Automatisierung Additive Fertigung – Work in Progress

Autor: Simone Käfer

Nachdem 3D-Drucker größer, schneller und genauer werden, stehen ihre Hersteller vor der nächsten Herausforderung: Wie bringen wir die Additive Fertigung in eine industrielle Fertigungskette? Die ersten wagten sich bereits 2015 mit ihren Ideen auf Messeflächen. Doch entscheidende Elemente fehlen immer noch.

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Um die Additive Fertigung von ihrem Manufakturstatus in die Produktion zu bringe, arbeiten Maschinenbauer, Softwareunternehmen und Anwender in mehreren Projekten.
Um die Additive Fertigung von ihrem Manufakturstatus in die Produktion zu bringe, arbeiten Maschinenbauer, Softwareunternehmen und Anwender in mehreren Projekten.
(Bild: ©chesky - stock.adobe.com)
  • Zuerst mussten die einzelnen Prozesse des 3D-Drucks getrennt werden
  • Mehrere Unternehmen arbeiten an der Automatisierung der additiven Verfahren
  • Arburg hatte bereits 2015 eine Produktionslinie mit 3D-Drucker gezeigt
  • Eine Fertigung braucht eine durchgängige Datenkette

Seit einigen Jahren schießen Maschinen, Verfahren, Hersteller und Werkstoffe für die Additive Fertigung (AF, AM) aus dem Boden. Aber in Produktionshallen sieht man die additiven Verfahren selten. Gerade mal 28 % der deutschen Industrieunternehmen besitzen einer Studie von Bitcom zufolge mindestens einen 3D-Drucker. Doch dieser fertigt bei fast allen Unternehmen Prototypen, bestenfalls Ersatzteile. Denn für den Einsatz in einer Produktionslinie beziehungsweise für die Serienfertigung sind sie nicht geeignet, weil sie nicht schnell genug sind, nicht genau genug, ihre Arbeit nicht reproduzierbar und die Nachbearbeitung zu umständlich ist, weil sie nicht automatisiert und somit in der Fertigung nicht brauchbar sind. Hinzu kommt, dass das Fachpersonal fehlt. Die Automatisierung sollte das geringste Problem sein. Schließlich sind es nicht die ersten Maschinen, die in eine Produktionslinie eingebaut werden sollen, und auch nicht die ersten, die automatisiert werden müssen. Trotzdem bereitet eine Integration der Additiven Fertigung in die Produktion Herstellern wie Anwendern Schwierigkeiten.

Erster Schritt: Trennung der Prozesse

Bereits 2015 stellte Concept Laser auf der Formnext erste Maschinen für seine „AM Factory of Tomorrow“ vor. Damals war die Neuerung, dass das Unternehmen die Vor- und Nachbereitung vom eigentlichen Baujob trennte und somit den Weg für eine Produktion ohne Totzeiten ebnete. Der Materialfluss sollte automatisiert und die Laserschmelzanlage über die Schnittstellen in eine klassische CNC-Maschinentechnik integriert werden. Somit wäre der Weg frei für eine flexible Maschinenbeschickung sowie eine räumliche Trennung der Auf- und Abrüstvorgänge. Dem Beispiel sind viele gefolgt. Die meisten großen Maschinenbauer in der AF-Branche bieten mit modularen Konzepten eine Trennung der Vor- und Nachbereitung vom eigentlichen Druckprozess an. Innerhalb von nur drei Jahren gelangte die Additive Fertigung auf die nächste Stufe. Doch seit der Integration von Concept Laser in GE Additive wurde es ruhig um die „AM Factory of Tomorrow“. Dabei sahen die Oberfranken schon das Potenzial von Industrie 4.0 für die Additive Fertigung. Ganz begraben scheint der Gedanke bei GE Additive nicht zu sein, als Hinweis dient ein kürzlich veröffentlichtes Youtube-Video, das die bekannten Ideen skizziert. Doch inzwischen wurden sie von EOS überholt.

