Beim Forschungsprojekt Hylight 3D konnten wir uns ausführlich mit dem Thema „Prozesskette zur variantenflexiblen Herstellung hybrider Leichtbaustrukturen durch Einsatz umformender, additiver und subtraktiver Fertigungsverfahren (HyLight3D)“ beschäftigen.
Kooperationspartner des Projektes:
– robot–machining GmbH
– 3D-Schilling Prototypen GmbH
– TU Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)
Nachfolgend finden Sie eine Kurzbeschreibung der Arbeitspakete der robotized sowie eine Kurzfassung der Forschungsergebnisse. Diese dienen als schnelle Informationsquelle zu den wichtigsten Punkten.
Weiterführende Informationen sind mit dem Schlussbericht als PDF verlinkt.
Aufgaben der robotized
Arbeitspaket 2: Oberflächenstruktur
Im Arbeitspaket 2 (CAD-CAM Schnittstelle zur Oberflächenstrukturierung) ging es um die Erzeugung der Oberflächenstruktur (Verklammerung) mittels Bahnplanung auf Basis der 3D CAD Daten. Hier wurden unterschiedliche Basisstrategien miteinander verglichen und mit unterschiedlichen Werkzeugwinkeln untersucht. Ein besonderer Augenmerk wurde auf den Bahnabstand und Punktabstand gelegt.
Arbeitspaket 3: 3D Druck
Die Aufgabe des Arbeitspakets 3 bestand darin, einen automatisch berechneten Kunststoffauftrag herzustellen.
Abbildung: 3D Druck
Um diesen Auftrag zu realisieren musste bestimmte Rahmenbedingungen eingehalten werdem:
– Druck auf Plan- und Freiformflächen
– frei bestimmbarer Bahnabstand
– Vorgabe von Auftragsmustern
– Kollisionserkennung (Bauteil & Extruder)
– Auftrag in Wannenlage
Gemeinsam mit den Kooperationspartnern wurden unterschiedliche Rahmenkonzepte betrachtet.
Arbeitspaket 4: Nachbearbeitung Fräsen
In Arbeitspaket 4 beschäftigten wir uns mit der Nachbearbeitung durch Fräsen.
Zu Beginn dieses Arbeitspaketes wurden mögliche Strategien für den Fräsprozess untersucht. Die Zusammensetzung der Materialien (fest und weich) aus Metallen und Kunststoffen erfordert detaillierte Anpassungen an Prozessparameter (wie z.B. Vorschubsgeschwindigkeit).
Eine weitere Herausforderung stellte Absaugung der Späne dar. Eine speziell entwickelte Absaugeinrichtung musste bereits in der Simulation verschiebbar und kippbar sowie kollisionskontrolliert sein.
Abbildung: Roboterfertigung
Kurzfassung
Die steigende Nachfrage nach individuell gefertigten Produkten führt zu einer wachsenden Variantenvielfalt und damit einhergehend zu einer Verringerung der zu fertigenden Losgrößen. Insbesondere die Produktion von Multi–Material–Bauteilen stellt die Industrie vor Herausforderungen, aufgrund der belastbaren Verbindung zwischen artfremden Materialien sowie die zugleich kostengünstige und varianten flexible Fertigung von kleinen Losgrößen. Das Ziel des Verbundprojektes ist daher die Umsetzung und exemplarische Validierung einer industriell skalierbaren, robotergestützten Prozesskette zur Herstellung von Metall–Kunststoff–Bauteilen. Für die Erreichung des Ziels wurden innerhalb des Projektes verschiedene Roboterendeffektoren und entsprechende Bahnplanungsansätze entwickelt. Darüber hinaus standen die Prozessentwicklung der roboterbasierten Fertigung und die experimentelle Erprobung der entwickelten Prozesse im Vordergrund.
Auf Basis der Endeffektoren für die metallseitige Oberflächenstrukturierung und dem endkonturnahen Kunststoff–3D–Druck konnte gezeigt werden, dass die in Aluminium eingebrachten Oberflächenstrukturen eine zuverlässige Verbindung zwischen Metall und Kunststoff ermöglichen. Für den innerhalb der Prozesskette anschließenden Fräsprozess wurde eine adaptive Spanerfassung entwickelt, welche die Späne prozessnah erfasst und einen Spanerfassungsgrad von bis zu 95% erreicht. Der Fräsprozess wird dabei über die Erfassung der Spindelleistung geregelt, sodass verschiedene Materialien mit zugehörigen Parametern (Vorschub, Spindeldrehzahl) bearbeitet werden können.
Für die exemplarische Validierung der Prozesskette wurde anhand eines Erlanger Trägers (einer weitverbreiteten Testgeometrie aus dem Bereich der Automobilindustrie) ein Demonstrator gefertigt sowie eine Machbarkeitsstudie an einem Rahmen einer Kniegelenksprothese (Ottobock) begonnen. Hierzu sind Aluminiumgrundkörper erarbeitet worden, auf welchen automatisiert Strukturen zur Verklammerung des aufgedruckten Kunststoffs aufgebracht werden konnten. Abschließend wurde das Metall–Kunststoff–Bauteil spanend in seiner Endkontur definiert.
Es ist davon auszugehen, dass die industrielle Anwendung der im Forschungsprojekt untersuchten skalierbaren, robotergestützten Prozesskette die Produktion von individuell gefertigten Bauteilen in kleinen und mittleren Stückzahlen nachhaltig verändern wird.
KMU-Innovativ Verbundvorhaben Produktionsforschung: HyLight3D
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmenkonzept „Forschung für die Produktion von morgen” gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut.
Quelle: Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF)