Industriellen 3D-Druck automatisieren

 Wie starte ich eine wirtschaftliche Kleinserienfertigung?

Der industrielle 3D-Druck birgt erhebliche Potentiale für die wirtschaftliche Fertigung kleinerer Losgrößen. Viele Unternehmen nutzen das flexible Fertigungsverfahren bereits für den Werkzeug- und Prototypenbau und wünschen sich diese Flexibilität auch für die Serienfertigung. Wie lässt sich der Schritt zur Automatisierung reibungslos vollziehen?

 

Wachstum zu zwei Dritteln in der Industrie

Als ich vor mehr als 15 Jahren zu Bosch Rexroth kam, war 3D-Druck noch kaum bekannt. Heute werden Zahnprotesen, Lebensmittel, Möbel, ja sogar Schuhe und Uhren durch additiven Materialauftrag gefertigt. Den Umsatz mit 3D-Druck schätzen Experten für das Jahr 2020 auf 21 Mrd. Dollar.[(1)] Rund zwei Drittel davon gehen auf industrielle Anwendungen zurück, in erster Linie auf den Prototypen- oder Werkzeugbau. Doch um beispielsweise Kunststoffteile als wirtschaftliche Alternative zum Spritzgießen mit Stückzahlen von 1.000 bis 10.000 zu drucken, müssen Maschinenbauer und Anwender zunächst die typischen Herausforderungen des industriellen 3D-Drucks meistern, insbesondere den bislang hohen Anteil an manuellen Arbeiten reduzieren, die hohe Ausschussquote und die aufwändige Qualitätsprüfung minimieren.

 

Additive Manufacturing industrialisieren

Obgleich Additive Manufacturing im Kern eine digitale Technologie ist, greifen die einzelnen Prozesse nicht von allein so gut ineinander, wie es für eine Fertigung zu Massenproduktionskonditionen erforderlich wäre. Maschinenbauer müssen den komplexen Fertigungsprozess zunächst voll und ganz verstehen – von den Materialeigenschaften über die physikalisch-chemischen Vorgänge im Prozess bis hin zur Mechanik, der Nachbearbeitung sowie der nachgelagerten Qualitätsprüfung. Und natürlich muss auch die Maschinenverfügbarkeit stimmen. Dies alles erfordert eine hohe Transparenz, die sich idealerweise über die gesamte Wertschöpfungskette erstreckt – von Prepress zu Postpress. Von zentraler Bedeutung für die Automation sind dabei die Steuerung, die Messtechnik und die Software. Sie bilden den Schlüssel für die Zukunft des Additive Manufacturing, denn nur mit ihnen lassen sich Schwankungen im laufenden Prozess ad hoc nachregeln und aufwendige Qualitätsprüfungen und Nacharbeit vermeiden.

Von Prepress zu Postpress: Damit der 3D-Druck auch in der Kleinserie wirtschaftlich ist, ist ein ganzheitliches Verständnis des Wertschöpfungsprozesses notwendig.

 

Ganz nah am Prozess: Slim Machine Automation

Die Regelalgorithmen für den Prozess leiten sich von den charakteristischen Größen wie Temperatur und dem Abkühlverhalten des verwendeten Metalls oder industriellen Kunststoffs ab. Um den Prozess zu evaluieren und kontinuierlich zu verbessern, ist eine Inline-Prozessüberwachung erforderlich, welche die Prozessdaten in Echtzeit erfasst und aufzeichnet, etwa mithilfe des Data Analytics Server von Bosch Rexroth. In der Forschungsphase lassen sich so bereits Rückschlüsse für die spätere Serienfertigung ziehen, um etwa Schwindungen und Risse zu vermeiden. In der Fertigung können dann qualitätsrelevante Prozessparameter zur Zertifizierung aufgezeichnet und dokumentiert werden. Je weniger Schnittstellen dabei zu überwinden sind, je schneller das Regelverhalten der Steuerung und je effizienter die Regelalgorithmen sind, desto näher kommen die Verantwortlichen ihrem Prozess, können diesen stabilisieren und optimieren. Mit dem hochintegrierten Slim Machine Automation Konzept minimiert Bosch Rexroth die Anzahl der Schnittstellen und schafft die Grundlage für ein möglichst schnelles Regelverhalten und effiziente Regelalgorithmen.

 

Die Slim Machine Automation minimiert die Schnittstellen für den industriellen 3D Druck und ermöglicht schnellstes Regelverhalten und effiziente Regelalgorithmen.

 

Welche Steuerung brauche ich?

Seitens der Steuerung ist mit Blick auf die Oberflächengüte darauf zu achten, dass sie kürzeste Taktzeiten realisieren kann, aber auch genug Rechenperformance bietet, um Daten direkt auf der Steuerung rechnen zu können. Beide Anforderungen treffen insbesondere auf die leistungsstarke CNC-Steuerung IndraMotion MTX von Bosch Rexroth zu. Diese zeichnet sich nicht nur durch kürzeste SPS-und CNC-Zykluszeiten aus, sondern auch durch eine intelligente Temperaturregelung, etwa für eine temperierte Bauplattform oder beheizten Bauraum. Dazu kommen innovative CNC-Funktionen für zum Beispiel adaptiven Materialauftrag und Optimierungswerkzeuge, vielfältige Möglichkeiten der Interpolation sowie ein standardisierter G-Code für jede Slicer-Software. Das Know-how des Maschinenbauers schützt die MTX mit einer kryptischen Verschlüsselungstechnologie.

