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Robotic Fiber Placement, 3D-Druck treibt Fortschritte voran

Die von Industrie 4.0 versprochenen Vorteile werden bei Ingersoll Machine Tools in Rockford, Illinois, verwirklicht. „Digitaler Zwilling“ Maschinenkonstruktionssimulation, höhere Roboterintelligenz und komplexe Bewegung sind hier die wesentlichen Werkzeuge. Diese Tools machen die Herstellung von Formen in großem Maßstab, die Teilebearbeitung und die Prozessautomatisierung für die breiteren Bereiche der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und anderer Industriezweige zugänglich.

„Die von Industrie 4.0 versprochene Disruption hat bereits begonnen“, sagte Jason Melcher, Vice President of Sales bei Ingersoll. „Umso bemerkenswerter ist, dass dies in der Luft- und Raumfahrt geschieht, wo das Maschinendesign für eine verbesserte Formen- und Teileproduktion das Größte der Großen und das Schwierigste der Schwierigen ist.“

„Hier wird die Prozessimpedanz nicht nur von Stunde zu Stunde, sondern von Minute zu Minute und Pfund pro Stunde bewertet“, erklärte Melcher. „Wir sehen eine größere Machbarkeit, unterstützt in die Zukunft durch die führende CNC- und Bewegungstechnologieplattform der Luft- und Raumfahrtindustrie.“

Prozessverbesserung war schon immer ein großes Thema bei Ingersoll. Seit vielen Jahren arbeiten die Maschinenbau-, Software- und Verfahrensingenieure des Unternehmens mit Siemens-Ingenieuren zusammen, um großformatige Maschinendesigns der nächsten Generation zu entwickeln.

Aber was genau haben Ingersoll und Siemens vor, die wirklich bahnbrechend sind?

Jetzt arbeiten diese beiden Technologieunternehmen mit Ingenieurteams der Kunden zusammen, um Risiken zu erfinden, zu validieren und zu mindern. Sie arbeiten in größerem Umfang zusammen, wo die intelligente robotergestützte Faserplatzierung und die Massenproduktion von Druck-/Frästeilen keine Vision mehr, sondern Realität sind.

Robotic Fiber Placement

Als langjähriger Akteur im Bereich der automatisierten Faserplatzierung (AFP) für die Luft- und Raumfahrt scheint Ingersolls Vorstoß in die High-End-Robotik eine natürliche Weiterentwicklung zu sein. Das Ziel des Unternehmens war es, die robotergestützte Faserplatzierung für Hersteller von Luft- und Raumfahrtteilen der zweiten und dritten Ebene erschwinglich zu machen. Dieser Aufstieg in den Luft- und Raumfahrtmarkt wurde jedoch durch mehrere erdgebundene Realitäten aufgehalten, darunter die historische Ungenauigkeit der Positionierung von Robotern im großen Maßstab, das Fehlen einer Robotersteuerung auf Maschinenbedienerebene und die hohen Kosten für die Entwicklung und den Bau größerer, kundenspezifischer Maschinen AFP-Systeme.

Genaue Roboterpositionierung: Selbst in den letzten Jahren war die Positioniergenauigkeit von Robotern im größeren Maßstab nicht besser als etwa 5 mm und mit schlechter Wiederholbarkeit. Um dieser Einschränkung entgegenzuwirken, hat Siemens seine leistungsstarke CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl so weiterentwickelt, dass sie Run MyRobot, seine hochentwickelte Roboterkompensationssoftware, enthält.

Dies hat es Ingersoll ermöglicht, Robotik in seine neuen Robotic FP-Faserplatzierungsmaschinendesigns zu integrieren und wiederholbare Roboterpositionierungsgenauigkeiten von weniger als 1 mm zu erreichen. Die Genauigkeit wird sowohl für Standard- als auch für umgekehrte Roboterbewegungen beibehalten.

