Automation der additiven Fertigung braucht vereinheitlichte Datenkette

Anwender der additiven Verfahren fordern automatisierte, qualitätsgesicherte Abläufe von Vorkette bis Nachbearbeitung. Automatisierer könnten sie realisieren. Doch wird sich das volle wirtschaftliche und technische Potenzial additiver Prozessketten nur heben lassen, wenn sich die Akteure auf offene, einheitliche Datenformate verständigen. Die Debatte darüber ist in der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA angelaufen. Über 90 Anlagenbauer, Anwender, Automatisierer und Forschungsinstitute wirken in der Arbeitsgemeinschaft mit.
Einer der Akteure ist Toni Schneider, Spezialist für Material Working und Steuerungstechnik bei Schneider Electric. Er wirbt dafür, dass sich die Akteure offener begegnen und im Interesse ihrer Kunden die Basis für offene, standardisierte Lösungen im Addi­tive Manufacturing schaffen und meint: „Im Additive Manufacturing liegt genügend Marktpotenzial für uns alle.“ Schneiders Vision: Anwender können in automatisierten Prozessketten Anlagen und Lösungen von verschiedenen Anbietern kombinieren und vorhandene Technik dank offener Programmiersysteme weiternutzen, wenn sie neue Automationsspezialisten für neue Anwendungen hinzuziehen. „Wir trauen es uns zu, dass unser branchenspezifisches Applikations-Know-how und unsere Lösungskompetenz in einer Open-Source-Welt mit einheitlichen Datenformaten gefragt bleiben“, sagt Schneider. Prozesse vom Kunden her denken. Globale statt gekapselte Lösungen schaffen. Schneider denkt groß.

Er hat im Arbeitskreis Steuerungstechnik im VDMA die Erfahrung gemacht, dass das Denken vom Ziel her Hemmschwellen abbaut: „Als das Thema Industrie 4.0 aufkam, hatten wir auch erst Bedenken, ob es klug ist, Wettbewerbern den eigenen Status offenzulegen.“ Erst als die Diskussion zu den Zielen vordrang und in den Leitfaden Industrie 4.0 mündete, wurde sie offen. Der Blick auf das Marktpotenzial und die Entwicklungsmöglichkeiten des Einzelnen in einer Welt mit einheitlichen Datenformaten zeigte, wie viel auf dem Spiel steht, wenn jeder nur für sich denkt. Diesen Geist möchte Schneider in die Arbeitsgemeinschaft (AG) Additive Manufacturing im VDMA tragen.

Der Status quo: Insellösungen

Kern des Additive Manufacturing ist ein digitaler Prozess. Laser, von Konstruktionsdaten gelenkt, schmelzen Metall-, Kunststoff- und andere Werkstoffpulver schichtweise zu 3D-Bauteilen. Andere Verfahren machen ebenso aus den reinen Daten Dinge, die man anfassen kann.
Das Umlenken der Laserstrahlen über Spiegel ist ein präziser automatisierter Prozess, der ebenso von Software gesteuert wird wie die Nebenantriebe zur Pulverzufuhr und gleichmäßigen Ausbereitung des Pulverbetts. Rundherum ist dagegen viel Handarbeit gefragt: Das Freilegen der Bauteile, Ausblasen der Pulverreste, das Entfernen der Stützstrukturen ebenso wie die Nachbearbeitung der rauen Oberflächen, die Kontrolle auf Maßhaltigkeit und zerstörungsfreie Prüfung oder das Verpacken der Bauteile.
Noch sind das isolierte händische Prozesse. „Solange es um Rapid Prototyping ging, war das in Ordnung. Doch nun dringt Additive Manufacturing zunehmend in Serienprozesse ein“, kommentiert Rainer Gebhardt, der die AG Additive Manufacturing vonseiten des VDMA als Projektleiter betreut. In Serienprozessen herrschen andere Anforderungen an Kosten, Prozesssicherheit, an Produktivität, Dokumentation und Qualitätssicherung. Um diese Fragen von Anfang an gemeinschaftlich anzugehen, hat sich ein Gutteil der über 90 AG-Mitglieder im Arbeitskreis Automation zusammengetan.
Der Prozess beginnt bei der Vorkette. Schon hier gibt es Brüche. Denn die mechanische Konstruktion erfolgt in MCAD und muss vor dem Ausdrucken in eine von der jeweiligen Maschine verarbeitbare Datei konvertiert werden. Und die Vorkette beeinflusst alle weiteren Schritte. „Wünschenswert aus Sicht des Automatisierers wäre es beispielsweise, dass Konstrukteure schon im MCAD-System jene Koordinaten verankern, an denen Entnahmeroboter die fertigen Teile greifen dürfen“, kommentiert Schneider. Doch eine so durchgängige Datenkette ist lange nicht in Sicht. Die Spiegelsteuerung der Anlagen spricht eine andere Sprache als die Roboter in der nachgelagerten Kette.
Die Anlagenbauer haben mit der Optimierung der Prozesse in ihren Anlagen genug zu tun. Neue Laserschmelz-Anlagen koordinieren das Zusammenspiel mehrerer Laser und Spiegel, um größere Bauteile mit höherer Produktivität zu fertigen. Kunden fordern bessere Inline-Qualitätssicherung. Daneben gerät die Anbindung an die Gesamtprozesskette in den Hintergrund. „Wir dürfen sie aber nicht vernachlässigen, wenn wir die bisher führende Rolle unserer Anlagenbauer und Anwender nicht aufs Spiel setzen wollen“, mahnt Gebhardt, „zumal wir hier im Land die industrielle Basis und das notwendige Know-how haben, um Additive Manufacturing in eine Industrie-4.0-Welt zu transformieren.“

