Die Steigerung von Nachhaltigkeit und Produktivität zählt zu den großen Aufgaben dieser Zeit. In der Industrie besteht daher Bedarf an präzisen und flexiblen Anlagen für die additive Fertigung. An unserem Institut kommen hierfür speziell konzipierte CNC-Roboterkinematiken zum Einsatz. In Kombination mit gezielt entwickelten Werkzeugen zur Ablage kurz- und endlosfaserverstärkter Materialien entsteht ein agiler und flexibler Prozess zur additiven Fertigung thermoplastischer Faserverbundstrukturen.
CNC-Roboterkinematiken als Technologieträger in der Forschung
CNC-gesteuerte 6-Achs-Knickarmroboter finden zunehmend Anwendung als Werkzeugmaschinen. Hierfür werden Werkzeuge am Roboterflansch montiert und in Abhängigkeit von der Bahnbewegung des Roboters präzise angesteuert, sodass verschiedenste industrielle Prozesse umsetzbar sind. An unserem Institut kommen derartige robotische Systeme unter anderem in der additiven Fertigung zum Einsatz. Hierbei wird entlang der programmierten Bahn mit einem Druckkopf kontinuierlich Material ausgetragen, um ein Bauteil zu erzeugen. Dabei gilt es, zahllose Werkzeugpfade präzise zu befahren und die richtige Materialmenge am richtigen Ort abzulegen. So werden hochgenaue Bauteile ohne Fehlstellen hergestellt. Die Genauigkeit, mit der konventionelle Industrieroboter ein Werkzeug im Raum führen, genügt hierfür häufig nicht.
In Zusammenarbeit mit Industriepartnern wurde an unserem Institut erfolgreich ein hochgenauer CNC-Roboter für die additive Fertigung in Betrieb genommen. Die hohe Präzision resultiert aus den Einflüssen auf die Roboterkinematik sowie Sekundärencodern, die an den Getriebeausgängen die Achspositionen erfassen. Dadurch sind absolute Positioniergenauigkeiten des Roboters von 110 µm innerhalb der gesamten Reichweite von rund 2,2 m realisierbar, was ein einzigartiges Umfeld für die Entwicklung additiver Fertigungsprozesse schafft. Um eine Skalierung entwickelter Prozesse zu ermöglichen, ist ein CNC-Roboter der Anlage an unserem Standort in Stade kompatibel eingerichtet worden. Dieser erreicht eine absolute Positioniergenauigkeit von 250 µm in einem Bauraum von 18 m x Ø 5,5 m. Die CNC-Roboterzellen werden als Technologieträger für die Erforschung, Entwicklung und Kombination von 3D-Druckverfahen und Faserverbundfertigungsprozessen genutzt.
Leistungsfähige Werkzeuge für die additive Fertigung
Durch die Kopplung von CNC-Roboterkinematik und Druckkopf entsteht ein agiler und leistungsfähiger Prozess für die additive Fertigung. Unser Institut entwickelt hierfür gemeinsam mit Industriepartnern Werkzeuge für die Ablage kurz- und endlosfaserverstärkter Materialien. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf deren Ansteuerung in Abhängigkeit der Bahnbewegung. Darüber hinaus erlaubt eine neue Technologie zur Faserimprägnierung die kosteneffiziente Herstellung endlosfaserverstärkter Halbzeuge für die Verarbeitung im additiven Fertigungsprozess.
Die Zukunft der additiven Fertigung von Faserverbundstrukturen
CNC-Roboter ermöglichen als Technologieträger die technische Ausreifung der entwickelten Werkzeuge für den kurz- und endlosfaserverstärkten 3D-Druck im industriellen Umfeld. Für eine ganzheitliche Prozessoptimierung finden zudem weiterführende Forschungsarbeiten in den Bereichen der Materialentwicklung sowie der Qualitätssicherung statt. Zukünftig wird die Möglichkeit einer Prozesskombination bestehen, sodass kurz- und endlosfaserverstärktes Material auf mehrfach gekrümmte Strukturen aufgedruckt werden kann. Dadurch ist eine flexible und effiziente Fertigung von Faserverbundstrukturen möglich.