Robotersteuerung an der Maschine: Die Roboterbewegung einer Robotic FP-Maschine wird einfach an der Maschine über die Siemens Sinumerik CNC Operate-Schnittstelle gesteuert. Die intuitive, grafische Benutzeroberfläche der Steuerung ist universell auf der Sinumerik-CNC-Steuerungsplattform. Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie können werksweit eine höhere Prozesseffizienz erzielen, da sich die Bediener schnell vertraut machen und effizient arbeiten, wenn sie eine Schnittstelle verwenden, die von Maschine zu Maschine gleich bleibt, selbst beim Wechsel von dreiachsigen zu fünfachsigen oder sechsachsigen Robotern mit zahlreichen weiteren Achsen (Drehtisch, Dorn, Linearschiene usw.). Die Erfahrung des Bedieners ist dieselbe, unabhängig davon, ob er die traditionelle Faserplatzierung, die robotergestützte Faserplatzierung, den 3D-Druck, den robotergestützten 3D-Druck oder einen beliebigen CNC-Bearbeitungsprozess steuert.

Simulation des Maschinendesigns: Die Werkzeugmaschinenindustrie erwartet seit langem die Möglichkeit, den digitalen Zwilling einer Maschine, eines Werkzeugs oder eines Teils virtuell zu entwerfen, zu testen und neu zu gestalten, bevor sie in die eigentliche Produktion übergehen. In der Luft- und Raumfahrt hat die schiere Größe einer Maschine oder eines Teils das physische Prototyping besonders kostspielig gemacht.

Herkömmliches Trial-and-Error-Prototyping würde zu massiven Zeit- und Materialverlusten führen. Um diesen Einschränkungen zu entgehen, haben Softwareingenieure bei Ingersoll eine Simulationssoftware entwickelt, die es Verfahrensingenieuren ermöglicht, eine Maschine, eine Form oder ein Teil virtuell zu entwerfen und zu entwickeln. Die Software umfasst die Simulationssoftware Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK). Die Steuerung verarbeitet und simuliert praktisch alle Bearbeitungszyklusdaten und Werkzeugwege genau so, wie sie auf der tatsächlichen Maschine ausgeführt würden, und die Sinumerik Operate-Oberfläche zeigt diese exakte digitale Zwillingssimulation grafisch an.

Großformatiger 3D-Druck und Fräsen

Die weltgrößten thermoplastischen 3D-Drucker ziehen sofort die Aufmerksamkeit der Luft- und Raumfahrtingenieure auf sich, wenn sie das riesige Entwicklungszentrum von Ingersoll Machine Tools betreten.

Nachdem sie sich an die schiere Größe der MasterPrint-Maschine gewöhnt haben, ist das, was die Aufmerksamkeit der Ingenieure auf sich zieht, die Aussicht auf schnelleres Prototyping, kürzere Vorlaufzeiten und 90-prozentige Reduzierung der Herstellungskosten. Die Innovation von Ingersoll setzt sich mit der Entwicklung des MasterPrint 5X fort – einer schlüsselfertigen Druck- und Fräsmaschine mit noch größeren Produktivitätsdurchbrüchen, die wiederum durch die CNC-Plattform Sinumerik 840D sl von Siemens ermöglicht wird.

Michael Falk ist Mechatroniker und Leiter des Siemens-Vertriebsteams, das Ingersoll bei der Einführung der MasterPrint-Serie unterstützt hat. Falk hat die Reaktionen der Luft- und Raumfahrtingenieure, die das Ingersoll Development Center besuchen, oft miterlebt, und er kann bestätigen, warum der „5X“-Faktor eine große Attraktion ist. „Neunzig Prozent der Zeit muss alles, was 3D-gedruckt wird, fertig gefräst werden“, sagte Falk. „Der neue MasterPrint leistet genau das als schlüsselfertiger Betrieb zur Herstellung der größten Teile der Welt mit automatischer Wechselkopftechnologie, entwickelt von Ingersoll und unterstützt von Siemens.“

