Roboterarme für den 3D-Druck:Führende Hersteller, Vorteile und Nachteile

Ein 3D-Drucker-Roboterarm ist ein industrieller, gelenkiger mechanischer Arm mit einem daran befestigten 3D-Druckkopf. Dies bietet Skalierbarkeit und Vielseitigkeit, um 3D-Druck im industriellen Maßstab zu ermöglichen. Es kann auf verschiedene 3D-Drucktechnologien angewendet werden, beispielsweise auf die additive Fertigung mit Drahtlichtbogen für den Druck mit Metall oder die Pelletextrusion für den Druck mit Pellets. 3D-Druckroboter werden rasant entwickelt und bieten aufgrund ihrer Größe viele potenzielle Anwendungen in der Bauindustrie. Es bestehen zahlreiche Kooperationen mit Roboterarmlieferanten und externen 3D-Druckspezialisten, um verschiedene Ansätze für die additive Fertigung im großen Maßstab zu entwickeln und zu kommerzialisieren. In diesem Artikel werden der 3D-Drucker-Roboterarm, seine Hersteller sowie seine Vor- und Nachteile besprochen. 

Was ist ein Roboterarm für den 3D-Druck?

Ein Roboterarm für den 3D-Druck ist eine Form der Herstellung von Roboterarmen. Ein industrieller Gelenkroboterarm wird verwendet, um einen Druckkopf zu bewegen, um ein Bauteil additiv herzustellen. Es kann auch als robotische additive Fertigung (Robot Additive Manufacturing, RAM) bezeichnet werden. Dabei können etablierte Methoden des 3D-Drucks wie Fused Deposition Modeling (FDM) oder Directed Energy Deposition (DED) genutzt werden, das zugeführte Material wird jedoch von einem Roboterarm und nicht von einem Portal bewegt und positioniert. Abbildung 1 unten zeigt einen standardmäßigen Gelenkroboterarm, der in industriellen Anwendungen verwendet wird:

Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden „Alles rund um den 3D-Druck“.

Was sind die Vorteile eines Roboterarms für 3D-Druckprojekte?

Der 3D-Druck mit Roboterarmen bietet eine Reihe wertvoller Vorteile, darunter:

1. Durch die Verwendung eines Roboterarms für den 3D-Druck können im Vergleich zu typischen eigenständigen 3D-Druckern sofort größere Modelle (>1 m in jeder Dimension) gedruckt werden. Wenn der Roboter sich bewegen kann, können Modelle mit einer Größe von bis zu 30 m in einer Dimension gedruckt werden.
2. Die Fünf- oder Sechs-Achsen-Bewegung bietet Bewegungsfreiheit für den 3D-Druckkopf. Es bietet die Möglichkeit, komplexe Pfade zu verfolgen, um Komponenten zu erstellen.
3. Roboterarme ermöglichen aufgrund der Bewegungsfreiheit des Druckkopfes den Bau der meisten Modelle ohne Stützen. Um die Unterstützung bei einigen Modellen jedoch vollständig zu vermeiden, muss möglicherweise auch die Build-Plattform verschoben werden, damit das Modell neu ausgerichtet werden kann.
4. Ein Roboterarm kann mit einer Vielzahl von 3D-Druckvorrichtungen ausgestattet werden, einschließlich solchen, die die Verwendung mehrerer Zufuhrmaterialien ermöglichen, wie z. B. WAAM oder CBAM.

Was sind die Nachteile von Roboterarmen für 3D-Druckprojekte?

Der 3D-Druck mit Roboterarmen weist eine Reihe von Komplikationen und Einschränkungen auf, darunter:

1. Der Einsatz eines Roboterarms verursacht zusätzlich zu einem bereits teuren additiven Fertigungssystem erhebliche zusätzliche Kosten. Es ist zu erwarten, dass die kombinierte Einrichtung mehr als 100.000 US-Dollar kosten wird.
2. Komplexität.
3. Die meisten 3D-Druck-Setups mit einem Roboterarm werden mit dem Arm von einem Speziallieferanten, dem Druckkopf von einem anderen Lieferanten und möglicherweise Software von einem Dritten zusammengestellt. Es ist weder üblich noch einfach, eine Komplettlösung von einem einzigen Anbieter zu erwerben. Dies führt jedoch zu einigen Schwierigkeiten bei der Integration der verschiedenen Plattformen.

