Kombination von 3D-Druck und Robotik zur Schaffung intelligenter Fabriken

3D-Druck in Kombination mit Industrierobotern könnte ein neuer, aber vielversprechender Ansatz für die Fertigung sein.

Zwei Haupttreiber treiben seine Entwicklung voran:die Notwendigkeit, große Objekte genauer und wiederholter additiv zu erstellen, sowie die Möglichkeit, mit 3D-Druck eine automatisiertere und integriertere Produktion zu erreichen. Im Zuge der Weiterentwicklung der Fertigungstechnologien könnte diese Kombination eine der Lösungen für den wachsenden Trend hin zu einer stärkeren Digitalisierung und einer intelligenten Fertigung sein.

Robotik und 3D-Druck kombinieren?

Die Kombination von Industrieroboter und 3D-Druck kann auf zwei Arten erreicht werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen Roboterarm mit einem Materialauftragskopf auszustatten.

Stratasys hat genau dies mit seinem Robotic Composite 3D Demonstrator erreicht, der 2016 auf der IMTS vorgestellt wurde. Der auf der FDM-Technologie von Stratasys basierende Extrusionskopf wurde mit der industriellen 8-Achsen-Motion-Control-Hardware kombiniert und ermöglichte die Produktion von größeren, leichteren und präziseren Teilen aus thermoplastischen Filamenten.

Eine weitere Möglichkeit, 3D-Druck und Robotik zusammenzubringen, besteht darin, eine integrierte Lösung zu schaffen, bei der Industrieroboter den 3D-Druck in verschiedenen Produktionsphasen unterstützen. Ein gutes Beispiel ist der US-amerikanische 3D-Druckdienst Voodoo Manufacturing, der einen Industrieroboter entwickelt hat, um den manuellen Prozess des Ersetzens der Bauplatte eines Druckers zu automatisieren und so die Produktivität in der Fabrikhalle zu steigern.

Die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen kann auch mit Hilfe von Robotik automatisiert werden. Methods 3D, ein US-amerikanisches 3D-Druckunternehmen, demonstrierte auf der IMTS 2016 das automatisierte Waschen, Härten und Endfinishen von additiv gefertigten Teilen, das durch Fanuc-Roboterarme ermöglicht wird.

Die Vorteile der Robotik

Industrieroboter sind automatisierte Maschinen mit hoher Wiederholgenauigkeit und Bewegungsfreiheit in mehreren Achsen. Der 3D-Druck ist dafür bekannt, schnell und kostengünstig Teile mit komplexen Geometrien herstellen zu können. In Kombination kann die robotergestützte additive Fertigung potenziell großformatige Objekte erstellen.

Mit einem mehrachsigen Roboterarm kann sich ein Roboter-3D-Drucker in verschiedene Richtungen bewegen und in verschiedenen Winkeln 3D-Drucken, was die Freiheit bei der Erstellung komplexer Formen noch weiter erweitert. Darüber hinaus verwendet diese Art von Technologie normalerweise keine Stützstrukturen. Obwohl dies bedeutet, dass Objekte, die mit Roboter-3D-Druck hergestellt wurden, selbsttragend sein müssen, kann diese Herausforderung durch eine Neuausrichtung der Bauplattform gelöst werden, die Überhänge ermöglicht.

Die Kombination von Robotik und 3D-Druck ist auch im Hinblick auf ein besseres Materialmanagement von Vorteil. 3D-Druck reduziert Materialverschwendung, da das Material nur dort abgelegt wird, wo es benötigt wird. Der robotergestützte 3D-Druck stellt daher einen nachhaltigen Ansatz für die Fertigung dar.

Der Markt der robotergestützten additiven Fertigung steckt zwar noch in den Kinderschuhen, bietet aber Lösungen mit unterschiedlichen Materialien und Technologien für eine Reihe von Branchen.

Die Metallgussindustrie kann beispielsweise von dem von Viridis3D entwickelten Robotic Additive Manufacturing (RAM)-System profitieren. Derzeit bietet Viridis3D vier RAM-Systeme an, die in Zusammenarbeit mit EnvisionTEC entwickelt wurden. Im Gegensatz zum FDM-basierten Robotic-3D-Drucker von Stratasys verwendet das RAM-System die Binder-Jetting-Technologie und arbeitet hauptsächlich mit Sand. Es verwendet einen ABB-Industrieroboterarm mit einem Inkjet-Kopf, der Schichten aus Sand und flüssigem Bindemittel auf eine Druckplattform aufträgt. Der Sand wird nach und nach miteinander verschmolzen, wodurch ein großes festes Objekt entsteht.