Zweiter Schritt: Die Automatisierung

Die Südbayern haben sich vor eineinhalb Jahren mit Daimler und dem Luftfahrtzulieferer Premium Aerotech zusammengeschlossen, um im Projekt „Next Gen AM” eine vollautomatisierte additive Produktion aufzubauen. Seit September steht die Pilotanlage im norddeutschen Varel. Sie besteht aus einer M 400-4 von EOS, einer Maschine mit vier Lasern für den 3D-Metalldruck im SLM-Verfahren. Die M 400-4 ist mit einer Pulverstation ausgestattet und mit einer alleinstehenden Rüst- sowie Auspackstation verbunden. So kann, wie Concept Laser das schon richtig angedacht hatte, ein neuer Druckjob vorbereitet werden, während der aktuelle noch läuft und sich der vorhergehende in der Nachbearbeitung befindet. Während also ein autonomes Transportfahrzeug den Drucker mit einer frischen Bauplatte ausstattet, fährt ein anderes die zuvor additiv gefertigten Bauteile zwischen den einzelnen Stationen unter Schutzgas in einem Container zur nächsten Station. Dort nimmt ein Roboter die Bauplattform und legt sie zur Wärmenachbehandlung in einen Ofen. Derselbe Roboterarm entnimmt die Bauplattform anschließend wieder und bringt sie für die Qualitätssicherung zu einer 3D-Vermessungsstation. Abschließend gelangt die Bauplattform zu einer Säge, welche die Teile von der Plattform trennt. In der Pilotanlage steht nur ein Drucker, doch die Unternehmen arbeiten auf ein zentrales Pulvermanagement hin, das mehrere Drucker bestücken kann.

Auch ein Gemeinschaftsprojekt ist die DMP Factory 500. Dabei handelt es sich um eine modulares und skalierbares Konzept von 3D Systems und GF Georg Fischer. Die Bestandteile sind ein Drucker, ein auswechselbares Druckermodul und ein Element für das Pulvermanagement, welches die Teile und Bauplattformen vom überschüssigen Pulver befreit und dieses recycelt. Außerdem gehören ein Transportsystem dazu und ein Element für die Zwischenlagerung, sollte der nächste Arbeitsschritt noch belegt sein. Diese Schritte laufen vollautomatisiert ab. Durch die Automatisierung kommen Mitarbeiter nicht mehr mit dem Schutzgas in Berührung, das für das metallische Pulverbettverfahren notwendig ist. 3D Systems und GF gehen einen Schritt weiter als das Next-Gen-AM-Team. Sie denken auch an eine Weiterführung des Bauteils zu zerspanenden Prozessen, sei es für die Nachbearbeitung oder als eine weitere Station in einem größeren Fertigungsprozess. Dafür könne die DMP Factory 500 mit allen wichtigen ERP-Systemen kommunizieren.

Wie man das Problem mit dem Schutzgas löst, beschreibt Trumpf. Auf der Formnext 2018 stellt das Unternehmen sein automatisiertes Handling der Deckel für den Bau- und die Vorratszylinder vor. Man erläutert das Verfahren wie folgt: „Der Beschichter oder die Rakel, die beim Druck das Pulver im Bauraum verstreicht, tauscht ihr Auftragsmedium gegen einen von Trumpf entwickelten Wagen ein. Hier ist ein Einsatz verbaut, auf dem die Deckel liegen bleiben, sobald der Beschichter darüberfährt. Für die Deckel haben die Entwickler eine Lagerposition am Rand des Bauraums vorgesehen. Die Vorratszylinder fahren selbstständig nach oben und hängen ihre Deckel dabei an der Decke der Prozesskammer ein. Da sie sich außerhalb des Scanfelds des Lasers befinden, können sie hier bis zum Prozessende bleiben.” Außerdem bereitet das aus der Lasertechnik kommende Unternehmen mit Scanfeld-Überwachung und Nivellierung den Weg für die Reproduzierbarkeit und damit für eine echte Serienfertigung. Die Scanfeld-Überwachung stellt sicher, dass die Laserstrahlen richtig ausgerichtet sind. Dazu wurde zuvor ein Kalibrier-Target auf dem Beschichter angebracht. Für die Position der Bauplatte sorgt die Nivellierung. Per Kamera und Lasermesssystem prüft sie vor dem Baujob Höhe und Ausrichtung der Platte. Korrigieren muss allerdings immer noch ein Maschinenbediener. Trumpf ist nicht der einzige, der daran arbeitet, die Lasereinstellungen zu automatisieren. Auch 3D Systems und EOS sind sich der Notwendigkeit bewusst.

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MM fragt nach
MM fragt nach: Wie bereitet Trumpf seine AF-Maschinen auf den Einsatz in einer Fertigungslinie vor?

„Vor welchen Problemen stehen Sie bei der Anbindung von additiven Maschinen in die Produktion?”, war die erste Frage, die wir Damien Buchbinder, Leiter Produktmanagement bei Trumpf Additive Manufacturing, stellten. Außerdem wollten wir von ihm wissen, was die nächsten Schritte sind, die Trumpf geht, um die Additive Fertigung in eine Produktion zu integrieren.