Was sind die verschiedenen Lösungen für Hersteller von 3D-Druckrobotern?

Im Allgemeinen gibt es Roboterarmhersteller, die die Roboter liefern und mit 3D-Druckunternehmen zusammenarbeiten. Dann gibt es noch die 3D-Drucktechnologiepartner, die mit Hilfe der Roboterarmlieferanten ihren spezifischen Ansatz für die additive Fertigung entwickeln. Nachfolgend sind einige der verschiedenen Hersteller von Roboterarm-3D-Druckern aufgeführt:

1. ABB

ABB ist ein großes, multinationales Unternehmen. Das Unternehmen, das sich mit der Entwicklung und Lieferung von Roboterarmen befasst, ist ABB Robotics. ABB liefert nicht nur Roboter, sondern auch die beliebte Software RobotStudio® und arbeitet mit Spezialorganisationen wie Massive Dimension zusammen, um die 3D-Drucktechnologie weiterzuentwickeln.

2. KUKA

KUKA ist ein deutsches Automatisierungs- und Robotikunternehmen, das häufig für Roboterarm-3D-Drucker eingesetzt wird. Es ist auch auf kollaborative Roboter spezialisiert, die mit Menschen zusammenarbeiten. KUKA hat mit anderen 3D-Druckteams wie Orbital Composites zusammengearbeitet und ihre Roboter werden für mehrere verschiedene 3D-Druckanwendungen eingesetzt.

3. Comau

Comau ist ein italienischer Automatisierungs- und Robotikanbieter. Das Unternehmen konzentriert sich insbesondere auf die Integration von IoT und KI in den Betrieb seiner Roboterarme. Dritte 3D-Druckunternehmen wie CEAD und Continuous Composites nutzen Comau-Roboterarme für die Fertigung.

4. Der Roboterarm von Hyperion Robotics

Hyperion hat seinen Ursprung in Helsinki, Finnland, und konzentriert sich auf die Bauindustrie. Das Unternehmen hat eine eigene Baumischung für die Extrusion in 3D-gedruckte Strukturen entwickelt, die den Zementgehalt begrenzt und den Anteil an recyceltem Abfallmaterial maximiert.

5. CEAD

CEAD hat seinen Sitz in Delft, Niederlande. Das Besondere daran ist, dass der Schwerpunkt auf der Kombination von 3D-Druck- und CNC-Fräsfunktionen in einer einzigen Einheit liegt. Insbesondere der AM Flexbot von CEAD findet als einzelne Fertigungsstation viele Anwendungen.

6. DXR-Serie von Weber Additive

Das deutsche Unternehmen Weber Additive ist bekannt für seine Roboterarm-3D-Drucker der DXR-Serie. Sie nutzen einen Extruder für die additive Fertigung mit Polymeren.

7. Orbitale Verbundwerkstoffe

Orbital Composites war ein Pionier in der Roboterarm-3D-Druckindustrie. Sein Orbital S war der erste Roboter-3D-Drucker im industriellen Maßstab und hat eine beeindruckende Geschwindigkeit von 2 m/s.

8. Massive Dimension

Massive Dimension konzentriert sich auf großformatigen 3D-Druck und bietet schlüsselfertige Roboter-Druckzellen. Der Schwerpunkt seiner Technologie liegt auf der Extrusion von Polymerpellets.

9. Dyze Design Pulsar

Pulsar™ von Dyze Design ist ein groß angelegtes additives Fertigungssystem für die Pelletextrusion mit dem Ziel, eine Reihe von Betriebsbedingungen zu bewältigen. Mit einem Hitzeschild, einem Wasserkühlkreislauf und mehreren Düsengrößen ist der Pulsar in der Lage, mit einer Reihe verschiedener Polymere zu drucken.

