3D-Druck-Fabrik

Automatisierte Additive Fertigung

| Autor: Simone Käfer

Ein Standardroboter, im Next-Gen-AM-Projekt ein Kuka, übernimmt das Be- und Entladen sowie das Rüsten der Bauplatte.
Ein Standardroboter, im Next-Gen-AM-Projekt ein Kuka, übernimmt das Be- und Entladen sowie das Rüsten der Bauplatte. (Bild: EOS)

NextGenAM oder wie Daimler, EOS und Premium Aerotec die Additive Fertigung automatisierten. Wie ihnen das gelungen ist, erklären Vertreter der drei Unternehmen anhand einzelner Prozessschritte.

  • Digital gesteuert vom Leitstand, sind die Transportwege von Pulver, Bauplatte und Rüstrahmen im Next-Gen-AM-Projekt automatisiert. Somit wird ein 24/7-Betrieb möglich.
  • Ein komplett automatisiertes Pulverhandling inklusive Entpulverung, Reinigung und Rückfuhr des Metallpulvers sorgt dafür, dass die Laserschmelzmaschine nicht stillstehen muss.
  • Zur Entfernung der Stützstrukturen wurde eine Stand-alone-Säge so umgebaut, dass sie von einem Roboter bestückt werden kann. Ausserdem wird mit einem Nullpunkt-Spannsystem gearbeitet.

Ein Roboter bringt die Bauplattform vom Hochregallager zur Laserschmelzanlage. Aus der anderen Richtung kommt das Pulver. Die Maschine startet den Druckvorgang. Ist der Druck beendet, fährt ein fahrerloses Transportsystem die Bauplatte zur Entpulverung und später zur Säge, welche die Stützstrukturen entfernt. Währenddessen wird das überschüssige Pulver aufbereitet und dem nächsten Baujob zugeführt, der parallel startete. Einen Menschen sucht man in der Produktionslinie vergeblich.

Damit diese vollautomatisierte Produktionslinie für Additive Fertigung funktioniert, haben EOS, Premium Aerotec und Daimler über zwei Jahre hinweg intensiv zusammengearbeitet. Der gesamte Prozess von Auftragseingang bis Stützstrukturentfernung wurde in fünf Produktions- beziehungsweise Aufgabenbereiche zerlegt, mit denen sich je ein unternehmensübergreifendes Team auseinandersetzte.

Automatisiertes Rüsten

Das Team „Automatisierung bis zum Jobstart“ um Dominik Hertle und Felix Hammerschmidt hat eine Lösung gefunden, um hoch qualifizierte Mitarbeiter auch in der AF-Produktion dort einzusetzen, wo ihr Know-how benötigt wird. Bisher mussten sie aufgrund der wenig automatisierten Vorgänge in der Additiven Fertigung ihre Arbeitszeit unter anderem mit dem Pulvertransport verbringen. Jetzt sitzen sie am Leitstand. Dieser arbeitet zwar weitest­gehend selbstständig, trotzdem muss das System überwacht werden und wenn notwendig kann der Mitarbeiter auch eingreifen. Also hat das erste Team des Next-Gen-AM-Projekts die Transport­wege von Pulver, Bauplatte und Rüstrahmen mit Roboter und fahrerlosen Transportsystemen automatisiert und damit auch einen 24/7-Betrieb ermöglicht. Neben der Pulverbereitstellung ist auch der gesamte Pulverkreislauf automatisiert, erklären die Teamleiter. In einem abgeschlossenen Kreislauf wird das nicht geschmolzene Metallpulver wieder aufbereitet und der Maschine erneut zugeführt. „Abgesehen von Wartungen und Reinigungen in regelmässigen Intervallen, muss von Hand nicht mehr in die Prozesskette eingegriffen werden", fasst Hammerschmidt zusammen.

Sicheres Pulverhandling

Eine lückenlose Rückverfolgbarkeit und die Sicherheit rund um das Metallpulver standen auf der Aufgabenliste des Teams von Benjamin Bietau und Dominik Kummer. Da mit reaktiven Metallen gearbeitet wird, ist ein geschlossener Werkstoffkreislauf nötig. Eine Automatisierung des Pulverkreislaufs trägt nicht nur zur Zeit- und Kosteneffizienz bei, sondern auch zur Sicherheit von Mitarbeitern. Bei Next-Gen-AM wird die Bauplattform nach dem Druck mit einem fahrerlosen Transportsystem zur Auspackstation gebracht, wo das Pulver automatisch entfernt wird. Das geschieht mit einer IPM M Unpack Station L von EOS. IPM steht für Intelligent Powder Management. Diese Entpulverungsstation arbeitet mit einem geschlossenen Pulverkreislauf unter Schutzgasatmosphäre in nur einem Modul. Sie kann für drei Maschinen des Typs EOS M 400 oder EOS M 400-4 genutzt werden.