Damien Buchbinder leitet das Produktmanagement bei Trumpf im Bereich Additive Manufacturing.
Damien Buchbinder leitet das Produktmanagement bei Trumpf im Bereich Additive Manufacturing.
( Bild: Trumpf )

„Eine der größten Herausforderungen bei der Anbindung von 3D-Druckern in die Produktion liegt im Softwarebereich. Anwender benötigen eine Lösung, die sie bei allen Arbeitsschritten entlang der Prozesskette im 3D-Druck unterstützt. Beispielsweise entwirft der Konstrukteur das digitale Modell des Bauteils als CAD-Modell. Für die Fertigung mit 3D-Druck benötigt er aber CAM- Daten, ebenso wie für die Nachbearbeitung mit Fräsen oder Schleifen. Folglich muss er mit verschiedenen Programmen arbeiten und Daten konvertieren. Das ist aufwendig, dauert lange und es kann zu Fehlern kommen.

Ebenso machen es die unterschiedlichen Programme und Datenformate schwierig, den gesamten Fertigungsprozess für den Anwender transparent abzubilden. Auch bei der Hardware gibt es noch Optimierungsbedarf, vor allem bei den vor- und nachgelagerten Prozessen. Bei Werkstücken etwa, die Stützstrukturen erfordern, ist noch viel Nacharbeit erforderlich.

Unser Ziel ist es, die gesamte Prozesskette des 3D-Drucks digital abzubilden – und wir sind auf einem guten Weg. Unsere Anlagen verfügen zum Beispiel über offene IT-Schnittstellen. Das ermöglicht es Anwendern, ihre Daten auszuwerten und die Technik weiterzuentwickeln. Ein ganzheitliches Softwarekonzept, mit dem Anwender entlang der digitalen Prozesskette arbeiten können, entwickeln wir ebenfalls.

Darüber hinaus automatisieren wir den 3D-Druck schrittweise. Unsere neueste Maschine, die Truprint 5000, ist mit einem Nullpunkt-Spannsystem ausgestattet, das die Substratplatte automatisch in die richtige Position bringt und als Spannmittel und Referenz für nachgelagerte Prozessschritte dient. Zusätzlich können wir damit hybride Prozesse, bei denen wir klassisch gefertigte Preformen bedrucken, schneller umsetzen. Auch die Zylinderdeckel nimmt unsere Anlage selbst ab. So ermöglichen wir nach dem Rüsten der Zylinder einen automatischen Prozessstart. Die Qualitätskontrolle läuft selbstständig während des Herstellungsprozesses. In Summe reduziert das den Bedienaufwand für den Mitarbeiter.

Langfristig wollen wir den 3D-Druck vollständig automatisieren. Wie das aussehen kann, haben wir bereits auf der Formnext 2017 vorgestellt: Roboter oder fahrerlose Transportsysteme wechseln die Bauzylinder automatisiert und selbstständig, sodass die Auslastung der Produktionssysteme gesteigert werden kann.”

Additive Fertigung als ein Baustein in der Fertigungslinie

Einfacher könnte eine Integration im 3D-Kunststoffdruck sein. Allein schon, da hier keine Schutzgasatmosphäre geschaffen werden muss. Das gilt auch für einige metallische Verfahren, wie das Nanoparticel Jetting (NPJ) von Xjet. Noch einfacher gelingt es wahrscheinlich mit Filamentdruckern und metallischen Verfahren, die mit Drähten arbeiten. Denn diese sind oft als Portalmaschinen aufgebaut oder arbeiten mit einem Roboterarm und lassen sich über ein Fließband stellen. So könnten sie auf einfachste Weise ihren Platz in einer Fertigungslinie finden. Aber die meisten Projekte drehen sich um Produktionsketten für eine reine Additive Fertigung. Was ist mit dem 3D-Druck als eine Station in einer Produktionslinie? Bei Arburg ist das fast schon ein alter Hut. Mit seinem Freeformer hat das Kunststofftechnik-Unternehmen bereits auf der Fakuma 2015 gezeigt, wie die Additive Fertigung in eine automatisierte Prozesskette eingebunden wird. Dort nahm ein LBR iiwa eine Büroschere samt Werkstückträger vom Förderband einer Spritzgießzelle und legte sie nach Abscannen des DM-Codes auf den Bauteilträger des 3D-Druckers, wo ein individueller 3D-Schriftzug aus PP aufgedruckt wurde. Nach einer Inline-Qualitätskontrolle des fertigen Produkts übergab der Roboter dem Messebesucher seine personalisierte Schere. Klingt einfach. Aber auch hier hat ein abteilungsübergreifendes Team an der Automatisierung des Vorgangs gearbeitet – und perfektioniert immer noch die Vorgänge. Denn noch stehen die Ingenieure vor Hindernissen. Beispielsweise arbeiten sie mit Forschungseinrichtungen an einer verlässlichen Qualitätsprüfung für Losgröße 1 und der Serientauglichkeit des Verfahrens.