10. MX3D

MX3D aus den Niederlanden ist weithin bekannt für den 3D-Druck einer Fußgängerbrücke aus Stahl, die derzeit in Amsterdam installiert ist. MX3D konzentriert sich auf das Drucken mit Metallen mithilfe der WAAM-Technologie und hat zu diesem Zweck sogar eine eigene Software entwickelt.

11. Kontinuierliche Verbundwerkstoffe

Continuous Composites hat mit seiner patentierten Kohlefaser-Drucktechnologie CF3D Erfolge erzielt. Das Unternehmen wurde von der NASA mit der Herstellung von Komponenten für den Einsatz im Weltraum beauftragt.

12. Branchentechnologie

Branch Technology konzentriert sich auf 3D-Druckstrukturen, beispielsweise einen vollständig 3D-gedruckten Pavillon in Nashville. Das Unternehmen arbeitet mit Architekten und Designern zusammen, um den Einsatz des 3D-Drucks für Gebäude voranzutreiben.

Wie funktioniert ein Roboterarm für den 3D-Druck?

Ein Roboterarm für den 3D-Druck funktioniert sehr ähnlich wie ein typischer Industrieroboterarm, außer dass am Ende des Arms ein Druckkopf angebracht ist. Der Roboterarm verfügt über mehrere Gelenke, von denen jedes eine gewisse Bewegungsfreiheit bietet und insgesamt eine Fünf- oder Sechs-Achsen-Steuerung ermöglicht. Der Roboter ist dann in der Lage, den Druckkopf in einer Reihe möglicher Positionen zu bewegen, zu neigen und zu positionieren. Dabei bewegt der Roboterarm den Druckkopf über ein Bauteil, um mehrere Schichten und Konturen zu drucken.

Welche Softwareoptionen gibt es für den Roboterarm-3D-Druck?

Software für den Roboterarmdruck konzentriert sich auf die Berechnung des optimalen Wegs, den der Roboterkopf zurücklegen muss, um das Modell präzise zu drucken. Nachfolgend sind drei beliebte Optionen für Software aufgeführt:

1. RobotStudio ®3D-Druck PowerPac von ABB: Die Software ist in der Lage, verschiedene additive Fertigungsverfahren zu verwalten, beispielsweise Schweißen oder Drucken mit Granulat. Der gesamte Druck kann in RobotStudio® simuliert und visualisiert werden, bevor er zum Bau an den eigentlichen Roboter gesendet wird.
2. AdaOne von ADAXIS: Die Bahnplanungssoftware ist in der Lage, mit einer Reihe verschiedener Robotermarken und deren interner Programmiersprache zu arbeiten. Es kann mit mehreren Druckmaterialien arbeiten.
3. MetalXL von MX3D: Diese Software ist spezifisch für WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), auf das sich MX3D konzentriert. Es umfasst Module zur Druckdurchführbarkeit und Pfadplanung, Simulation und Steuerung des Drucks sowie Post-Print-Analysen.

Häufig gestellte Fragen zu Roboterarmen für 3D-Drucker

Wie lange könnte ein 3D-Druck-Roboterarm halten?

Es wird erwartet, dass 3D-Druck-Roboterarme eine Lebensdauer von etwa acht Jahren haben. Dies basiert auf der aktuellen Lebensdauer industrieller Gelenkroboterarme, die in verschiedenen Branchen eingesetzt werden. Diese Roboter können bis zu 20 Jahre lang im nützlichen Betrieb sein. Allerdings ist ihre Anwendung im 3D-Druck noch recht jung und befindet sich in intensiver Entwicklung, sodass diese längere Lebensdauer unwahrscheinlicher ist. Auch wenn der Roboter nach acht Jahren möglicherweise noch gut funktioniert, werden die am Ende des Roboterarms montierten 3D-Druckmaschinen wahrscheinlich nicht so langlebig sein. Dies liegt sowohl an ihrer jüngsten Entwicklung als auch daran, dass sie aufgrund der schnellen technologischen Entwicklung möglicherweise an Bedeutung verlieren.