Ziel: Vernetzte automatisierte Prozesse

Schneider sieht es ebenso. Er skizziert eine Zukunft, in der Einkäufer 3D-Files in die Cloud laden, und Dienstleister prüfen anhand der Daten in groben Prozesssimulationen, ob ihre vorhandenen Anlagen und Roboter das gewünschte Teil fertigen und handhaben können. Fällt die Prüfung positiv aus und bekommen sie den Zuschlag, dann lesen ihre vernetzten Anlagen die Files automatisiert ein, checken die Anforderungen an die Dokumentation und geben die Daten gleich an die Roboter, Messtechnik und Maschinen weiter. Alles weitere läuft automatisiert, Maße prüfen, Teile handhaben und Oberflächen nachbearbeiten.
Digital vernetzt und abgesichert durch Prozesssimulation sollen solche Prozessketten additive Verfahren auf ein neues Niveau der Automatisierung heben. Der digitale Datenstrom entspringt als CAD-Datei der mechanischen Konstruktion und mündet nach einem automatisch dokumentierten Prozess in fertig verpackten, zertifizierten Bauteilen.
„Heute ist Additive Manufacturing eine Black Box. Der Laserprozess ist gekapselt“, erläutert Schneider. Es gehe darum, diese Black Box an die automatisierte Handhabungs- und Nachbearbeitungswelt anzubinden. Die fräsende, drehende, trowalisierende und erudierende Fertigungswelt ist in Sachen Automation weiter.

Gemeinsam zur Reife

Die Unreife des Additive Manufacturing zeigt sich in weiteren Brüchen entlang der Prozesskette. „Es wäre wünschenswert, dass Anlagen, Roboter und CNC-Maschinen alle die gleiche Sprache sprechen und auf den gleichen Datenbestand zugreifen könnten“, so der Experte. Er ist bereit, mit den anderen Mitgliedern der AG Additive Manufacturing auf ein Einheitsblatt hinzuarbeiten – und damit auf die Basis für durchgängige, offene Automatisierung analog zur Codesys-Welt, in der Dutzende Automatisierer und Antriebshersteller mit dem gleichen Open-Source-Datenformat arbeiten.
„Wir sehen die Offenheit als klaren Wettbewerbsvorteil, da Kunden darin ein viel breiteres Lösungsportfolio finden, als einzelne Hersteller mit proprietären Ansätzen bieten können“, erklärt Schneider. Spätestens wenn sich Teile additiv fertigen lassen, die aufgrund ihres Gewichts, ihrer Empfindlichkeit oder Stückzahl nicht von Hand bewegt werden können, wird kein Weg mehr an Automation vorbeiführen. Erste Anwender artikulieren schon heute Bedarf.

Anwender fordern mehr

Dr. Steffen Landua beispielsweise, der bei der Volkswagen AG die Technologieentwicklung Werkzeugbau und Presswerk leitet. In jüngster Zeit hat er auf mehreren Kongressen und Tagungen dargestellt, welches Potenzial der Automobilbauer additiven Verfahren beimisst. Einerseits im Zusammenhang mit Kleinserien wie beispielsweise für Edelmarken wie Lamborghini, Bugatti oder Bentley. Anderseits aber auch, um in Werkzeugen für Warmumformprozesse oder in Gussformen konturnahe Kühlkanäle zu realisieren. Oder um Montagehilfen zu fertigen. Langfristig traut er der jungen Technologie aber auch den Sprung in die Großserie zu – um Leichtbaupotenziale zu heben oder die Bauraumausnutzung zu optimieren. Aber Landua hat in seinen Vorträgen auch keinen Zweifel daran gelassen, dass sich das Additive Manufacturing dafür verändern muss. Denn der Kostendruck sei in der Automobilbranche ein anderer als in der Luftfahrt oder in der Medizintechnik. Niedrige Stückkosten vertragen sich nicht mit Handarbeit. Der automotivetaugliche Serienprozess, den Landua beschreibt und letztlich auch einfordert, kommt der vernetzten automatisierten Prozesskette sehr nahe, die auch Schneider skizziert. Voll automatisiert vom Pulverhandling bis zur Nachbearbeitung der Bauteile. Die Nachfrage der Automobilbauer wird ein Treiber der Entwicklung sein. Doch auch Landua betont, dass der Fortschritt nur im Zusammenspiel der Akteure aus Anlagenbau und Automation machbar ist. Sie müssten ihr jeweiliges Know-how zusammenbringen, um spezifische Lösungen für die industriellen Anwender zu entwickeln. „Eine durchgängige Datenkette gehört für uns unbedingt dazu“, sagt er.
Gebhardt vom VDMA beobachtet durch das Auftreten von Playern wie Volkswagen eine spürbare Dynamisierung im Markt. „Die Diskussionen zwischen Anlagenbauern, Automatisierern, Fertigern und Anwendern gewinnen in unseren Arbeitskreisen an Fahrt“, sagt er. Unter dem Dach des VDMA komme die nötige Erfahrung und das Know-how zusammen, um die Weichen für die Zukunft der Technologie von vornherein richtig zu stellen. Dass Toni Schneider seine positiven Erfahrungen aus dem Arbeitskreis Steuerungstechnik auch in die AG Additive Manufacturing einbringe, sei ein gutes Beispiel, wie der Know-how-Transfer funktioniere.  (jbi)

Peter Trechow, freier Journalist, Berlin.