Falk sagte, was Luft- und Raumfahrtingenieure jetzt bei Ingersoll erleben, ist ihre Fähigkeit, Ziele zur Prozessverbesserung zu erforschen, die einst unerreichbar waren. „Im Oktober 2019 erhielt die University of Maine drei Guinness-Weltrekorde für den 3D-Druck eines 25 Fuß langen Bootes, das tatsächlich schwimmen und Menschen befördern kann“, sagte er. „Bemerkenswert ist, dass die Ingenieure von Ingersoll seitdem den Größenrekord um ein Vielfaches übertroffen haben.“

Mill-Print-Effizienz: Der MasterPrint-Ansatz für den großformatigen 3D-Druck kombiniert die verstärkte Geschwindigkeit, Geschicklichkeit und Genauigkeit der fünfachsigen Bewegung. Dieselbe Gantry kann jetzt die Funktionen Drucken, Fräsen, Faserplatzierung, Bandlegen, Inspektion, Trimmen und mehr kombinieren.

3D-Druck aus jedem Blickwinkel: Ingersoll bringt den neuen MasterPrint 5X auf den Markt, sagte Falk. Die Maschine kann aus jedem Winkel optimal drucken. So können Sie jetzt mit der effizientesten Sequenzierung schnell eine massive Form oder ein massives Teil herstellen. Die fünfachsige Druckdüse ändert die Ausrichtung entsprechend, um viel kompliziertere Teile zu drucken.

Hochgeschwindigkeitssynchronisation: „Die Synchronisierungsaktionen während des 3D-Drucks sind der Ort, an dem ein Großteil der Magie passiert“, sagte Falk. „Sie erhalten großartig aussehende Teile mit konsistenter Sickengeometrie. Der Druck wird nur bei Bedarf um Ecken herum verlangsamt und nimmt dann wieder die optimale Geschwindigkeit auf. Ecken werden nicht überfüllt. Es gibt keine Füllprobleme, kein Einschnüren der Sicke, keine Hohlräume im Werkzeug und keine Materialablagerungen auf der Innenseite des Teils.“

Roboter-3D-Druck: Ingersoll hat die Vorteile von Sinumerik Run MyRobot/Direct Control voll ausgeschöpft, der Roboterkompensationssoftware, die jetzt ein Schlüsselmerkmal der Sinumerik 840D sl CNC von Siemens ist. Ingersoll bietet eine breite Palette von Robotersystemen an, bei denen die CNC auf der Maschine mehrere Module steuern kann, die von demselben Roboter betrieben werden.

Toolsets für die Zukunft

Jason Melcher und Michael Falk haben einen unermüdlichen Enthusiasmus unter den Ingenieuren von Ingersoll Machine Tools erlebt, die in einer unterstützenden Kultur explorative Fragen stellen. Sie beschreiben eine Laborumgebung, in der ein Prozessingenieur, der gerade sein Studium beendet hat, schnell Dinge lernt, die selbst die fortschrittlichsten Mechatronikkurse nicht abdecken.

Bei Ingersoll werden Ingenieure herausgefordert, einen besseren Bearbeitungsprozess zu erfinden, zu validieren, zu lernen und aufzubauen – und sie haben die Werkzeuge dafür erhalten.

„Siemens bringt eine offene Toolbox in den Maschinenkonstruktionsprozess“, sagte Falk.

„Sie haben die Fünf-Achsen-Steuerung Sinumerik 840D, einen vollständigen Satz von Motoren, Antrieben und Komponenten. Sie verfügen über Simulationssoftware und sind offen für Innovationen von Drittanbietern. Alles kommt zusammen, wobei die Sinumerik-CNC und ihr virtuelles Gegenstück, der VNCK-Kernel, zum Gehirn eines viel weiter entwickelten Bearbeitungsprozesses werden.“

