Bedienerlos durch die Nacht – durch Automatisierung

Der Gartner Hype Cycle unterteilt aus einer Vogelperspektive die Entwicklung neuer Technologien in fünf Phasen, die sich auch auf die Additive Fertigung übertragen lassen. Der „technologische Auslöser“ war das erste Patent für den 3D-Druck, das schichtweise Auftragen flüssiger Werkstoffe. On den 2000er Jahren wurde der „Gipfel der überzogenen Erwartungen“ erreicht. Vor allem die Luft- und Raumfahrtindustrie gefolgt von der Medizintechnik setzten als Vorreiter auf den 3D-Druck. Aber zahlreiche Projekte, beispielsweise in der Automobilindustrie, wurden wieder eingestellt und es begann das von Gartner beschriebene „Tal der Enttäuschungen“. Zu oft waren die Produktionskosten zu hoch und es kam zu einer starken Konsolidierung auf der Herstellerseite. Die überlebenden Drucker-Anbieter haben sich in den vergangenen Jahren auf den „Pfad der Erleuchtung“ begeben und bieten zunehmend wettbewerbsfähige Lösungen an. Aber ist damit die letzte Stufte des Hype Cycles, das „Plateau der Produktivität“, bereits erreicht? Es gibt Indizien, das die Industrie zumindest kurz davorsteht.

Fraunhofer: Europas größter Akteur

An der Schnittstelle zwischen Forschung und Anwendung unterstützt das Fraunhofer Kompetenzfeld Additive Fertigung die Industrie. Hier treiben 19 Fraunhofer-Institute aus ganz Deutschland als Europas größter Akteur seit vielen Jahren die Weiterentwicklung der Additiven Fertigung voran. „Wir haben fünf Bottlenecks identifiziert und arbeiten konzentriert an innovativen Lösungen“, beschreibt Dr. Bernhard Müller, Sprecher des Kompetenzfelds Additive Fertigung, das Vorgehen. Neben Engineering, Materialien, Qualität, Software & Simulation stehen auch Technologien zur Steigerung der Kosteneffizienz auf der Agenda.

End-to-end-Prozess macht 3D-Druck zur Additiven Fertigung

„Starre Verkettungen sind nicht zielführend“, weiß der Wissenschaftler. Die Stärken der Additiven Fertigung sind eben die weitgehende Bauteilunabhängigkeit und kleine Losgrößen. „Eine flexible Fertigung zu automatisieren ist immer anspruchsvoller“, betont Dr. Bernhard Müller.

„3D-Drucker kommen heute noch eher in Laborumgebungen zum Einsatz und weniger auf dem Shopfloor mit entsprechend höheren Anforderungen an die Automatisierung“, beschreibt Dr. Bernhard Müller eine Herausforderung. Ein 3D-Drucker allein bildet nur einen Teilschritt ab, erst durch einen End-to-end-Prozess, beginnend mit dem Engineering bis zum Abschluss der Nachbearbeitung, entsteht daraus eine Additive „Fertigung“.

Benutzerfreundlichere Bedienung

„Für den industriellen Einsatz muss das Post Processing produktionstauglicher werden“, ist der Sprecher des Kompetenzfelds sicher. Das beginnt mit dem oft noch manuellen Entladen der Bauteile und geht dann über die Entpulverung, das Entfernen der Stützstrukturen bis zur abschließenden Oberflächenbearbeitung oder Wärmebehandlung. Hier setzen Automatisierung und Prozessoptimierung an.

Da eine starre Verkettung nicht zielführend ist, bietet sich der Einsatz flexibler Knickarmroboter zur Automatisierung an. „Die Genauigkeiten der Roboter sind heute für die meisten Handling- und Bearbeitungsaufgaben ausreichend hoch“, bekräftigt Dr. Bernhard Müller. Sie bieten eine hohe Flexibilität für das Entladen und die Übergabe an die Bearbeitungsstationen. Dabei hebt eine durchgängige Digitalisierung der Prozesskette bis hin zu digitalen Zwillingen der Prozesse und Produkte die größten Potenziale.

Qualitätsüberwachung mit KI

Ein zweiter Ansatz zur Prozessautomatisierung betrifft die Qualitätsüberwachung während des Druckvorgangs. Die sensorischen Werkzeuge für einen kontinuierliches Monitoring der Prozessbedingungen und die Schmelzbadbadüberwachung sind vorhanden. Künstliche Intelligenz ist kann diese Datenmengen sehr gut strukturieren, Fehlermuster erkennen und im besten Fall ursächliche Zusammenhänge herstellen.

