Robotergestützte Faserablage & 3D-Druck treiben Industry-4.0-Fortschritte voran

Die von Industry 4.0 versprochenen Vorteile werden bei Ingersoll Machine Tools in Rockford, Illinois, Realität. „Digitaler Zwilling“-Maschinendesign-Simulation, höhere Roboterintelligenz und komplexe Bewegung sind die wesentlichen Werkzeuge hier. Sie machen großformatige Formenproduktion, Teilebearbeitung und Prozessautomatisierung für breitere Luftfahrt-, Marine- und andere Industriesektoren zugänglich.

„Die von Industry 4.0 versprochene Disruption hat bereits begonnen“, sagt Jason Melcher, Vice President of Sales bei Ingersoll. „Umso bemerkenswerter ist, dass dies in der Luftfahrt geschieht, wo Maschinendesign für verbesserte Formen- und Teileproduktion die Größten der Großen, die Schwierigsten der Schwierigen betrifft.“

„Hier wird Prozesseffizienz nicht nur stundenweise, sondern minutenweise und in Pfund pro Stunde bewertet“, erklärt Melcher. „Wir sehen größere Herstellbarkeit, unterstützt in die Zukunft durch die Top-CNC- und Motion-Technologieplattform der Luftfahrtindustrie.“

Prozessverbesserung war schon immer groß bei Ingersoll. Jahrelang haben die mechanischen, Software- und Prozeßingenieure des Unternehmens mit Siemens-Ingenieuren zusammengearbeitet, um nächste Generationen großformatiger Maschinendesigns zu entwickeln.

Was aber tun Ingersoll und Siemens tatsächlich Bahnbrechendes?

Nun verbünden sich diese beiden Technologieunternehmen mit Kunden-Engineering-Teams, um zu erfinden, zu validieren und Risiken zu mindern. Sie kollaborieren in größerem Maßstab, wo intelligente robotergestützte Faserablage und massiver Druck-/Frästeilefertigung keine Vision mehr, sondern Realität sind.

Robotergestützte Faserablage

Als langjähriger Akteur in automatisierter Faserablage (AFP) für die Luftfahrt wirkt Ingersolls Vorstoß in High-End-Robotik wie eine natürliche Entwicklung. Das Ziel des Unternehmens: robotergestützte Faserablage für zweit- und drittrangige Luftfahrt-Zulieferer bezahlbar zu machen. Doch dieser Aufstieg in den Luftfahrtmarkt wurde durch mehrere irdische Realitäten gebremst: historische Ungenauigkeit großformatiger Roboterpositionierung, fehlende Robotersteuerung auf Bedienerniveau und hohe Kosten für Design und Bau großformatiger, maßgeschneiderter AFP-Systeme.

Genaue Roboterpositionierung: Noch in jüngeren Jahren lag die Positioniergenauigkeit großformatiger Robotik bei maximal ca. 5 mm mit schlechter Wiederholbarkeit. Um diese Limitation zu adressierte, entwickelte Siemens sein leistungsstarkes Sinumerik 840D sl CNC weiter um Run MyRobot, seine hochentwickelte Roboterkompensationssoftware.

Damit konnte Ingersoll Robotik in seine neuen Robotic-FP-Faserablagemaschinendesigns integrieren und wiederholbare Roboterpositioniergenauigkeiten unter 1 mm erreichen. Genauigkeit bleibt für sowohl Standard- als auch inverse Roboterbewegung erhalten.

Robotersteuerung an der Maschine: Die Roboterbewegung einer Robotic-FP-Maschine lässt sich einfach an der Maschine über die Siemens Sinumerik CNC Operate-Oberfläche steuern. Die intuitive, grafische Oberfläche ist universell über die Sinumerik-CNC-Plattform. Luftfahrtkunden erreichen höhere Prozesseffizienz werksweit, da Bediener schnell vertraut und effizient werden mit einer Oberfläche, die von Maschine zu Maschine gleich bleibt – selbst beim Wechsel von 3-Achs- auf 5-Achs- oder 6-Achs-Roboter mit zahlreichen weiteren Achsen (Drehtisch, Dorn, Linearführung etc.). Die Bedienererfahrung ist dieselbe, ob klassische Faserablage, robotergestützte Faserablage, 3D-Druck, robotergestützter 3D-Druck oder beliebige CNC-Bearbeitung gesteuert wird.

Maschinendesign-Simulation: Die Werkzeugmaschinenindustrie erwartete lange die Fähigkeit, den digitalen Zwilling einer Maschine, Form oder eines Teils virtuell zu designen, testen und redesignen, bevor die eigentliche Produktion startet. In der Luftfahrt macht die schiere Größe physisches Prototyping besonders kostspielig.