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Vergleichsweise langwierige Reinigungszyklen spielen bei den metallischen Pulverbettverfahren eine noch größere Rolle als beim Freeformer, aber auch bei dem granulatbasierten Kunststoffdruck von Arburg muss auf Sauberkeit und die richtige Behandlung des Werkstoffs Rücksicht genommen werden. Das führt zur Logistik der Materialien. Am einfachsten haben es hier Anwender, die mit Filamenten oder Metalldrähten arbeiten. Das Kunststoff-Freiformen von Arburg bewegt sich im Mittelfeld: Wichtig ist, dass keine Staubkörner zwischen das Granulat gelangen, denn diese könnten die Düse verstopfen und somit die Tropfengröße verändern. Komplexer geht es bei den metallischen Pulverbettverfahren zu, bei denen auch noch Gefahren für die Gesundheit der Mitarbeiter bestehen. Bei allen gilt: Chargenschwankungen können die Bauteilqualität beeinflussen. Doch das größte Problem sieht auch Arburg im Datenaustausch. Bisher besitzt der Freeformer eine Schnittstelle, die an Euromap 67 angelehnt ist und über die Echtzeit-Ethernet-Variante des Varan-Busses kommuniziert. Übergeordnet sprechen die Maschinen OPC UA und das Leitrechnersystem ALS.

Eine durchgängige Datenkette und eine barrierefreie Kommunikation in Echtzeit zwischen den Maschinen, der Leitwarte und dem übergeordneten System sind nach Angaben aller Unternehmen aus der Additiven Fertigung die größte Herausforderung. Die Lösung wird einem leider nicht fertig serviert, Eigeninitiative ist auch weiterhin gefragt. Doch arbeiten Unternehmen sowohl aus der AF-Branche als auch aus der Softwareecke daran, eine Durchgängigkeit zu ermöglichen.

Dritter Schritt: Eine durchgängige Datenkette

Der PLM/ERP-Anbieter Computer Komplett kündigt an, auf dem PTC-Forum Ende November eine durchgängige digitale Datennutzung für den 3D-Druck bis in die Fertigung vorzustellen. Die CAD-Daten für das 3D-Modell stammen aus Windchill, dem PLM-System von PTC. Zudem wird der Fertigungsprozess in Echtzeit über die IoT-Plattform Thingworx visualisiert und überwacht. Diese berücksichtigt auch Änderungen am Modell oder Veränderungen des Fertigungsauftrages. Somit entstünde ein lückenloser Prozess von der Produktentwicklung über die Fertigungsplanung bis hin zur Produktionsüberwachung, erklärt Computer Komplett. Zudem können die Daten auch über eine Cloud abgerufen werden. Detailliertere Informationen waren bis zur Fertigstellung dieses Artikels nicht bekannt.

Auch EOS bietet demnächst eine Software für die Kommunikation seiner Maschinen mit MES oder ERP an. Mit EOS Connect Core sind Standardschnittstellen verfügbar, die sowohl den Austausch von Livedaten und Statusmeldungen per OPC UA erlauben als auch historische Daten über ein Web-API bereitstellen. „Mit der Software können Anwender die Auslastung ihrer EOS-Systeme auf einem Dashboard darstellen“, erklärt Mirco Schöpf, Product Manager Software bei EOS, einen der Vorteile. In Zukunft wird mit dem Programm auch das Steuern gleichartiger Maschinen über eine Leitstandwarte möglich sein. Noch sind die Peripheriegeräte nicht eingebunden. „Dabei denken wir an Schritte wie Bauteiltransport und Pulverrecycling“, ergänzt Schöpf. Auch an der Integration von weiterführenden Prozessen wird noch gearbeitet. „Wir fokussieren uns auf den AM-Prozessteil, aber unsere Vision ist eine durchgängige Nachverfolgbarkeit aller für die Additive Fertigung relevanten Prozessschritte, von einer Idee in Form einer CAD-Zeichnung bis zum fertigen Bauteil“, schwärmt Schöpf. EOS Connect Core soll dabei als Datenschnittstelle zur AM-Prozess­zelle eine zentrale Rolle spielen, ist aber bei einer kompletten Nachverfolgung immer als Teil unterschiedlicher Softwarelösungen verschiedener Anbieter zu sehen. „Ziel von EOS ist es, die Daten aus dem Fertigungsschritt 3D-Druck zugänglich zu machen“, stellt Schöpf klar.

Der belgische Softwareanbieter Materialise hat sich auf die Additive Fertigung spezialisiert. Schon länger arbeitet man an einem durchgängigen Programm und bieten mit Streamics eine PLM-Software an, die von der Produktion bis zum Versand reicht. Da Materialise selbst auch als Auftragsfertiger arbeitet, unterziehen sie ihre Software ständigen Prüfungen zur Praxistauglichkeit.

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Über den Autor

 Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung