Optimierung der roboterbasierten, hybriden Fertigung: OPTIROB

Prozess- und Qualitätsoptimierung der roboterbasierten, prozesshybriden Fertigung (additiv, zerspanend) bis zu der Endform-Bearbeitung in einem System

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Förderprojekt im Rahmen des niedersächsischen Förderprogramms Innovation durch Hochschulen und Forschungseinrichtungen – Europa für Niedersachsen

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks ist die Fähigkeit, ohne Mehrkosten komplexe Strukturen zu erschaffen. Fertigungsdauer und Qualitätssicherung sind aber derzeit noch die großen Herausforderungen bei den additiven Fertigungsverfahren. Insbesondere die Thematik der In-Prozess-Qualitätssicherung bedarf grundlegender Untersuchungen zum Auffinden neuer technischer Lösungsansätze. Additive Fertigung benötigt dedizierte Methoden und Verfahren zur Qualitätssicherung [4]. Hybride Prozesse ermöglichen ein additives Verfahren mit einem konventionellen Zerspanungsverfahren zu kombinieren, wodurch die Fertigungsdauer verkürzt werden kann und hochkomplexe Geometrien hergestellt werden können, die mit konventionellen Verfahren nicht zu fertigen sind, wie Bauteile mit innenliegenden Strukturen und/oder Hohlräumen [1-5]. Zurzeit werden in Hybridmaschinen 3D-Druckverfahren mit spanabhebenden Verfahren kombiniert, z.B. Laserauftragsschweißen bzw. das Metall-Pulver-Auftragsverfahren mit Fräsverfahren und die Bearbeitung eines Werkstückes in einer Aufspannung ermöglichen.

Ein entscheidender Nachteil additiver Fertigungsverfahren besteht aber weiterhin in der vergleichsweise geringen Oberflächenqualität und Bauteilmaßtreue. Die mechanische Nacharbeit ist wegen der beschränkten Zugänglichkeit für das Werkzeug zu jeder Fläche schwierig und verlängert bzw. verteuert die Bearbeitung signifikant. Auch die hybriden Werkzeugmaschinen heben diese Limitierungen nicht auf. Im vorliegenden Projekt (OPTIROB) wird eine autonome, roboterbasierte, hybride Fertigungseinheit umgesetzt, die eine geeignete Nachbearbeitung noch während des Schichtaufbauprozesses ermöglicht. Dabei wird ein Bauteil sukzessive additiv aufgebaut und dabei entstehende unebene Oberflächen (0,1 mm - 1 mm Unebenheit/überschüssiger Materialaufbau) mittels Fräsen auf Endmaß korrigiert. Je nach Bauteilkomplexität läuft dieser Prozess wechselweise. Der Fräsprozess muss daher kühlschmiermittelfrei erfolgen, um additiv auf sauberen Oberflächen weiter bauen zu können. Für die Zukunft ist ein kostengünstiger, roboterbasierter und hybrider Bearbeitungsprozess, der in stationäre und insbesondere mobile Fertigungskonzepte integriert werden kann.

Ziel des vorliegenden Projekts ist diesen hybriden Prozess zu optimieren und die Qualität der dadurch endform-gefertigten Teile, durch die Integration von optischen Messtechniken und Methoden in den kontinuierlichen Prozess und eine „In-Prozess“ intelligente Nachbearbeitungssteuerung abzusichern. Demonstriert wird das Konzept erst an Eisenteilen, mit Ausblick auf Aluminium und Titan. Die geforderten Oberflächenspezifikationen und Bauteilmaßtreuen werden durch die Integration von Überwachungsmethoden und Techniken in den kontinuierlichen Prozess und eine „In-Prozess“ intelligente Nachbearbeitungssteuerung erreicht, da nur hierbei zu jedem Zeitpunkt die Zugänglichkeit aller Flächen gegeben werden kann. Prozess- und Produktqualitätsdaten werden zusammengeführt und durch eine Cloud-Anbindung zur weiteren Verarbeitung genutzt so, dass die Basis für die Optimierung der gesamten Fertigungskette durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz gelegt wird.

Hierzu fördern die Europäische Union im europäischen Förderfond für regionale Entwicklung (EFRE) und das Land Niedersachsen im Programmgebiet Übergangsregion (ÜR, Förderperiode 2014-2020) das Projekt OPTIROB seit dem 01.04.2020 bis zum 30.06.2022.

 

Quellenverzeichnis

1. Gunther Reinhart, Handbuch Industrie 4.0, Geschäftsmodelle, Prozesse, Technik, Carl Hanser Verlag, München 2017

2. Birgit Vogel-Heuser, Thomas Bauernhansl, Michael ten Hompel, Handbuch Industrie 4.0, Bd.1- 4, Springer-Verlag 2017

3. Walter Huber, Industrie 4.0 in der Automobilproduktion, Springer Vieweg, 2015

4. Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Additive Fertigung, Stellungnahme, ISBN: 978-3-8047-3676-4, Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek, 2016

5. Christoph Klahn / Mirko Meboldt (Hrsg.), Entwicklung und Konstruktion für die Additive Fertigung, Grundlagen und Methoden für den Einsatz in industriellen Endkundenprodukten. Vogel Business Media GmbH & Co. KG, 2018

TEAM

  • Prof. Dr. Anthimos Georgiadis
  • Prof. Dr.-Ing. Paolo Mercorelli
  • Dr.-Ing. Benedikt Haus
  • Lennart Schäfer, M.Sc.
  • Jin Siang Yap, M.Sc.