Robotergestütze Additive Fertigung
01 – Ausgangslage
Wenn der Bauraum zur Grenze wird
Konventionelle 3D-Druckverfahren wie FFF bauen ein Bauteil in planaren, horizontalen Schichten auf. Aus dieser 2,5D-Schichtlogik ergeben sich zwei bekannte Einschränkungen. Überhänge lassen sich nur mit zusätzlichen Stützstrukturen fertigen, und die Haftung zwischen den Schichten bleibt in Aufbaurichtung (Z) die mechanische Schwachstelle des Bauteils.
Die robotergestützte additive Fertigung setzt an diesem Punkt an. Ein Extruder wird als Endeffektor auf einen Industrieroboter oder Cobot montiert. Mit sechs bis sieben Freiheitsgraden kann der Druckkopf das Material in wechselnder Orientierung ablegen. So werden nicht-planare und mehrachsige Bahnen möglich, die den Bedarf an Stützstrukturen senken, die Schichthaftung verbessern und größere sowie geometrisch komplexere Bauteile erlauben. Der nutzbare Bauraum bleibt dabei durch die Reichweite des Roboters begrenzt. Bei Bedarf lässt er sich über eine zusätzliche Linearachse erweitern.
Vergleich der Prozessketten
Was zeigt das Diagramm?
Den Datenfluss von CAD bis Fertigung, einmal für den konventionellen Prozess nach VDI 3405 und einmal für die non-planare Fertigung mit kommerzieller Software.
Was macht die R-AM anders?
Non-planare Pfade brauchen zusätzliche Hilfsflächen beim Slicing, eine Simulationsschleife zur Kollisions- und Erreichbarkeitsprüfung sowie einen Postprozessor, der den Code in ein roboterlesbares Format überträgt.
Warum ist das notwendig?
Ohne diese zusätzlichen Schritte lässt sich eine non-planare, mehrachsige Bahn nicht zuverlässig und kollisionsfrei erzeugen.
02 – Unsere Arbeiten
Wir arbeiten am GoetheLab an der robotergestützten additiven Fertigung, von den methodischen Grundlagen bis zu konkreten Roboteranlagen. Was wir dabei können, und was daraus entstanden ist, zeigen die beiden folgenden Abschnitte.
Kompetenzen
Prozessentwicklung
Prozessführung
Prozessqualifizierung
Software & Algorithmen
Wir bringen neue Roboter-Extruder-Kombinationen zum Drucken. Das reicht von der mechanischen Anbindung des Extruders an den Flansch über die Extrusionsberechnung (Schichthöhe, Bahnbreite, Materialfluss) bis zum ersten gedruckten Bauteil, für Granulat ebenso wie für Filament.
Wir steuern Roboterbewegung und Extrusion synchron. Extrusionsmenge und Geschwindigkeit werden an Ecken und Richtungswechseln gezielt angepasst, damit dort weder zu viel noch zu wenig Material abgelegt wird.
Jede Bahn wird vor dem Druck simuliert und geprüft, erst danach fährt der Roboter. Über Testdrucke und gezielte Anpassung der Parameter machen wir Bauteile wiederholbar. Was in der Simulation zu sehen ist, führt der Roboter identisch aus.
Wir entwickeln die Software-Toolchain von der Bahnplanung bis zur Robotersteuerung. Dazu zählen Slicing- und Postprozessor-Algorithmen, inverse Kinematik und Verfahren für mehrachsiges, nicht-planares Drucken.
Ergebnisse
Aus diesen Kompetenzen sind bislang ein methodisches Framework und drei Anlagen entstanden
1. Ein Framework für robotergestützte AM
Bevor eine solche Anlage entsteht, muss klar sein, welche Komponenten und Schnittstellen sie überhaupt braucht, unabhängig vom konkreten Roboter oder Extruder. Im Rahmen diverser Projekten ist dazu am GoetheLab ein hardwareunabhängiges Framework entstanden. Es folgt dem V-Modell nach VDI/VDE 2206 und beschreibt das System mit Methoden des Model-Based Systems Engineering (MBSE) in der Modellierungssprache SysML. Das System wird dabei zuerst als Modell entworfen und erst danach in Hardware und Software umgesetzt.
Kontext-Diagramm – robotergestützte AM
Was zeigt das Diagramm?