Der geschlossene Pulverkreislauf bildet die Grundlage für eine hohe Wiederverwendbarkeit des Pulvers, ebenso wichtig ist, dass die Leitstandsoftware die Pulvercharge genau im Blick hat. Während das Pulver entfernt, aufbereitet und zurückgeführt wird, ist die Laserschmelzanlage schon längst mit ihrem nächsten Druckjob beschäftigt. So steht sie nie still. „Dadurch wird die Downtime des Lasers nicht angegriffen”, führt Bietau aus. „Er ist immer an, weil die Pulverzufuhr prozessparallel und das Auspacken laufzeitparallel vonstattengeht.“ Natürlich muss der Laser sich zwischendurch abkühlen, aber zu geplanten Zeiten. „Wir streben Rückführungsraten von 98 bis 99 % an”, verkündet Kummer. Ein Problem dabei ist, dass sich das Pulver mit Partikelgrössen von 15 bis 45 oder 20 bis 60 µm von den fein strukturierten Bauteilen nicht so einfach entfernen lässt. „Dafür haben wir applikationsspezifische Auspackanleitungen angelegt, mit denen wir auf den jeweiligen Baujob eingehen können. So erzielen wir sehr hohe Reinigungsraten”, erklärt Kummer.

Stützstrukturen absägen

Die Bauteile sind nun entpulvert und müssen noch von ihren Stützstrukturen befreit werden. Damit hat sich das Team „Postprocessing“ um Alexander Hemmen und Patrick Böhnke befasst. Die wahrscheinlich wichtigste Frage beim Absägen der Stützstrukturen ist: Woher weiss die Säge, an welchen Stellen sie in welchem Winkel sägen muss – und wie weit? „Um einen automatisierten Ablauf zu garantieren, haben wir die Maschine mit einem Nullpunkt-­Spannsystem ausstatten lassen”, erklärt Hemmen. Denn durch ein einheitliches Spannsystem, das eine wiederholbare, genaue Position des Bauteils vorgibt, wird das Rüsten deutlich einfacher und kann von einem Roboter durchgeführt werden. Ausserdem hat der Leitstand so immer die exakte Position und Ausrichtung der Bauteile, die er an die Säge weitergeben kann. Die Positionsdaten werden während des Drucks generiert. Aber das Befestigen der Bauplatte war nicht das einzige, was für eine Automatisierung verändert wurde. So musste die Stand-alone-Säge so umgebaut werden, dass sie vom Roboter bestückt werden kann. „Wir fahren bei der Säge kein Standardprogramm”, fügt Hemmen an. „Dort, wo sich das Bauteil befindet, fährt die Maschine Sägevorschub. Wo keines ist, fährt sie auf maximalem Vorschub.” Das habe zusätzlich zu Zeiteinsparungen geführt.

Ein Standardroboter, im Next-Gen-AM-Projekt ein Kuka, übernimmt das Be- und Entladen sowie das Rüsten der Bauplatte.
Ein Standardroboter, im Next-Gen-AM-Projekt ein Kuka, übernimmt das Be- und Entladen sowie das Rüsten der Bauplatte. (Bild: EOS)

Die Herausforderung für dieses Team lag allerdings nicht nur in den Hardware-Schnittstellen der einzelnen Maschinen. Damit alle entscheidenden Daten rechtzeitig zwischen den Maschinen und dem Leitstand ausgetauscht werden können, müssen die Maschinen in Echtzeit miteinander kommunizieren. Doch Maschinen von fünf verschiedenen Herstellern nutzen unterschiedliche Kommunikationsprotokolle. „Sie die gleiche Sprache sprechen zu lassen, war das schwierigste", erklärt Böhnke. Um Informationen zwischen Maschinen und Leitstand auszutauschen, wird OPC UA genutzt. „So haben wir einen Online-Blick auf jede Maschine, können diese beurteilen und steuern”, sagt Böhnke.

Durch den digitalen Zwilling, der während des Baujobs erstellt wird, soll eine Rückverfolgbarkeit bis zum Qualitätsreport gewährleistet sein. Eine Qualitätsprüfung findet bei der Next-Gen-AM-Linie nach der Wärmebehandlung statt. Geprüft wird mit einer 3D-Vermessungsstation des Unternehmens GOM.