 

Online- und Offline-Simulation

Die in der MTX-Software integrierte Online-Simulation überwacht Bauzeit, Auftrags- und Wegbahnen der Druckköpfe automatisch und verhindert Kollisionen beim Materialauftrag.  Für eine effizienzsteigernde Offline-Simulation lässt sich die MTX ferner als Hardware in the Loop an Plattformen wie Matlab oder Simulink anbinden. So können Maschinenbauer bereits im Vorfeld Materialsimulationen durchführen oder der Anwender qualitätsrelevante Parameter zertifizieren.

 

Linienintegration über offene Standards

Laut VDMA besteht der nächste Schritt beim industriellen 3D-Druck darin, eine durchgängige Prozess- und Datenkette von der Konstruktion über qualitätsgesicherte Fertigungsprozesse bis zur automatisierten Nachbearbeitung zu realisieren. Mit einer leistungsfähigen und i4.0-fähigen CNC-Steuerung und offenen Standards sind die technischen Voraussetzungen hierfür bereits erfüllt. Denn die nahtlose Anbindung der Steuerung über offene Standards erleichtert nicht nur die Prozessevaluierung, sondern auch die spätere Integration in die Linie. Weil das Open Core Interface der MTX auch den offenen i4.0 Standard OPC UA beherrscht, lassen sich mit einfachen Mitteln Daten mit übergeordneten Produktionssystemen austauschen. In Kombination mit der Simulation lässt sich so beispielsweise die Dauer des Drucks vorausberechnen, um die Fertigung optimal auszulasten.

 

Industrieller 3D-Druck in der Praxis

In der Praxis beweist sich die IndraMotion MTX unter anderem im Unternehmen Norsk Titanium AS. Der weltweit führende Anbieter von additiven Fertigungstechnologien für luft- und raumfahrttaugliches Titan setzt die CNC-Systemlösung für seine patentierte Rapid Plasma Deposition™-Maschinen ein. Sie begründen die erste additive Fertigung im industriellen Maßstab von Norsk Titanium in den USA. In den 3D Druckern steuert MTX jeweils zehn Servoachsen, die der Herstellung der Titanteile, aber auch der Zuführung und Handhabung des einlaufenden Titandrahts dienen. Darüber hinaus ermöglicht sie eine Echtzeitsteuerung weiterere Funktionen, darunter mehrere Plasmabrenner.

Ein Beispiel aus dem Kunststoffbereich kommt aus der eigenen Fertigung bei Bosch Rexroth: Die Gehäuse des intelligenten Funk-Akkuschraubers Nexo werden hier in kleinen Auflagen gedruckt, um kundenspezifische Anforderung an die Ergonomie zu erfüllen. Mithilfe der additiven Fertigung lassen sich Rekursionsschleifen vermeiden und mehrere kleine Aufträge zur gleichen Zeit fertigen.

 

Fachliches Know-how hilft beim Einstieg

Bosch Rexroth hat über viele Jahre Erfahrung mit Rapid Prototyping, Tooling und Manufacturing gesammelt und diese sukzessive in sein Lösungs- und Beratungsportfolio integriert. Die Erkenntnisse aus mehreren hundert Installationen im Bosch Konzern decken alle additiven Fertigungstechnologien und Materialien ab: Metalle, Kunststoffe, Keramiken. Maschinenbauern und Anwender können so von einem breiten Kompetenzfeld profitieren, das von Forschung und Vorausentwicklung, über Konstruktion und Entwicklung bis hin zur Montage und Fertigungslinie reicht. Darüber hinaus bewährt sich Bosch Rexroth als Komponenten- und Systemlieferant mit globalem Service, Engineering- und Applikationssupport.

 

Die Zukunft wird noch einfacher

Mit einem so erfahrenen Partner lassen sich die bestehenden Lücken in der Prozesskette schließen, um die Hürde zur Kleinserienfertigung effizient zu meistern und den industriellen 3D-Druck als Wettbewerbsvorteil zu nutzen. Smarte HMI-Konzepte werden den Workflow künftig weiter vereinfachen, so dass letztlich auch angelerntes Personal mit der Serienmaschine arbeiten kann und sich die spezialisierten Fachkräfte auf Störungsbeseitigung und Wartung konzentrieren können – ganz so wie in der übrigen industriellen Fertigung.

 

 

Über den Autor:

ist im Business Development für Automation Additive Manufacturing des Bereichs Fabrikautomation bei der Bosch Rexroth AG in Lohr am Main verantwortlich. Während des Studiums der Elektrotechnik mit dem Studienschwerpunkt Automatisierungstechnik, arbeitete er zunächst im technischen Vertrieb und Projektmanagement für die Prozessindustrie. Seit 2001 arbeitet er bei Bosch Rexroth im Branchenmanagement für unterschiedlichste Marktsegmente der Fabrikautomation wie z.B. Printing, Converting, Packaging, Processing und Machine Tools. Seine Schwerpunkte legt er hierbei auf die Strategieentwicklung und –umsetzung, Key-Account, Koordination globaler Vertriebsaktivitäten und Projektleitung in Fokussegmenten. Die hier gewonnenen Erfahrungen und erlangten Kompetenzen bringt er in Branchenverbänden ein und arbeitet aktiv in diversen Technologieclustern als Experte der Automatisierungstechnik mit. Seit 2015 ist er als Teilprojektleiter Mitglied des agilen Bosch Projekts Ceres AM in dem er für die Automatisierungstechnik, HMI-Konzepte und Softwarekette verantwortlich ist.

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