Freeformer 3D-Druck automatisiert und integriert

Autor / Redakteur: Eberhard Duffner / Simone Käfer

Einem Team aus mehreren Abteilungen von Arburg ist es gelungen, die Additive Fertigung in eine automatisierte Prozesskette einzubinden. Verkettet mit Allrounder-Spritzgießmaschinen und einem LBR iiwa können sie spritzgegossene Großserienteile individualisieren und wirtschaftlich in Losgröße 1 fertigen.

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Funktionsbauteile lassen sich additiv aus Originalmaterial fertigen. Für die optimale Bauteilqualität muss das Granulat staubfrei sein.
Funktionsbauteile lassen sich additiv aus Originalmaterial fertigen. Für die optimale Bauteilqualität muss das Granulat staubfrei sein.
(Bild: Arburg)

Ein LBR iiwa nimmt eine Büroschere samt Werkstückträger vom Förderband der Spritzgießzelle. Mit seinem Greifer legt er sie nach Abscannen des DM-Codes sanft auf den Bauteilträger des 3D-Druckers Freeformer, wo additiv ein individueller 3D-Schriftzug aus PP aufgebracht wird. Nach einer Inline-Qualitätskontrolle des fertigen Produkts übergibt der Roboter dem faszinierten Menschen seine personalisierte Schere. So geschehen auf der Fakuma 2015, am Messestand von Arburg.

Auf der Messe hat das Unternehmen erstmals präsentiert, wie sich sein Freeformer in Zusammenarbeit mit einem Roboter in eine informationstechnisch komplett vernetzte und durchgehend automatisierte Prozesskette einbinden lässt. Für die Automatisierung des 3D-Druckers hat es ein Team aus den Abteilungen Entwicklung, Kunststoff-Freiformen und Turnkey geschafft, die Additive Fertigung in eine automatisierte Prozesskette einzubinden.

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Herausforderung Datenaustausch

Dazu ist der Freeformer mit einer an Euromap 67 angelehnten Schnittstelle ausgestattet, über die er mit dem Robotersystem kommunizieren kann. Über das Echtzeit-Ethernet Varan ist das System an den 3D-­Drucker angebunden.

Arburg setzt einen Varan-Bus ein. Die Hot-plug-&-play-fähige Ethernet-Variante kann problemlos an laufende Maschinen an- oder von ihnen abgesteckt werden und tauscht die Signale innerhalb weniger Mikrosekunden aus. Dies ist unbedingt erforderlich, damit es nicht zu Kollisionen kommt, etwa beim Öffnen und Bestücken des Freeformer-Bauraums. Das Öffnen und Schließen der Bauraumtür sowie das Temperaturmanagement erfolgen vollautomatisch, der Bauteilträger wurde ebenfalls angepasst. Ein LBR iiwa von Kuka auf einer mobilen Plattform verkettete das Spritzgießen mit der Additiven Fertigung und übernahm das Be- und Entladen des Freeformer-Bauraums. Das Additive Fertigungssystem kann also in Echtzeit mit dem Robotersystem kommunizieren. Auch eine automatisierte Bestückung mit Grundplatten oder Reinigungszyklen ist realisierbar. Das Einlegen erfolgt dann mit Inline-Vermessung und automatischer Höhenkorrektur.

Voraussetzung ist eine offene und standardisierte Kommunikationsplattform. Denn nur so lassen sich Produktionsabläufe realisieren, die einen übergreifenden Datenaustausch zwischen Maschinen, Werkzeugen, Werkstücken und logistischer Peripherie ermöglichen. Arburg nutzt OPC UA für den Datenaustausch zwischen Allroundern und dem eigenentwickelten Leitrechnersystem ALS für die Verzahnung mit Auftragsinformationen und das Erfassen der Prozessdaten. Beim Freeformer werden damit Parameter wie Massedruck, Temperatur, Kraft, Drehmoment und Achsposition erfasst. Das ALS kann diese Daten für jedes einzelne Teil in einer Cloud oder einer eigenen Internetseite archivieren, sodass sie jederzeit rückverfolgbar sind.

Herausforderung Reinigungszyklen

Nach Unterbrechungen im Produktionsablauf kann sich die Viskosität des Materials und damit die Tropfengröße ändern. Wird der Freeformer automatisiert betrieben, sind in regelmäßigen Abständen Reinigungszyklen zu programmieren. Beim Praxisbeispiel „Büroschere” führt der Roboter iiwa eine Schale in den Bauraum und hält sie unter die Austrageinheit, woraufhin der 3D-Drucker das Material ausspült. Danach entfernt der Roboter mit einer auf der Scheren­aufnahme angebrachten Bürste die Reste des anhaftenden Materials. Wichtig ist in diesem Zusammenhang natürlich auch eine konstante Bauraumtemperierung.

Gerade bei Zweikomponenten-Anwendungen, bei denen sich die Mengen der benötigten Materialien deutlich unterscheiden, kann es sinnvoll sein, gleichzeitig „Opferbauteile” zu produzieren, die anschließend entsorgt werden. Dies ermöglicht einen balancierten Austrag beider Komponenten und reduziert die Verweilzeiten und somit eine thermische Schädigung des eigentlich nur in kleinen Mengen benötigten Materials.

Herausforderung Werkstoff-Logistik

Auch wenn qualifizierte Originalmaterialien verwendet werden, stellt das kleinste Tropfen erzeugende Kunststoff-Freiformen höhere Ansprüche an die Materialqualität und Werkstofflogistik als das herkömmliche Spritzgießen. Das Granulat sollte beispielsweise unbedingt staubfrei sein, da Staubpartikel die Düse verstopfen können und die Tropfengröße und Qualität des additiven Bauteils beeinflussen. Man sollte also auf keinen Fall unkontrolliert aus einem offenen Materialbehälter der Spritzerei Granulat entnehmen und in den Freeformer einfüllen. Darüber hinaus können Chargenschwankungen die Bauteilqualität beeinflussen.

Herausforderung Serientauglichkeit

Ein wichtiges Themenfeld für die Serientauglichkeit ist die Vorhersagbarkeit von Qualitätsmerkmalen der in Losgröße 1 produzierten Teile, die von vielen variierbaren Slice- und Prozessparametern abhängen. Um die Qualität gedruckter, echter Funktionsbauteile beurteilen zu können, sind mechanische Werte wie Zug- oder Reißfestigkeit, Dichte oder Veränderungen in der Chemie des Ausgangsmaterials entscheidend. In diesem Kontext erarbeitet Arburg in Kooperation mit namhaften Forschungseinrichtungen Lösungen für den Freeformer und das AKF-Verfahren. MM

* Dr. Eberhard Duffner ist Bereichsleiter Entwicklung und Kunststoff-Freiformen bei der Arburg GmbH + Co KG in 72286 Loßburg, Tel. (0 74 46) 33-0, contact@arburg.com

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