Der Kopf des Systems – der Leitstand

„Wir haben die Infrastruktur geschaffen, um die Maschinen miteinander sprechen zu lassen”, ergänzt Klaus Zeche aus dem nächsten Team. Dieses Team hat sich mit dem Ort befasst, an dem alles zusammenläuft und von wo aus jeder Prozess angestossen wird – dem Leitstand. Er nimmt die Sensordaten auf, die alle Maschinen liefern, und weiss so immer, was in der Produktionslinie im Gange ist. „Wir haben den Leitstand in die Lage versetzt, seinen eigenen Plan zu definieren, um Arbeits­aufträge abzuarbeiten. Er weiss, welche Ressourcen zur Verfügung stehen und was wann passieren sollte“, erklärt Zeche. Um die vom Leitstand erstellten Arbeitspläne in die Linie zu bringen, waren Schnittstellen zum ERP- und PLM-System nötig. „Da wir auf der grünen Wiese gestartet sind, konnten wir von Anfang an Richtung Industrie 4.0 entwickeln und das ERP direkt in den Leitstand inte­grieren“, hebt Kim Kappen den Vorteil des Projektes hervor. So können die Aufträge vom SAP über den Leitstand direkt in die Fertigungszelle gespielt werden.

Dabei spielen Datenformate eine entscheidende Rolle. Die Teams beim Next-Gen-AM-Projekt hatten schliesslich nicht nur mit den unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen und Datenformaten der verschiedenen Maschinen zu kämpfen. Auch die Vorlieben der beiden Anwendungspartner Premium Aerotec und Daimler mussten berücksichtigt werden. Denn während man in der Luftfahrt mit Catia von Dassault Systèmes arbeitet, hat sich in der Automobilindustrie Siemens NX etabliert. „Das zu lösen, war der erste Schritt, um auf Veränderungen in der Nachfrage schnell reagieren können“, so Zeche. Was die Produktionslinie schon kann, ist ein Loadbalancing. Doch überraschte der Leitstand sein Team mit unerwarteten Entscheidungen. „Da ist also noch Potenzial für Logiken, die effizienter sind als unsere First-in-first-out-Logik“, gewährt Zeche einen Blick in die Zukunft. Um dem Leitstand seine Planungsautonomie zu nehmen, kann ein Bediener auch manuell auf das Planungstool zugreifen, in dem die Aufträge und deren Durchlaufzeiten in einem Balkendiagramm dargestellt sind. Der Leitstand übernimmt die händisch durchgeführten Änderungen automatisch und hält sich an die neue Priorisierung.

Kosteneffizienz – wo kann man sparen?

Für das Team um Christoph Wielenberg und Oliver Neufang ging es um Geld. Sie sollten die Frage beantworten: Wo kann man in einer additiven Produktions­linie am besten Kosten sparen? Um das herauszufinden, hat das Team „Kosteneffizienz” eine Material­flusssimulation erstellt, die über sämtliche Prozessschritte von Pulverhandling bis Qualitätssicherung reichte. Über mehrere Fertigungssimulationen konnten sie feststellen, wo am besten in die Anlage investiert werden sollte. Dann kam zu der Materialfluss­simulation die Kostenkalkulation hinzu. „Das war wichtig, um den anderen Teams Hinweise zu geben, bei welchen Schritten sie am sinnvollsten automatisieren”, sagt Wielenberg. Diese Simulationen hat das Team sowohl für einzelne Bauteile als auch für jeden Prozessschritt betrachtet. „So konnten wir erkennen, welche Kosten an welchem Bauteil in welcher Höhe entstehen – und welche Art von Kosten", erklärt Wielenberg den Aufwand. Da die Additive Fertigung dann am günstigsten ist, wenn der Bauraum gefüllt werden kann, ist es wichtig, möglichst viele Bauteile in einem Baujob unterzubringen. „Dadurch ist auch eine Vermischung von Aufträgen – in unserem Fall von Premium Aerotec und Daimler – möglich”, ergänzt Neufang. „Hierbei muss man allerdings darauf achten, ob und, wenn ja, inwieweit die unterschiedlichen Bauteilgeometrien die Qualität des benachbarten Bauteils beeinflussen.”

Durch die Automatisierung und Digitalisierung der Produktion wird die Additive Fertigung flexibel und skalierbar, die digitale Verwaltung der Aufträge durch den Leitstand ermöglicht eine maximale Auslastung der Systeme. Das alles führt zu einer Senkung der Kosten und macht die Additive Fertigung auch für grössere Stückzahlen und eine Serienproduktion lukrativ.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal www.maschinenmarkt.vogel.de erschienen.

* Weitere Informationen: EOS in 82152 Krailling, Tel. (0 89) 8 93 36-0, info@eos.info

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