Ein wichtiges Hemmnis für die weitere Verbreitung der Additiven Fertigung ist kein technisches Problem „Bei Produktentwicklern und Konstrukteuren ist das Wissen über die Möglichkeiten noch nicht groß genug“, bedauert Dr. Bernhard Müller. Es macht wenig Sinn zu versuchen, für die konventionelle Fertigung konstruierte Bauteile auf 3D-Druck umzustellen.

Von Anfang an für die Additive Fertigung entwickelte Bauteile lassen sich dagegen sehr wohl wirtschaftlich hergestellt. Das beweisen zahlreiche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie, bei Formwerkzeugen für die Automobilproduktion, in der Turbinenfertigung für die Energiewirtschaft und in der Dentaltechnik. Auch bei Implantaten, beispielsweise für Hüft- oder Schultergelenke, setzt sich die Technik durch. Eine smart gestaltete und gedruckte Oberfläche zum Knochen hin erleichtert das Anwachsen der Implantate ohne die bislang notwendige und aufwändige Spezialbeschichtung.

EOS-Systeme drucken 24/7 trotz Einschichtbetrieb

„Der typische AM-Anwender arbeitet im Einschichtbetrieb“, beschreibt Joachim Zettler, Chief Technologie Officer (CTO) der EOS GmbH Electro Optical Systems, die Situation seiner Kunden. „Wir bieten Lösungen, mit denen unsere Maschinen trotzdem 24/7 arbeiten können.“ EOS ist der weltweit führende Technologieanbieter für den industriellen 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen. Das Unternehmen sieht sich als Pionier und Innovator für integrierte Lösungen in der Additiven Fertigung.

So ermöglicht die Dual Setup Station von Grenzebach in der EOS Edition den automatisierten Baujob-Wechsel ohne manuelle Eingriffe in personallosen Zeiten. Dabei sind zwei Prozessboxen in der Maschine integriert. Nach Beendigung eines Druckjobs wird die Prozessbox automatisch getauscht. Die Umschaltzeit von Laser-off zu Laser-on zwischen den beiden Aufträgen beträgt lediglich 20 bis 25 Minuten.

Die EOS Edition der Grenzebach Dual Setup Station ist Bestandteil der 3D-Drucker EOS M4 ONYX und EOS M 400-4. Die Maschinen sind für die industrielle Serienfertigung von Metallbauteilen konzipiert und beispielsweise bei Siemens Energy, Isar Aerospace, GKN, Blue Origin und MT Aerospace im Einsatz. „Im Metallbereich sehen wir deutlich höhere Ansprüche an die Automatisierung, weil sich die additive Fertigung sehr nah an etablierten Prozessen orientieren muss“, sagt Joachim Zettler.

Per AGV zur Entpackstation

Einen weiteren Ansatz bildet das Shared Module Konzept, das EOS bereits 2016 entwickelt hat. An den Serienmaschinen bilden sogenannte Docking Frames die mechanische Schnittstelle zur Übergabe des Baujobs. So können Prozesskammern auch automatisch über AGVs (Automated Guided Vehicle) oder Roboter be- und entladen werden.

Die Container sind bei der automatischen Entnahme entweder als pulverdichte Variante oder gasdichte „Inert Gas Chambers“ mit inertem Gas gefüllt. Beim Metalldruck kommen teilweise sehr feine Pulver mit wenigen µm Körnung zum Einsatz. Das AGV oder der Roboter führen die gefüllte Prozesskammer zur automatischen Entpackstation, einem Shared Module. Dort wird das Bauteil durch Rotation entpulvert und anschließend zur Sägestation, einem weiteren Shared Module, weitertransportiert. Eine Schutzatmosphäre ist nicht mehr notwendig. Die Inertisierung erhöht bei vollautomatischen Anlagen die Sicherheit und Prozessstabilität.

Automatisierung mit spezialisierten Partnern

„Die Nachbearbeitung verursacht rund 50 Prozent der Kosten“, rechnet Joachim Zettler vor. Da lohnt sich die Automatisierung sehr schnell. Beim Shared Module Konzept nutzen Anwender typischerweise bei 10 - 20 Druckern ein bis zwei Entpackstationen. Der Trend geht bei den Anwendern zunehmend in Richtung komplette Fertigungslösungen.

„Früher haben wir vieles selbst gemacht“, erinnert sich der CTO. EOS kooperiert seit einigen Jahren mit spezialisierten Partnern wie Grenzebach, Volkmann, AM Solutions, AMT, Dimension oder Solukon, um diese Lösungen zu entwickeln und zu validieren. „Die Zusammenarbeit erfolgt mit strategisch relevanten und mehrheitlich deutschen Unternehmen, um Qualität und Wertschöpfung zu sichern“, hebt Joachim Zettler hervor. Dabei vereinfachen offene Standards wie OPC UA die Integration. Durch Best-Cost Ansätze behält das Unternehmen die Wirtschaftlichkeit im Blick. Ziel aller Automatisierungsansätze ist es, die Kosten pro Bauteil zu senken, die Anlagenverfügbarkeit zu erhöhen und Additive Fertigung wirtschaftlich in industrielle Serienprozesse zu integrieren.

