3D-Druck verbessert Automatisierung in der Metallfertigung

Manuelle Teileprüfung in regelmäßigen Intervallen ließ diese automatisierte Drehzelle die Produktion pausieren. 3D-Druck eines Teileauswurfschachts für Lieferung außerhalb der Zelle löste das Problem. (Alle Fotos courtesy Superior Metal Products, sofern nicht anders angegeben.)

Vor einem Jahr besuchte ich Omahas Superior Metal Products, um über eine komplexe Roboterzelle zu berichten, in der ein Doosan TW2600 Zweispindel-Drehzentrum Planbearbeitungen an einer Familie gegossener, duktiler Eisenpumpenkomponenten durchführte. Kurz: Die Zelle hatte ein Zuführband, das Werkstücke einem FANUC-Roboter zuführte, der sie in die Maschine lud, und fertige Teile entlud und auf einen Wagen legte.

Dies war die zweite Roboterbearbeitungszelle des Betriebs. Die erste, 2018 installiert, umfasst ein Okuma LB3000 EXII Drehzentrum, das unbeaufsichtigt läuft dank LoadAssistant Roboterbelade- und Werkstücklagereinheit von Halter. Diese autarke Einheit, links neben der Maschinentür installiert, hat einen FANUC-Roboter und einen beidseitigen, indexierbaren Tisch für Rohlinge und Fertigteile. Bediener können sicher eine Tischhälfte betreten, um Fertigteile zu entnehmen und neue Rohlinge zu laden, während der Roboter Material auf der anderen Hälfte bedient.

Teilweiser Zaun trennt den Maschinenbediener vom Roboter-zugänglichen Teil des Lagertisches. Der Bereich vor der Maschinentür bleibt offen für Bedienerzugriff bei Bedarf. Dies ist möglich, da der Laserscanner der Einheit erkennt, wenn sich der Bediener nähert. Er veranlasst den Roboter zum Verlangsamen bei Eintritt in eine äußere Sicherheitszone und zum Stoppen bei Eintritt in die innere Zone näher an Maschine und Roboter.

Über die Jahre ermöglichte dieses Setup Superior Metal Products beträchtliche unbeaufsichtigte Maschinenlaufzeit. Doch erforderliche Teileprüfung in definierten Intervallen bedeutete, der Bediener musste die Sicherheitszonen betreten, um Teile zu messen, was die Produktion temporär unterbrach. Ein cleverer, auf dem Desktop-3D-Drucker der Werkstatt gedruckter Kunststoff-Teilesammelschacht, am LoadAssistant-Zaun montiert, löste das Problem. Der Roboter kann nun zu prüfende Teile den Schacht hinunterfallen lassen, wo der Bediener sie auf einem Tablett erreicht, ohne die laserscannerten Sicherheitszonen zu betreten und ohne Produktion zu stoppen. Dies ist nur ein Beispiel, wie Superior Metal Products seinen 3D-Drucker nutzt, um Gegenstände zu erstellen, die nicht nur auf der Werkstatt nützlich sind, sondern vielleicht einfacher zu erstellen sind als durch traditionelle Bearbeitung.

Drucken als Alternative zur Bearbeitung

Superior Metal Products verfügt über umfangreiche Ausrüstung in seiner 2.800 m² (30.000 sq ft) Anlage. Dazu gehören VMCs, HMCs und Drehzentren sowie Verzahnungs-, Stoß-, Schleif-, Läpp-, Schweiß- und Wuchtgeräte. Der 3D-Kunststoffdrucker der Werkstatt, ein Lulzbot TAZ-6 Desktop-Modell, wurde Ende 2017 gekauft.

Der erste Schritt zum 3D-Druck ist das Erstellen eines CAD-Modells der Teile. Hier ein Modell der Komponenten des Teileauffangschachts.

Frank O'Connor, Präsident von Superior Metal Products, sagt, während er nicht genau wusste, wie der Drucker die Bedürfnisse des Betriebs unterstützen könnte, fühlte sich der Zeitpunkt richtig an für Kauf und Experimente. Seitdem hat der Betrieb diverse Gegenstände gedruckt, die sich als wertvoll für verschiedene Bearbeitungs- und Fertigungsprozesse erwiesen.

