Additives Schweißen in der Metallbearbeitung

Dank des Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM auf deutsch: Lichtbogendrahtauftragschweißen) kann die am PZH realisierte Roboterschweißzelle komplette Bauteile aus Stahl oder Aluminium fertigen. Im Unterschied zu anderen additiven Verfahren, wie Selective Laser Melting (SLM), bei dem in Pulverschichten einzelne Punkte aufgeschmolzen werden, eignet sich WAAM besonders dafür, auch größere Bauteile schnell über den Materialauftrag des aufgeschmolzenen Schweißdrahtes aufzubauen. Ein weiterer Nutzen der Technologie: Man kann auch auf bereits vorhandene Halbzeuge und Rohlinge aufbauen. Der Vorteil: Es muss nicht grundsätzlich das gesamte Bauteil additiv hergestellt werden.

Entstanden ist die Roboterschweißzelle als gemeinsames Projekt des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) und der Tewiss Technik und Wissen GmbH. Beide Einrichtungen sind am PZH ansässig. „Wir wollen die Prozesskette des traditionellen Zerspanens mit den Vorteilen der additiven Fertigung verbinden“, erklärt Professor Berend Denkena, Leiter des IFW. Mit der Kombination von Auftragsschweißen mit einer ansonsten spanenden, also abtragenden Fertigung mit Werkzeugmaschinen und Fräszentren, betreten die Wissenschaftler Neuland. Das betrifft beispielsweise die Materialkennwerte und Geometrie der additiv gefertigten Bauteile, die für die nachfolgenden, spanenden Bearbeitungsschritte sicher und verlässlich vorliegen müssen. Ebenso tangiert es die entsprechende Auslegung dieser Folgeprozesse, und die Frage: Auf welche Weise additive Verfahren insgesamt die Prozesskette erweitern können?

Kontaktaufnahme erwünscht

Anders als pulverbasierte 3D-Druckverfahren bietet das WAAM-Verfahren drei entscheidende wirtschaftliche Vorteile: Es ist günstiger in der Anschaffung, die komplizierte Infrastruktur für die Pulver entfällt und der Prozess ist skalierbar, das heißt auch große Bauräume und entsprechende Bauteile mit großen Abmessungen sind machbar.

Nicht nur das Verfahren ist neu, die Roboterschweißzelle selbst auch: „Natürlich gibt es robotergestützte 3D-Drucker, und Roboterschweißen ist auch nicht neu“, erklärt Tewiss-Geschäftsführer Jan Jocker die Entwicklungen. Die Projektingenieure hatten allerdings die Aufgabe, diese Roboterzelle aus der Perspektive einer Werkzeugmaschine zu denken, und sie mit einer offenen Steuerung und entsprechenden Programmierschnittstellen auszustatten. Das ist gelungen und sowohl Tewiss als auch das IFW freuen sich über den Kontakt zu Unternehmen, die sich für die Integration eines WAAM-Verfahrens in ihre Fertigungskette interessieren oder Forschungsbedarf zu diesem Thema sehen.

Mit Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM auf deutsch: Lichtbogendrahtauftragschweißen) sind auch schwierige Bauteilgeometrien zu fertigen. Nico Niemeyer

Roboter auch als flexibler CNC-Ersatz?

Roboter können aber nicht nur Material präzise auftragen. Bei entsprechender Adaption sind sie auch in der Metall-Zerspanung und CFK-Bearbeitung einsetzbar. Industrieroboter sind – im Vergleich zu Werkzeugmaschinen – sehr flexibel einsetzbar und günstig in der Anschaffung; das macht sie auch für Anwendungen in der Zerspanung sehr interessant. Dieses Potenzial wird im Rahmen des Verbundforschungsprojekts „Effective“ erschlossen. Die wissenschaftliche Durchführung und Koordination liegt beim Institut für Fertigungs-technik und Werkzeugmaschinen im Produktionstechnischen Zentrum (PZH) der Leibniz Universität Hannover, und das Ziel ist klar: Bis Ende 2018 wird ein Zerspanungs-Roboter prototypisch die Ergebnisse der bisherigen simulationsgestützten Forschung auch praktisch umsetzen – und bestätigen.

Ende 2018 soll ein Prototyp des Roboters zur Bearbeitung von GFK-Bauteilen und Kunststoffen zur Verfügung stehen. Deckel Maho Pfronten

Mit einer Steifigkeit, die etwa um den Faktor 10 höher liegen wird als die Steifigkeit herkömmlicher Industrieroboter, wird er für viele Anwendungen tatsächlich eine günstige Alternative für die spanende Bearbeitung darstellen. Thomas Lepper, Ingenieurwissenschaftler am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) skizziert die Herausforderung des Forschungsprojekts: „Die viel geringeren Struktur-, Antriebs- und Lagersteifigkeiten konventioneller Industrieroboter führen beim Zerspanen zu Schwingungen und damit zu Prozessinstabilitäten.“ Dies verursacht wiederum eine deutlich geringere Produktivität im Vergleich zu Werkzeugmaschinen.

Die Steifigkeit ist der Knackpunkt, wenn Roboter Bauteile präzise bearbeiten sollen. Im Rahmen des Forschungsprojekts Effective konnte die Steifigkeit um den Faktor 10 erhöht werden. Aktive Fehlerkompensation steigert die Präzision nochmals. An die Präzision klassischer Bearbeitungszentren reichen Roboter aber nicht heran.





Deckel Maho Pfronten

Inzwischen schaffen die Forscher mit ihrem Ansatz einen Roboter mit einer Steifigkeit von 5 N/µm zu spezifizieren – das heißt: eine Kraft von fünf Newton erzeugt höchstens einen Mikrometer Abdrängung. Damit ist zwar noch nicht die Steifigkeit einer Werkzeugmaschine erreicht, aber eine Steifigkeit, die um den Faktor zehn besser ist als die herkömmlicher Industrieroboter.

Gelungen ist ihnen das durch steifere Lager und Antriebe sowie mit Hilfe von Anleihen aus der Werkzeugmaschinentechnik, die für Roboter weiterentwickelt und adaptiert wurden. Zusätzlich soll eine Online-Kompensation der in Echtzeit gemessenen Prozesskräfte die entstehende Abdrängung weitgehend ausgleichen.

Solche Zerspanungsroboter wären eine ideale, weil kostengünstige Lösung für Bearbeitungsschritte, bei denen es nicht auf allerhöchste Präzision ankommt, oder auch für die Bearbeitung von CFK-Werkstoffen. Neben CFK stehen auch Verbundwerkstoffe wie Aluminium-CFK und reines Aluminium im Fokus. Und natürlich steht auch die Frage im Raum: Was ist mit Stahl?

(sk)