igm Robotersysteme AG hat folgendes Projekt eingereicht und wurde dafür mit einer Anerkennungsurkunde ausgezeichnet:
Additive Fertigung von großvolumigen Schneckengeometrien
Projektbeschreibung
Ziel des Projekts ist die automatisierte Herstellung von Schnecken mittels WAAM (Wire-and-Arc Additive Manufacturing) mit Robotern unter der besonderen Berücksichtigung einer einfachen Programmierung.
Fertigung und Prozessbeschreibung
Unter AM (Additive Manufacturing) versteht man additive Fertigungsverfahren zum Generieren von Bauteilen durch das schichtweise Ablagern von Material. Beim WAAM (Wire-and-Arc Additive Manufacturing), geschieht der Materialauftrag mittels Lichtbogenschweißen, es werden mit Hilfe einer abschmelzenden Drahtelektrode Metallteile Schicht für Schicht auf aufgebracht. Der Schweißprozess muss so energiearm, also so „kalt“ wie möglich eingestellt sein, dass die unteren Schichten nicht erneut aufschmelzen und auch kontournahe und detailgetreu gefertigt werden kann. Die geschweißte Lage muss sehr gleichmäßig sein, da sich Fehler in den Lagen darüber fortsetzen.
Gewählt wurde der CMT-Prozess, der gute Abschmelzleistungen erzielt und wenig Wärme in das Bauteil einbringt. Als Demonstrationswerkstück wurde ein Teil einer Förderschnecke mit schwach konischem Grundkörper ausgesucht, die heute als Guss- oder als Schmiedeteil hergestellt wird. Mittels WAAM lässt sich so ein Teil einfacher, spezifischer (Losgröße 1) und zielgerichteter (unterschiedliche Material für das Grundrohr und für die aufgebauten Schnecken und zusätzlich Hardfacing der Verschleißschichten) herstellen.
Roboter von Vorteil
Folgende Forderungen werden an die Roboterfertigung gestellt: Die Offline-Programmierung soll auf Basis von CAD-Daten erfolgen, das Aufteilen des Querschnitts in diskrete Schichten („slicing“) soll in einfacher Weise vor sich gehen, das erstellte Roboterprogramm soll eine parametrierbare Architektur aufweisen und der Schweißprozess muss gesichert und stabil ablaufen.
Als erster Schritt wurde ein Slicing-Algorithmus entwickelt, das ist im Wesentlichen die Berechnung des Differenzvolumens zwischen dem Grundkörper und dem aufzuschweißenden Material. Der Vorgang besteht darin, dass eine Slicing Ebene durch die Rotationsachse des Bauteils gelegt wird und um diese Achse in bestimmten Abständen (Drehwinkeln) rotiert. Die einzelnen Schweißraupen zur Erzeugung des Schneckenkörpers werden so aufgebracht, dass die Schweißbewegung in der Rotationsachse des Bauteils erfolgt und das Bauteil um die Rotationsachse um einen festgelegten Drehwinkel weiter getaktet wird.
Durch ein eigens entwickeltes Softwaretool wird die Roboterprogrammierung auf ein Minimum reduziert. Lediglich der Startpunkt wird angegeben und mit Hilfe der igm iScript-Anwendung (iSCRIPT – eigenentwickelte Programmiersprache zur Lösung komplexer Aufgaben) errechnet die Steuerung automatisch die Schweißpositionen und Lagenanzahl anhand von frei wählbaren Konturvorgaben. Diese Geometrieparameter können über eine Eingabemaske am Offline-Programmier-PC eingestellt werden, die Wichtigsten darunter sind der Abstand der einzelnen Slicing-Ebenen, die Höhe der Schweißraupen und die Breite der Raupen. Aus diesen Werten werden der vertikale Versatz des Schweißbrenners und der
Drehversatz der Manipulatorenachse berechnet. Die komplette Bahnberechnung und Bewegungsplanung erfolgt offline, das fertige Roboterprogramm wird an die Steuerung übergeben.
Die igm Robotersteuerung ermöglicht einen dynamischen Programmablauf, der voll integrierte Sensor ermittelt die erforderliche Leistung und Position und somit werden die aufzutragenden Konturen automatisch der Höhe nach angepasst.
Zukunft in der Gegenwart
Zurzeit werden die Schneckenkörper als Gussteile hergestellt. Damit ist ein bestimmtes Material für den gesamten Teil vorgegeben. Die Herstellung ist wegen der wechselnden Wandstärken aufwändig und birgt die Gefahr von Lunkerbildungen. Die vorgestellte Technologie ermöglicht es, den Grundkörper als Drehteil kostengünstig herzustellen und die weiteren Geometrien mittels WAAM aufzubringen. Dafür können für hoch beanspruchten, obersten Verschleißschichten Materialien mit erhöhten mechanischen Gütewerten eingesetzt werden.
Ein wesentlicher Vorteil liegt auch in der flexiblen Fertigung. Gussteile müssen lange im Voraus in Auftrag gegeben werden, zum Teil befinden sich die Lieferfirmen auch in Fernost. Kurzfristige Konstruktionsänderung sind daher unmöglich. Mit der WAAM Technologie samt offline Programmierung kann die Fertigung auch im Haus mit Losgröße 1 erfolgen. Die prozessbedingt längeren WAAM Fertigungszeiten fallen im Vergleich mit den langen Vorlauf- und Lieferzeiten bei der Gussfertigung nicht ins Gewicht.