Bauteile ohne Support-Strukturen

Einen der größten Hebel für mehr Effizienz in der additiven Fertigung sieht der Ingenieur im Pre-Processing. Als Beispiel nennt er die Konstruktion der Support-Strukturen, wenn sie denn notwendig sind. „Alles, was man beim Drucken einspart, muss hinterher im Post-Processing nicht entfernt werden.“

EOS stellt Softwaretools bereit, um Geometrien so zu optimieren, dass sie im Idealfall gar keine Support-Strukturen benötigen. Auch Joachim Zettler sieht hier noch Kenntnislücken bei den Konstrukteuren, und EOS bietet mit der Business Unit „Additive Minds“ technische Beratung und Applikationsentwicklung an, um Kunden bei der optimalen Nutzung der Technologie zu unterstützen.

Industrieller Durchbruch vor allem in Nordamerika

„Wir erleben seit ein, zwei Jahren den industriellen Durchbruch der Additiven Fertigung insbesondere aus den Bereichen Automotive, Konsumgüter und Defense“, schätzt Joachim Zettler die aktuellen Aussichten ein. Während die Luft- und Raumfahrtindustrie bereits ein großer Nutzer ist, wächst das Interesse in anderen Branchen ebenfalls stark. So hat ein amerikanischer Hersteller im Juni dieses Jahres 30 Systeme bei EOS bestellt, nachdem im gleichen Monat ein weiteres US-Unternehmen nach der Auslieferung von vier Systemen neun weitere geordert hat“.

Gerade aus den USA kommt eine hohe Nachfrage nach Metall-3D-Druck. „In den USA sind die Anwender risikobereiter, was innovative Fertigungstechnologien betrifft und lassen sich auf iterative Verbesserungen ein“, begründet der CTO das Wachstum in Nordamerika. In Europa dagegen agieren potenzielle Anwender konservativer. Das gilt noch deutlich mehr für die asiatisch-pazifische Region (APAC), die sich wesentlich langsamer für die Additive Fertigung öffnet.

Produktionsfarmen mit zentralem Post-Processing

Eine erhöhte Autonomiezeit in der Additiven Fertigung ist für Roman Seitweger, Head of Operations für Österreich, bei der B&R Industrial Automation GmbH, ein Kernanliegen. „Die Bediener in der Additiven Fertigung sind derzeit noch häufig sehr gut ausgebildete Ingenieure mit entsprechender Vergütung“, berichtet er aus der Praxis. Hier kann die Automatisierung dazu beitragen, dass die Anforderungen an die Bedienung einfacher werden und die Ingenieure andere Aufgaben übernehmen.

B&R Industrial Automation, ein Unternehmen der ABB Group, bietet ein breites Spektrum an Antriebs- und Steuerungstechnik rund um die intelligente Automatisierung für die adaptive Fertigung. „In der Praxis sehen wir sowohl Einzelmaschinen, in die eine Automatisierung mit Qualitätssicherung integriert werden soll, als auch Produktionsfarmen mit mehreren Maschinen und einem zentralen Post-Processing“, beschreibt er das Aufgabenspektrum.

Ein Roboter für alle 3D-Drucker

Für diese Aufgaben bietet B&R Automatisierungslösungen auf Basis offener Systeme, die den gesamten Prozess abbilden können. Die Softwareprojekte sind so ausgelegt, dass sie nahtlos mit zukünftigen Hardwaregenerationen zusammenarbeiten. Durch die teilweise sehr langen Druckzeiten sind fehlerhafte Bauteile besonders kostenintensiv. Das Portfolio umfasst daher auch speziellen Komponenten für die Qualitätssicherung wie Vison-Systeme für die Prozessüberwachung.

Beim Teilehandling und der Nachbearbeitung sieht der B&R-Spezialist den Einsatz von Knickarmrobotern als den besseren Weg an. „Insbesondere bei Produktionsfarmen können Roboter, die auf einer Verfahrachse installiert sind, die Autonomiezeiten der gesamten Anlage deutlich erhöhen. Gleichzeitig ermöglichen sie die Automatisierung von Entlade- und Nachbearbeitungsprozessen auch in personalfreien Schichten“, erläutert er.Durch die kleinen Losgrößen und die Bauteilvarianz integriert der Automatisierer dazu beispielsweise auch Schnellwechsler für Greifersysteme. Damit können Roboter das Bauteil ohne Umspannen dem Schneidinstrument zuführen. „Unsere Kunden suchen offene Systeme mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit“, ist er Roman Seitweger sicher.

