräsen, bei dem sich der Fräser in Vorschubrichtung oder „nach unten“ in das Werkstück dreht. Zu den Fräsvorgängen gehören Plan- oder Flächenfräsen, Schaftfräsen, Planfräsen, Winkelfräsen, Formfräsen und Profilfräsen.

Jedes gesteuerte Gerät, das es einem Bediener ermöglicht, seine Bewegung durch Eingabe einer Reihe codierter Zahlen und Symbole zu programmieren. Siehe CNC, numerische Computersteuerung; DNC, direkte numerische Steuerung.

Begriffe, die ein formelles Programm zur Überwachung der Produktqualität bezeichnen. Die Bezeichnungen sind die gleichen, aber QC bedeutet typischerweise ein traditionelleres System zur Nachbearbeitungskontrolle, während QA einen umfassenderen Ansatz impliziert, mit Schwerpunkt auf „Gesamtqualität“, umfassenden Qualitätsprinzipien, statistischer Prozesskontrolle und anderen statistischen Methoden.

Disziplin mit selbstauslösenden und selbsttätigen Geräten. Roboter imitieren häufig menschliche Fähigkeiten, einschließlich der Fähigkeit, physische Objekte zu manipulieren und gleichzeitig verschiedene Reize zu bewerten und angemessen darauf zu reagieren. Siehe Industrieroboter; Roboter.

Autor Unterstützen oder nicht unterstützen? Manuelle Nachbearbeitung von Automatisierungsrobotern