Traditionelles Trial-and-Error-Prototyping würde massive Zeit- und Materialverluste erzeugen. Um diesen Zwängen zu entgehen, entwickelten Softwareingenieure bei Ingersoll Simulationssoftware, die Prozeßingenieuren ermöglicht, eine Maschine, Form oder ein Teil virtuell zu designen und entwickeln. Die Software umhüllt den Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK) Simulationssoftware. Der Controller verarbeitet und simuliert virtuell alle Bearbeitungszyklusdaten und Werkzeugpfade exakt so, wie sie an der realen Maschine ausgeführt würden, und die Sinumerik Operate-Oberfläche zeigt diese exakte digitale-Zwilling-Simulation grafisch an.

Großformatiger 3D-Druck und Fräsen

Die weltweit größten Thermoplast-3D-Drucker ziehen die sofortige Aufmerksamkeit von Luftfahrt-Ingenieuren auf sich, wenn sie das riesige Development Center bei Ingersoll Machine Tools betreten.

Nach der Gewöhnung an die schiere Größe der MasterPrint-Maschine hält die Aussicht auf schnelleres Prototyping, kürzere Lieferzeiten und 90-prozentige Reduktion der Fertigungskosten die Aufmerksamkeit. Ingersolls Innovation setzt sich fort mit der Entwicklung der MasterPrint 5X – einer Turnkey-Druck-und-Fräse-Maschine mit noch größeren Produktivitätsdurchbrüchen, wieder ermöglicht durch die Siemens Sinumerik 840D sl CNC-Plattform.

Michael Falk, Mechatronikingenieur und Leiter des Siemens-Vertriebsteams, das Ingersoll beim Rollout der MasterPrint-Serie unterstützt hat, hat oft die Reaktionen der Luftfahrt-Ingenieure erlebt, die das Ingersoll Development Center besuchen, und kann bezeugen, warum der „5X“-Faktor ein großer Anziehungspunkt ist. „Neunzig Prozent der Zeit wird alles, was 3D-gedruckt wird, nachgefräst“, sagt Falk. „Die neue MasterPrint macht genau das als Turnkey-Operation zur Herstellung der weltweit größten Teile mit automatisierter Wechselkopf-Technologie, entwickelt von Ingersoll und unterstützt von Siemens.“

Falk sagt, was Luftfahrt- und Marineingenieure nun bei Ingersoll erleben, ist ihre Fähigkeit, Prozessverbesserungsziele 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 schwimmt und Menschen tragen kann“, sagt er. „Was bemerkenswert ist: Ingersoll-Ingenieure haben den Größenrekord seither mehrfach übertroffen.“

Fräsen-Druck-Effizienz: Der MasterPrint-Ansatz für großformatigen 3D-Druck kombiniert die verstärkte Geschwindigkeit, Gewandtheit und Genauigkeit der 5-Achs-Bewegung. Dasselbe Portal kann nun die Funktionen Drucken, Fräsen, Faserablage, Bandlegen, Inspektion, Trimmen und mehr miteinander verknüpfen.

3D-Druck aus jedem Winkel: Ingersoll bringt die neue MasterPrint 5X heraus, so Falk. Die Maschine kann aus jedem Winkel drucken zu ihrem vollen Vorteil. So kann man nun rasch eine massive Form oder ein Teil mit der effizientesten Sequenzierung herstellen. Die 5-Achs-Druckdüse ändert die Orientierung entsprechend, um weit kompliziertere Teile zu drucken.

Hochgeschwindigkeits-Synchronisation: „Die Synchronisationsaktionen während des 3D-Drucks sind, wo viel von der Magie passiert“, sagt Falk. „Sie erhalten toll aussehende Teile mit konstanter Perlengeometrie. Der Druck verlangsamt nur soweit nötig in Ecken, dann nimmt er optimale Geschwindigkeit wieder auf. Ecken werden nicht überfüllt. Keine Infill-Probleme, kein Halsen der Perle, keine Hohlräume im Werkzeug und kein Materialaufbau im Teilinneren.“

Robotergestützter 3D-Druck: Ingersoll nutzt Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, die Roboterkompensationssoftware, die nun ein Schlüsselfeature des Siemens Sinumerik 840D sl CNC ist. Ingersoll bietet eine breite Palette robotergestützter Systeme, wo der CNC an der Maschine mehrere Module steuern kann, die vom selben Roboter betrieben werden.

Werkzeugkästen für die Zukunft

Jason Melcher und Michael Falk haben eine unermüdliche Begeisterung unter Ingersoll-Maschinentools-Ingenieuren erlebt, die explorative Fragen in einer unterstützenden Kultur stellen. Sie beschreiben eine Laborumgebung, wo ein frisch diplomierter Prozeßingenieur schnell Dinge lernt, die selbst die fortschrittlichsten Mechatronik-Kurse nicht abdecken.