Werkzeugbau setzt auf Additive Fertigung

Gerade in Kunststoffverarbeitung stehen am Ende der Volumenproduktion Hersteller oft vor der Herausforderung, die Ersatzteilversorgung zu gewährleisten. Hier ist eine Reaktivierung der alten Werkzeuge oft unwirtschaftlich. Durch die immer größere Materialvielfalt können maßgeschneiderte Erstazteile additiv gefertigt werden, während die Spritzgießmaschinen die aktuellen Serien herstellen.

Eine steigende Nachfrage verzeichnet B&R für die Automatisierung additiver Anwendungen im Werkzeugbau. Dort müssen die Roboter teilweise größere und schwerere Bauteile handhaben. „Wir setzen dabei auf die anwendungsspezifische Beratung und Projektierung durch unsere Value Provider vor Ort. Sie haben vollen Zugriff auf unsere Branchenerfahrung und passen die Lösungen in enger Zusammenarbeit an unterschiedliche Anwendungen an“, hebt Roman Seitweger hervor.

Cobots mit 7. Achse für enge Bauräume

Die Automatisierung der Additiven Fertigung stellt besondere Herausforderungen an Roboter. Sie müssen komplexe Bewegungsabläufe teilweise auf engstem Raum vollziehen, und sie müssen ein hohe Variantenvielfalt beherrschen. Hier eröffnet der dänische Hersteller Kassow Robots, an dem Bosch Rexroth beteiligt ist, mit seinen 7-Achs-Leichtbau-Cobots hohe Freiheitsgrade. 

Die Kinematik mit der siebten Achse erlaubt komplexe Bewegungen auch in beengten Räumen bis hin zum Greifen um die Ecke. „Damit können die Cobots auch gedruckte Bauteile mit komplexen oder filigranen Geometrien gut greifen“, betont Dieter Pletscher, Global Sales Manager bei Kassow Robots. Während sich Kassow auf den Bau der Roboterarme fokussiert, bieten zahlreiche Unternehmen eines Partnernetzwerks auf diese Cobots abgestimmte Komponenten wie Greifer oder Sensoren. Damit konfigurieren Systemintegratoren, Maschinenhersteller und Endanwender individuell auf ihre Anforderungen optimierte Systeme. 

In sieben Varianten decken die Roboterarme von Kassow ein breites Spektrum an Reichweiten ab. Die Roboter können sowohl stand-alone aufgestellt als auch in Montagezellen oder direkt an 3D-Drucker und Maschinen installiert werden. Die Grundfläche beträgt bei den kleineren Varianten lediglich 130 x 130 mm, bei der größten Ausführung 194 x 194 mm. Zwei neue Varianten bewegen Traglasten von bis zu 40 kg, ein Vorteil gerade beim Druck von Metallteilen.

Autonome Mobile Roboter

In der EDGE Edition integriert Kassow Robots die Controller in den Fuß der Cobots. Damit eignen sie sich ausdrücklich für den mobilen Einsatz als Autonome Mobile Roboter (AMR) in Verbindung mit Automated Guided Vehicles (AGV). Ein besonderer Vorteil ist dabei das geringe Gewicht. Die kleineren Varianten wiegen rund lediglich 25 kg. „Im mobilen Einsatz können sie mehrere Drucker autonom anfahren und die Bauteile für das Post Processing entnehmen“, beschreibt Dieter Pletscher ein Einsatzszenario, das auch in personalarmen oder personalfreien Schichten für Produktivität sorgt. Darüber hinaus übernehmen Kassow Cobots auch eine Reihe von Nachbearbeitungsschritten, wie dispensen oder schweißen.

Sicherer Betrieb durch zwei Subsysteme

Kollisionen werden durch zwei unabhängige Subsysteme erkannt: Auf Ebene des Robotercontrollers durch Berechnen der Drehmomente, die an allen Gelenken erwartet werden. Und auf Gelenkebene durch einen Regelkreis, der die Position mithilfe vom Drehmoment kontrolliert. Wenn das durch den Regelkreis angeforderte Drehmoment vom statischen Drehmoment um mehr als einen Schwellwert abweicht, führt der Roboter einen Nothalt aus und ein Fehler wird angezeigt. Dieser Ansatz spart Aufwand und Platz.

Ob „Pfad der Erleuchtung“ oder „Plateau der Produktivität“: Die Additive Fertigung ist auf jeden auf einem guten Weg hin zu einer breiteren Marktakzeptanz. Ein entscheidender Vorteil: Durch die immer ausgefeiltere Automatisierung der gesamten Prozesskette ist die Produktion zunehmend auch in bedienerlosen Schichten möglich. Damit können die Herstellkosten deutlich sinken und die Additive Fertigung erreicht in immer mehr Applikationen ein wettbewerbsfähiges Niveau.