Kann ein Roboterarm Häuser drucken?

Nein, typische Gelenkroboterarme sind nicht in der Lage, Häuser zu drucken. Roboterarm-3D-Drucker haben ein begrenztes Druckvolumen, das durch die Abmessungen des Arms und den Abstand von der festen Basis bestimmt wird. Daher sind Roboterarm-3D-Drucker im Allgemeinen nur in der Lage, Komponenten zu drucken, die dann zu größeren Objekten wie Gebäuden zusammengesetzt werden können. Großformatige 3D-Drucker, die Häuser drucken können, sind spezielle Versionen eines 3D-Druckers im Portalstil, bei dem eine größere Struktur errichtet wird, um ein ausreichend großes Druckvolumen für ein Haus abdecken zu können.

Hat ein Roboterarm eine begrenzte druckbare Fläche?

Ja, ein Roboterarm hat einen begrenzten druckbaren Bereich. Die meisten Roboterarme verfügen über eine stationäre Basis und haben daher eine Reichweite um diese Basis herum, die durch die Länge des Arms begrenzt ist. Im 3D-Druck liegt diese Reichweite bei etwa 1,5 m. Einige Roboterarme wurden auf Schienen montiert – dadurch entsteht in dieser Richtung ein zusätzlicher bedruckbarer Bereich. Allerdings ist der druckbare Bereich naturgemäß immer noch durch die praktische Reichweite des Roboterarms begrenzt.

Sind Roboterarme für die Qualität auf 3D-Software angewiesen?

Ja, Roboterarme sind für die Qualität des endgültigen gedruckten Teils auf die 3D-Software angewiesen. Der 3D-Druck im großen Maßstab ist unglaublich komplex und die Bewegung des Roboterarms muss sorgfältig von der Software gesteuert werden. Abhängig vom Material, mit dem gedruckt wird, und seinen Schrumpfungseigenschaften bei Temperatur und Feuchtigkeit muss die Software, die den Druck steuert, in der Lage sein, diese Schrumpfung zu modellieren. Darüber hinaus muss die Software das sich entwickelnde Teil während des Baus genau modellieren, um sicherzustellen, dass der Roboterarm beim Wachsen nicht mit dem Bau kollidiert. Software, die die Eigenschaften des Zufuhrmaterials beim Erstarren nicht genau modellieren kann, liefert keine gute Endqualität – unabhängig von der Bewegungsgenauigkeit, zu der der Roboterarm in der Lage ist.

Was ist der Unterschied zwischen einem Roboterarm und einem Portalsystem für den 3D-Druck?

Es gibt eine Reihe von Unterschieden zwischen einem Roboterarm und einem Portalsystem für den 3D-Druck. Der erste Unterschied besteht darin, dass sich ein Roboterarm in sechs Achsen bewegen kann, während ein Portalsystem nur drei Bewegungsachsen ermöglicht. Dies bedeutet auch, dass Roboterarme besser für den Druck gebogener und kugelförmiger Gegenstände geeignet sind, während Portalsysteme besser für kubische Drucke geeignet sind. Allerdings sind Portalsysteme in der Lage, größere Einheiten zu drucken als Roboterarme. Auch die allgemeine Genauigkeit von Portalsystemen ist tendenziell besser als die von Roboterarmen. Roboterarme haben eine sehr gute Punktgenauigkeit (an einem bestimmten Endpunkt), ihre Genauigkeit entlang eines Bewegungspfads wird jedoch noch verbessert. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Roboterarm vs. Portalsystem für den 3D-Druck.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurde der 3D-Drucker-Roboterarm vorgestellt, erklärt, was er ist, und seine verschiedenen Anwendungen besprochen. Um mehr über Roboterarme für 3D-Drucker zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Urheber- und Markenhinweise

1. RobotStudio® ist eine eingetragene Marke von ABB AB, Västeras, Schweden
2. Pulsar™ ist eine Marke von Dyze Design Inc., LeMoyne, Quebec

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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