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

„Siemens bringt einen offenen Werkzeugkasten in den Maschinendesign-Prozess“, sagt Falk.

„Sie haben die 5-Achs-Sinumerik-840D-Steuerung, einen kompletten Satz Motoren, Antriebe und Komponenten. Sie haben Simulationssoftware und eine offene Einladung für Drittanbieter-Innovation. Alles kommt zusammen, mit dem Sinumerik CNC und seinem virtuellen Gegenstück, dem VNCK-Kernel, als Gehirn eines weit entwickelten Bearbeitungsprozesses.“

Nate Haug ist Prozeßingenieur bei Ingersoll. Er ist einer der vielen inspirierten Ingenieure, die die Vorteile eines offeneren Satzes an CNC- und Motion-Control-Werkzeugen bezeugen. „Siemens beginnt mit einer Programmiersprache, die uns erlaubt, viel mehr zu tun, als wir mit einer rein ‚G-Code-basierten‘ Steuerung könnten“, sagt Haug. „Es gibt eigentlich zwei Werkzeugsätze. Einer ist die Siemens-Sprache, die einen offenen Bereich an Funktionen und Variablen erlaubt. Der andere Werkzeugsatz lässt uns bedingte Funktionen in das Gehirn des NC injizieren. Ohne beide Werkzeugsätze könnten wir nicht tun, was wir tun. Wir nutzen den 840D auf einer Faserablagemaschine, auf einer robotergestützten Faserablagemaschine, auf einem 3D-Drucker, auf einem robotergestützten 3D-Drucker, auf Werkzeugmaschinen mit zwei Köpfen, mit vertikaler Ausrichtung, mit fünf Köpfen, im Grunde jeder Konfiguration.“

Haug sagt, neben Verbesserungen an bestehenden Maschinen bei Ingersoll nutzen er und Kollegen ihre Siemens Sinumerik CNC-Werkzeugsätze, um Pfade zu neuer Maschinenentwicklung zu erforschen. Einer davon: Materialforschung.

„Jedes Material hat seine eigenen Fließeigenschaften“, erklärt Haug. „Die Siemens-Steuerung ermöglicht uns, Features im Code zu modifizieren, um für das Material anzupassen. Die CNC-Plattform ermöglicht uns, ein breiteres Materialspektrum zu erforschen.“

Materialeigenschaftsfragen erforschen Variablen wie Festigkeit, Schwindung, Verzug und den Einsatz isotroper versus anisotroper Materialien. Materialsolutionen entstehen in den Bereichen Rapid Prototyping für zivile, Verteidigungs- und Infrastruktur-Anwendungen. Das Konzept eines einzigartigen Druckers entsteht, der ambitionierte Initiativen wie biobasierte Rohstoffe mit aus Holzressourcen gewonnener Zellulose unterstützen kann.

Maschinenselbstüberwachung: 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 als Sekundärprozess Funktion der Maschine sind. Ein Faserablage-Bearbeitungsprozess wird Lagen überwachen, auf Defekte prüfen und die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Teils sicherstellen. Ebenso wird ein hybrider 3D-Druckprozess eines Tages Drucken und Fräsen nahtlos mit integrierter Prozess-Selbstüberwachung back-to-back ausführen.

Die Entwicklung dieser automatisierten Selbstinspektionsprozesse wird bereits von der Siemens CNC- und Motion-Control-Plattform unterstützt, die genaue Positionierung und Positionsrückmeldung regelt. Eine Maschine kann Abweichungen erkennen, verfolgen und melden.

Wie Ingersoll und Siemens demonstriert haben, werden die versprochenen Vorteile von Industry 4.0 heute umgesetzt. Nachdem die Grenzen für großformatige robotergestützte Faserablage und 3D-Druck entfernt wurden, steigen die Erwartungen hin zu Durchbruchsverbesserungen über den gesamten Teilefertigungsprozess.

„Es ist Denken im größeren Bild“, sagt Jason Melcher von Ingersoll. „Wenn wir einen Kunden besuchen, geht es um Prozessverbesserung. Nicht um eine Linie von Maschinen mit festen Features und Funktionen. Wir führen Gespräche über maßgeschneiderte Prozessverbesserungen.“

Für Ingenieure in Luftfahrt, Marine und anderen fortschrittlichen Sektoren bedeutet Innovation im großen Maßstab: Sie haben nun einen unbegrenzten Werkzeugkasten, aus dem sie wie nie zuvor schöpfen können.