Nate Haug ist Verfahrenstechniker bei Ingersoll. Er ist einer der vielen inspirierten Ingenieure im Unternehmen, die die Vorteile der Verwendung eines offeneren Satzes von CNC- und Bewegungssteuerungswerkzeugen bestätigen. „Siemens beginnt mit einer Programmiersprache, mit der wir viel mehr tun können, als wir mit einer „Nur-G-Code“-basierten Steuerung könnten“, sagte Haug. „Es gibt eigentlich zwei Toolsets. Zum einen die Siemens-Sprache, die einen offenen Funktions- und Variablenbereich zulässt. Mit dem anderen Toolset können wir bedingte Funktionen in das Gehirn des NC einfügen. Ohne diese beiden Toolsets wären wir nicht in der Lage, das zu tun, was wir tun. Wir verwenden den 840D auf einer Faserplatziermaschine, auf einer Roboter-Faserplatziermaschine, auf einem 3D-Drucker, auf einem Roboter-3D-Drucker, auf Werkzeugmaschinen mit zwei Köpfen, mit vertikalen, mit fünf Köpfen, mit im Grunde jeder Konfiguration.“

Haug sagte, dass er und andere Ingenieure nicht nur Verbesserungen an den bestehenden Maschinen bei Ingersoll vornehmen, sondern auch ihre Sinumerik-CNC-Toolsets von Siemens verwenden, um Wege zur Entwicklung neuer Maschinen zu untersuchen. Einer dieser Wege ist die Materialforschung.

„Jedes Material hat seine eigenen Fließeigenschaften“, erklärt Haug. „Die Siemens-Steuerung ermöglicht es uns, Funktionen im Code zu ändern, um sie an das Material anzupassen.

Die CNC-Plattform ermöglicht es uns, ein breiteres Spektrum an Materialien zu untersuchen.“

Fragen zu Materialeigenschaften untersuchen Variablen wie Festigkeit, Schrumpfung, Verzug und die Verwendung von isotropen gegenüber anisotropen Materialien. Materiallösungen entstehen im Bereich des Rapid Prototyping für zivile, Verteidigungs- und Infrastrukturanwendungen. Es entsteht auch das Konzept eines einzigartigen Druckers, der ehrgeizige Initiativen wie biobasierte Rohstoffe unter Verwendung von Zellulose aus Holzressourcen unterstützen kann.

Maschinen-Selbstüberwachung:Während manuell durchgeführte Sichtprüfungen heute noch üblich sind, werden sie zu analogen Antworten auf eine zunehmend digital automatisierte Produktionsherausforderung.

Ingersoll sieht den Tag kommen, an dem Inspektionen routinemäßig eine Funktion der Maschine als sekundärer Prozess sind. Ein Faserplatzierungs-Bearbeitungsprozess überwacht den Aufbau, prüft auf Fehler und stellt die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Teils sicher. In ähnlicher Weise wird ein hybrider 3D-Druckprozess eines Tages Back-to-Back mit nahtlos integrierter Prozessselbstüberwachung drucken und bearbeiten.

Die Entwicklung dieser automatisierten Selbstinspektionsprozesse wird bereits durch die CNC- und Bewegungssteuerungsplattform von Siemens unterstützt, die eine genaue Positionierung und Positionsrückmeldung regelt. Eine Maschine kann jede Abweichung erkennen, verfolgen und melden.

Wie Ingersoll und Siemens gezeigt haben, werden die versprochenen Vorteile von Industrie 4.0 heute umgesetzt. Nachdem die Grenzen zur großformatigen robotergestützten Faserplatzierung und zum 3D-Druck aufgehoben wurden, steigen jetzt die Erwartungen an bahnbrechende Verbesserungen im gesamten Teileproduktionsprozess.

„Es ist das Denken in größeren Zusammenhängen“, sagte Jason Melcher von Ingersoll. „Wenn wir einen Kunden besuchen, geht es darum, Prozessverbesserungen zu untersuchen. Es geht nicht um eine Linecard von Maschinen mit festen Merkmalen und Funktionen. Wir beginnen Gespräche über maßgeschneiderte Prozessverbesserungen.“

Für Ingenieure in der Luft- und Raumfahrt, der Schifffahrt und anderen fortschrittlichen Sektoren bedeutet Innovation in größerem Maßstab, dass sie jetzt über eine unbegrenzte Toolbox verfügen, die sie wie nie zuvor erkunden können.


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