„Es ist erstaunlich, wie viele interne Anwendungen eine typische Werkstatt für 3D-gedruckte Gegenstände haben kann“, sagt O'Connor. „Zwar können einige Gegenstände bearbeitet werden, aber 3D-Druck ist manchmal der einfachere Weg.“

Er erklärt: Beim 3D-Druck erstellt er ein CAD-Modell; setzt wenige Druckparameter wie Temperatur, Füllgrad (interne Geometrie) und Wandstärke; drückt „Drucken“; und kehrt später zurück, um ein fertiges Teil auf der Druckplatte zu finden. Bei Bearbeitung müsste er eine Skizze oder dasselbe CAD-Modell erstellen; ein CNC-Programm schreiben (bis dahin könnte der 3D-Drucker schon drucken und er könnte was anderes tun); Rohlinge beschaffen und sägen; Schneidwerkzeuge und eventuell Spannvorrichtungen zusammenstellen; Maschine einrichten; und schließlich das bearbeitete Teil prüfen. Das verbraucht nicht nur seine Zeit, sondern auch Maschinenzeit, die sonst Produktionsparte laufen könnte.

„Ich kritisiere nicht Bearbeitung. Bearbeitung ist viel cooler als 3D-Druck“, scherzt O'Connor. „Außerdem hängt mein Lebensunterhalt von Nachfrage nach bearbeiteten Teilen ab. Aber für Einzelstücke oder Kleinserien, die sicher und zuverlässig aus druckbaren Materialien funktionieren, ist 3D-Druck eine nette Option.“

Der Teileschacht mit Sammeltablett für die automatisierte Okuma-Zelle ist ein gutes Beispiel. Der Schachteingang liegt im geschützten Bereich (innerhalb Zaun und Laserscannzonen), der Ausgang außerhalb. O'Connor sagt, Vorteile sind nicht nur Zugriff ohne Produktionspause und konsistente Einhaltung der Prüffrequenz, sondern auch, dass der Zellenbediener in der Nähe der Zelle eine Aufgabe erledigen und schnell im Tablett nach Teilpräsenz schauen kann, um zu wissen, ob Prüfzeit ist.

O'Connor sagt, der Roboter-Teilablagevorgang ist eine benutzerdefinierte Routine über die LoadAssistant-Steuerung. Der Bediener fügt die Routine zur Roboter-Aufgabenliste hinzu und setzt dann einen Registerwert im FANUC Teach Pendant für die Prüfablagefrequenz. Wenn der Registerzähler erreicht ist, wird das nächste Fertigteil in den Schacht gelegt statt auf den LoadAssistant-Tisch. „Das Nette an der benutzerdefinierten Routine ist, dass sie die Halter-Konversationsdaten nutzt, um Teillänge zu registrieren und den Ablagepunkt entsprechend anzupassen für glatten Schachteintritt“, sagt O'Connor.

Weitere Druckbeispiele

Während meines Besuchs 2019 bemerkte ich diverse andere hilfreiche Geräte, die Superior Metal Products entworfen und gedruckt hat für verschiedene Werkstattbedürfnisse. Hier Beispiele eines, das ich sah, sowie kürzlich hinzugefügter.

3D-gedruckte Tabletts wie das fotografierte halten Schnellwechselwerkzeuge, die an einem Zweirevolver-Drehzentrum in einer anderen automatisierten Bearbeitungszelle genutzt werden. Tabletts ruhen auf dem Gehäuserand der Maschinenverkleidung für einfachen Bedienerzugriff. O'Connor sagt, sie geben dem Zellenbetreuungsteam auch einen visuellen Indikator, welche Werkzeuge Einsätze indexieren oder ersetzen müssen, während die Zelle läuft. Wenn Tabletts auf dem Zellenarbeitstisch (außerhalb Sicherheitszaun) liegen, sind Werkzeuge mit Schneidkanten Richtung Maschine bereit zur Installation, während solche mit Kanten weg von der Maschine Einsätze vor nächstem Wechselzyklus auffrischen müssen.

Schraubstockbacken wie diese können 3D-gedruckt werden für halbkomplexe Formen. Diese wurden aus Polyethylenterephthalatglycol (PETG) mit massiver Füllung gedruckt. Sie halten 50 ft-lbs (68 Nm) Schraubstockanzugsmoment aus und wurden für Fräsen, Bohren, Bohren und Stoßen für dieses Teil genutzt. O'Connor merkt an, es gab keine Degradationszeichen nach dem 25-Stück-Lauf.

Dieses modulare Lagersystem mit Tabletts und gemeinsamem Arbeitsplatz-Racking-Konzept hält diverse Prüflehren. Lehrenstifte, Gewindelehren, teilespezifische Prüfeinrichtungen etc. werden von QM-Personal gekittet und als Teil von Job-Setup/Release für Produktion an die Werkstatt geschickt.