Das Kontextdiagramm zeigt die Systemgrenze der Anlage zu ihrer Umgebung.
Was macht es?
Es gliedert Inputs (CAD, Material, Prozessparameter) und verarbeitet sie intern zu physischen Bauteilen und Telemetriedaten.
Warum ist das wichtig?
Es legt fest, welche Aufgaben das System selbst übernimmt und welche Schnittstellen nach außen führen.
Block Definition Diagramm – robotergestützte AM
Was zeigt das Diagramm?
Das Block Definition Diagram (BDD) beschreibt den statischen Aufbau und die Modulhierarchie des Frameworks.
Was macht es?
Der Software-Stack übergibt Druckaufträge an das Control System. Dieses steuert die drei physischen Komponenten an, also Bauplattform, Extruder und Roboterarm. Die Halterung dient als mechanische Schnittstelle zwischen Roboterarm und Extrusionssystem .
Warum ist es so aufgebaut?
Die Trennung von Planung und Ausführung erlaubt es, Extruder oder Roboter auszutauschen, ohne das Gesamtsystem neu zu entwerfen.
Blaupause – robotergestützte AM
Was zeigt das Diagramm?
Die Blaupause ordnet die drei Ebenen des Frameworks den vier beteiligten Disziplinen zu. Die Ebenen sind Offline-Planung, Synchronisation und physische Ausführung, die Disziplinen sind Software, Steuerung, Mechanik und Elektronik.
Was macht es?
Offline-Planung und Synchronisation liegen auf der Seite von Software und Steuerung. Die physische Ausführung verbindet Mechanik und Elektronik im realen Arbeitsraum.
Warum ist das der Kern?
Die Zuordnung macht sichtbar, welche Disziplin welche Ebene verantwortet. Weil das Framework hardwareunabhängig ist, lassen sich damit unterschiedliche Anlagen einordnen, von der Yaskawa-Anlage bis zum Franka-Versuchsstand.
2. Yaskawa Motoman HC-10 + Granulatextrusion
Unser produktives System besteht aus einem Yaskawa-Roboterarm (Cobot) mit Granulat-Extruder als Endeffektor. Die Anlage druckt bereits reale Bauteile. Aktuell arbeiten wir an der Bahnplanung und der Prozessstabilität, um die Druckergebnisse weiter zu verbessern.
Roboter
Yaskawa Motoman HC-10 (Cobot)
Endeffektor
Granulat-Extruder (WASP)
Material
Kunststoff- & Spritzgussgranulat
Bauplattform
500 mm x 600 mm
Status
Im produktiven Einsatz, laufende Optimierung
3. Franka Emika Panda + Filamentextrusion
Parallel untersuchen wir, wie sich Cobot mit klassischer Filamentextrusion koppeln lässt. Anders als bei der Yaskawa-Anlage entstehen hier noch keine Bauteile. Der Fokus liegt aktuell auf der Steuerungsarchitektur und der Synchronisation zwischen Roboter und Extruder. Das Vorgehen ist dasselbe wie bei der Yaskawa-Anlage, also aufbauen, testen und schrittweise verbessern. Die Erkenntnisse zu Steuerung und Systemarchitektur bleiben unabhängig vom konkreten Roboter nutzbar und fließen in spätere Aufbauten ein.
Roboter
Franka Emika Panda (7-Achsen Cobot)
Hotend
Rapido High-Flow Hotend (bis 300 °C)
Extruder
Orbiter (Direct Drive Dual Drive, 1.75 mm)
Reichweite
855 mm
Bauplattform
400mm x 400 mm
Status
Steuerungsarchitektur entwickelt, Hardwareintegration läuft
4. 5-Achs Drucker
Neben den beiden Roboteranlagen betreiben wir einen 5-Achs-Drucker. Anders als ein Roboterarm bewegt er das Bauteil über zusätzliche Dreh- und Schwenkachsen, während der Druckkopf extrudiert. So lassen sich Schichten in wechselnder Orientierung ablegen, also nicht-planar drucken. Für uns ist die Anlage vor allem ein zweiter Prüfstand für unsere Bahnplanung, weil dieselben Algorithmen für mehrachsiges Drucken hier auf einer anderen Kinematik funktionieren müssen. Also wird benutzt zur Evaluation von unseren entwickelten Bahnplanungsalgorithmen zum mehrachisges Drucken