Einer der Benutzer des RAM-Systems, die Hazleton Casting Company, ist der Ansicht, dass der Roboter-Sand-3D-Druck die Metallgussindustrie grundlegend verändern wird, auch weil er eine skalierbare Plattform für die Herstellung von kundenspezifischen, geometrisch komplexe Sandkerne und Formen schneller und auf Abruf.

3D-Druck und Robotik:Anwendungsfälle

Die Bauindustrie könnte einer der größten Nutznießer des Roboter-3D-Drucks sein. Einige Baufirmen haben sich den industriellen Roboterarmen zugewandt, um 3D-Druck mit einer Reihe von Materialien zu ermöglichen.

Das französische Start-up XtreeE zum Beispiel hat einen ABB-Roboterarm mit einem Betonextruder ausgestattet, um komplexe Geometrien zu erstellen Bauwerke bis zu einer Höhe von 14 m. Dieser 3D-Drucker ermöglicht Designern und Architekturen dank der Bewegungsfreiheit des industriellen Roboterarms, mit verschiedenen Formen zu experimentieren. In Zusammenarbeit mit Tiefbau- und Architekturunternehmen hat XtreeE ein beeindruckendes Projektportfolio entwickelt. Die Projekte von XtreeE erforschen die Konzepte des nachhaltigen Designs und Bauens und umfassen 3D-gedruckte Fassadenplatten, Säulen, Bänke und sogar Pavillons.

Roboter-Additive Fertigung mit Metall ist ebenfalls möglich. MX3D Metal ist ein großartiges Beispiel für einen Hybrid-3D-Drucker, der von der niederländischen Firma MX3D entwickelt wurde. Der 3D-Drucker kombiniert einen Industrieroboter und eine Schweißmaschine, um große dreidimensionale Metallkonstruktionen zu erstellen. Unter Verwendung einer Reihe von Metallen in Drahtform schmilzt und verschmilzt die Maschine jeweils eine kleine Menge Material und erzeugt eine Freiformstruktur ohne Verwendung von Stützen. Schlagzeilen machte das Unternehmen im vergangenen Jahr mit der 3D-gedruckten 12 Meter langen Stahlbrücke, die bis Ende 2018 fertiggestellt und installiert werden soll.

Ein weiteres Unternehmen, das Roboter-3D-Druckanwendungen im Bauwesen vorantreibt, ist Ai Build mit Sitz in London. Seit der Gründung im Jahr 2015 entwickelt Ai Build künstliche Intelligenz und Computer Vision für den großflächigen 3D-Druck. Daraus entstand AiMaker – ein robotischer, KI-betriebener 3D-Druck-Werkzeugkopf, der an jedem Roboterarm befestigt werden kann und die additive Fertigung großformatiger Architekturteile aus Kunststoff ermöglicht. KI-Algorithmen in Kombination mit Sensoren und Kameras ermöglichen es AiMaker, den Druckprozess zu überwachen und auftretende Probleme zu erkennen.

Der Blick in die Zukunft

Intelligente Industrieroboter und additive Maschinen in Kombination mit künstlicher Intelligenz könnten ein viel breiteres Anwendungsspektrum haben, einschließlich intelligenter und automatisierter Reparatur. Die Swinburne University of Technology arbeitet in Partnerschaft mit dem Innovative Manufacturing Cooperative Research Center (IMCRC) und Tradiebot Industries an einem Projekt namens Repair Bot. Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines automatisierten Reparaturdienstes für Kunststoff-Autoteile. Mit 3D-Scanning und 3D-Druck entsteht ein Ersatzteil, während Industrieroboter den Montageprozess automatisieren.

Letztlich ist die Kombination aus additiver Fertigung und Robotik nicht nur deshalb von Vorteil, weil sie große skalieren Sie 3D-gedruckte Objekte. Im Großen und Ganzen helfen Industrieroboter dabei, die Technologie in konventionelle automatisierte Produktionssysteme zu integrieren. Die Automatisierung der additiven Fertigung und deren Integration in die Industrielandschaft wird schließlich viele Chancen für die Smart Manufacturing der Zukunft eröffnen.