Additive Fertigung Hybride Roboterzelle für die additive und subtraktive Fertigung

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Für Anwendungen wie Fräsen, Schleifen, Polieren oder Entgraten findet man bei Toolcraft bereits verschiedene Roboter­applikationen. Diese sind jedoch nicht für eine laserbasierte additive Fertigung geeignet. Der Mittelständler entwickelte daher eine hybride Roboterzelle, mit der auch große Bauteile additiv und subtraktiv bearbeitet werden können.

Seit der Unternehmensgründung als Ein-Mann-Betrieb vor 35 Jahren ist Toolcraft stetig gewachsen und konnte sich im Laufe der Zeit technologisch breit aufstellen. Nach einem erfolgreichen Start als Zerspanungsdienstleister wurde zunächst der Maschinenpark sukzessive erweitert. Es folgten die Einrichtung der Bereiche Spritzguss und Formenbau sowie im Jahr 2011 der Einstieg in die additive Fertigung. Seit fast 10 Jahren gehört auch eine eigene Robotik zum Leistungsportfolio des mittelständischen Familienunternehmens, das seitdem schon mehrere technologieübergreifende Projekte erfolgreich umsetzen konnte. Innovative Ansätze wurden dabei oft mithilfe einer Roboterapplikation gefunden. Nicht nur, um immer umfangreicher werdende Kundenanforderungen noch vielseitiger bedienen zu können, sondern auch, um eigene interne Abläufe zu optimieren.

Roboterzelle für die automatisierte Fräsbearbeitung

Toolcraft setzt neue Maßstäbe bei Bearbeitungsprozessen mit Robotern. Fertigungsschritte wie die Fräsbearbeitung von Bauteilen aus verschiedenen Materialien, bis hin zu metallischen Werkstücken, oder das Entgraten und Schleifen sowie Polieren entsprechender Bauteile können automatisiert umgesetzt werden. Durch die Offline-Programmierung mittels CAM-Bahnplanung besteht die Möglichkeit, die Roboterzelle effizient und zeitsparend, ähnlich einer CNC-Bearbeitungsmaschine, zu programmieren und Bewegungsabläufe sowie Erreichbarkeiten zu simulieren. 

Mit einer nahezu beliebig erweiterbaren Anzahl an Werkzeugen bringt die Applikation Flexibilität und Effizienz in den Fertigungsprozess, da eine Vielzahl an Tools für mannlose Laufzeiten bereitgestellt werden kann. Eine nominale Reichweite von zwei Metern in Kombination mit einem simultan drehenden Bearbeitungstisch ermöglicht auch die Bearbeitung von größeren Bauteilen in einer oder nur wenigen Aufspannungen. Darüber hinaus ist die Anlage beliebig erweiterbar. So können unter anderem ein Späneförderer, eine Absauganlage und eine Klimatisierung ergänzt werden.

Multitalent zum Laserauftragschweißen und Fräsen

Für Anwendungen wie Fräsen, Schleifen, Polieren oder Entgraten findet man bei Toolcraft bereits verschiedene Roboterapplikationen. Diese sind jedoch nicht für eine laserbasierte additive Fertigung geeignet, da beim Laserauftragschweißen einige Schutzmaßnahmen eingehalten werden müssen. Deswegen entwickelte der Mittelständler eine hybride Roboterzelle, mit der sowohl additiv als auch subtraktiv gefertigt werden kann.

Erste eigene Erfahrungen mit der LMD-Technologie (Laser Metal Deposition) sammelte Toolcraft bereits vor einigen Jahren mit der Investition in eine individuell angepasste Anlage von Trumpf mit horizontaler und vertikaler Rotationsachse für das Laserauftragschweißen (LMD/DED). Damit begann der Einstieg in die DED-Technologie und das EHLA-Verfahren (Extremes Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen). Schnell wurden die Vorteile dieses Verfahrens erkannt. Toolcraft stieß jedoch an räumliche Grenzen. Die Größe des Bauraums spielt beispielsweise bei Reparaturanwendungen im Werkzeugbau eine entscheidende Rolle. Auch bei großen zerspanten Bauteilen kann es vorkommen, dass eine Reparatur notwendig wird. Diese Bauteile sind allerdings sowohl für Pulverbett- als auch für LMD-Anlagen zu groß. Deshalb musste in größeren Dimensionen gedacht und an einer flexiblen Lösung gearbeitet werden.

Additive Fertigung und Robotik kombiniert

Wieder war es naheliegend, zwei Technologien zu kombinieren – in diesem Fall die additive Fertigung und die Robotik. Auf diese Weise wurde bei Toolcraft die Idee einer hybriden Roboterzelle für die additive und die subtraktive Bearbeitung geboren. Mit dem Laser-Schweißkopf ist es möglich, mittels Laserauftragschweißen Bauteile zu bearbeiten. Bestehende Komponenten können somit beschichtet und durch punktuellen Materialauftrag mit neuen Konturen versehen werden. 

Des Weiteren ist es möglich, beschädigte sowie verschlissene Bauteile zu reparieren, indem partiell Material aufgetragen wird und durch das laserbasierte und filigrane Schweißverfahren nur ein begrenzter Wärmeeintrag in das Werkstück gelangt. Das spart nicht nur Kosten, sondern reduziert auch den Materialeinsatz gegenüber der Neufertigung und ermöglicht Materialkombinationen, die bisher nicht umsetzbar waren. Der Roboter von Mabi Robotic verfügt über einen Bearbeitungsradius von 2,25 Metern und ist damit für Klein- und Großbauteile einsetzbar. Neben dem „klassischen“ Laser-Pulver-Auftragsschweißen können mittels EHLA-Verfahren auch rotationssymmetrische Bauteile mit zum Beispiel einer Hart- oder Verschleißschicht sehr effizient beschichtet werden.

Hybride Roboterzelle: Bauteile in einer Aufspannung bearbeiten

Dank der adaptiven Motorspindel können Bauteile mit demselben Robotersystem in einer Aufspannung vorbearbeitet, geschweißt und nachzerspant werden, wobei der Wechsel vom Schweißen zum Fräsen vollautomatisiert ohne manuelles Eingreifen erfolgt. Hierdurch lassen sich Flächen für den Schweißprozess vorbereiten, während des Fertigungsprozesses Bezugsflächen herstellen und im Nachgang Oberflächen spanend weiterbearbeiten. 

Mit einer Erreichbarkeit von ungefähr zwei Metern in Kombination mit einer Dreh- und Schwenkeinheit als Bearbeitungstisch ermöglicht der Roboter die flexible 8-achsige Fertigung komplexer Geometrien. Durch die vollumfängliche Siemens NX Offline-Programmierung können Bewegungen losgelöst vom Fertigungsprozess simuliert und mittels hochpräziser Bahnplanung programmiert werden. Mit der von Toolcraft entwickelten hybriden Roboterzelle lassen sich metallische Großbauteile bearbeiten, wodurch sich eine Lücke in der additiven Fertigung schließt.

Blick in die Zukunft

Perspektivisch soll eine optische Vermessung mittels Linienscanner direkt in der Roboterzelle umgesetzt werden. Darüber hinaus wird drahtbasiertes Auftragschweißen und EHLA möglich sein. Außerdem arbeitet Toolcraft aktuell an der 3D-Visualisierung der hybriden Roboterapplikation. Dadurch werden die VR-Schulungen weiter ausgebaut, die bei dem mittelständischen Unternehmen unter dem Geschäftsbereich AMbitious angeboten werden. 

Die Autorin Julia Rodenbücher arbeitet im Marketing bei der Toolcraft AG.