Mobile Hybridmaschine für On-Site-Bearbeitung mittels additiver und subtraktiver Fertigung (HYMOON)

WAAM – Wire Arc Additive Manufacturing

Alles an einem Ort - Additive und Subtraktive Fertigung in einer Maschine 

 von Dipl.-Ing. Stefan Krinke

„Neue Welten drucken“

An diesem Aufhänger des Agent3D[1] sind zukunftsweisende Forschungsvorhaben zur Additiven Fertigung zusammen-geführt, die durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des laufenden Programms Zwanzig20 gefördert werden.

Die Professur Additive Fertigung bearbeitet gemeinsam mit den Industriepartnern METROM und GEFERTEC das Projekt HYMOON (hybrid mobile machine for on-site processing).

Es hat eine Laufzeit von 24 Monaten und umfasst ein Finanzvolumen von insgesamt mehr als einer Million Euro.

METROM 5-Achs parallelkinematische WerkzeugmaschineMETROM 5-Achs parallelkinematische Werkzeugmaschine 


Das Technologievorhaben ist eines von vierzehn Vorhaben, welche sich neben fertigungsrelevanten Fragen auch mit Problemen der Fertigungsgrenzen, der Multimaterialbearbeitung, den Materialien selbst sowie der Integration elektronischer Bauteile, aber auch den softwareseitigen Themen wie Simulation und Kommunikation beschäftigen. Die Zielstellung ist, die additiven Fertigungsverfahren noch stärker auf dem Markt zu etablieren. Wichtige Kriterien, die es zu erreichen gilt, sind hohe Reproduzierbarkeit, Abbildegenauigkeit sowie die Wirtschaftlichkeit. Durch immer weiter sinkende Losgrößen im produzierenden Gewerbe, bedingt durch einen immer stärker werdenden individuellen Käufer-markt, sind die wichtigen Vorteile, welche sich bereits ganz klar manifestiert haben, kurze Produktionszeiten, geringe Werkzeugkosten und der Wegfall von Lagerhaltung sowie Transport.

GEFERTEC Arc605 - 5 Achs WAAM-Anlage GEFERTEC Arc605 - 5 Achs WAAM-Anlage Innen


FORSCHUNG der TU Bergakademie Freiberg

Die Technische Universität Bergakademie Freiberg erforscht und entwickelt die Kombination der subtraktiven Fertigungsverfahren mit den additiven Verfahren. Dazu wird an der Umsetzung gearbeitet, eine MSG-Schweißanlage (MSG: Metall-Schutzgas) des Partners GEFERTEC in ein CNC-Bearbeitungszentrum des Partners METROM zu integrieren und diese mittels HSK-Schnittstelle anzusteuern. Durch die parallelkinematische Werkzeugmaschine von METROM wird die Abbildung einer 5-Achs-Kinematik ohne das Vorhandensein eines beweglichen Werkzeugtisches realisiert. Die Achsen X, Y und Z sowie A und C, sprich die drei kartesischen Raumachsen sowie die Schwenk- und Kippbewegung, werden vollständig durch den Werkzeugträger realisiert. Dies ermöglicht die Bearbeitung schwerer, nicht spannbarer Großteile. Genau dieser Vorteil wird im schweißtechnischen Prozess zum Problem, da die Schweißeinheit aus der idealen senkrechten Schweißposition zu stets wechselnden Positionen losgelöst wird. Hierbei bedarf es einer stetigen positionsgerechten Nachregelung diverser, für den Schweißprozess in verschiedenen Positionen unterschiedlich anzupassender, wichtiger Parameter. Diese müssen in deren Grenzen gefunden und beschrieben werden.

Neben dieser Problemstellung sind die Integration der GEFERTEC-Einheit in die METROM-Anlage, die Medien-technische Anbindung sowie die softwareseitige Ansteuerung weitere zu lösende Problemfelder.

 

Vorgehen

Mit Hilfe eines adaptierbaren Versuchsstandes sollen zunächst erste Parametereinstellungen untersucht und ausgewertet werden, die dann auf die Anlage übertragen werden können. Als erster Parameter wird die Brennerneigung untersucht. Ziel ist es, die Schweißraupenveränderung bei unterschiedlichen Winkeln zu dokumentieren und auszuwerten, um anschließend Vorhersagen, die in eine angepasste Bahnplanung einfließen, treffen zu können.

Versuchsstand TUBAF Gesamtansicht Versuchsstand TUBAF Detail Schweißaufhängung

 [1] "Additiv-Generative Fertigung: AGENT-3D e. V."; https://agent3d.de/


Update (15.06.2020)

Nach nunmehr fast einem Jahr Projektlaufzeit befindet sich das Vorhaben vollständig im Zeitplan und die Maschinenaufstellung seitens METROM und TUBAF konnte am 03.06.2020 realisiert werden. Die METROM-Anlage beeidruckt nicht nur mit seinen stattlichen Ausmaßen mit einer Grundfläche von ca. 8 m² , der Maschinenaufbau an sich bietet eine vollkommen neue Bauweise von CNC-Bearbeitungszentren. Der traditionelle Portalaufbau ist durch das parallelkinematische Konzept ersetzt und erzeugt Neugier und Interesse nicht nur bei Maschinenbauern. 

METROM 5-Achs parallelkinematische WerkzeugmaschineMETROM 5-Achs parallelkinematische Werkzeugmaschine METROM 5-Achs parallelkinematische Werkzeugmaschine 

Das Abladen in der TMV-Halle der TU Bergakademie Freiberg bedeutete für alle Beteiligten das spontane Rückbauen des gegenüberliegenden Abteils, damit der Sattelzug unterhalb des Kranes so positioniert werden konnte, dass das vertikale Anheben der METROM-Anlage möglich wird. Nach ca. drei Stunden stand die Anlage an ihren vorgesehenen Arbeitsplatz. In weiteren Schritten folgen die versorgungstechnische Anbindung sowie die Integration des 3DMP-Aufsatzes der Firma GEFERTEC.

METROM 5-Achs parallelkinematische Werkzeugmaschine

 


Update (11.08.2021)

Nach erfolgreicher Aufstellung der METROM PM 1000 konnte kurze Zeit später die MSG-Einheit seitens GEFERTEC als Werkzeug eingebunden werden.

METROM 5-Achs parallelkinematische Werkzeugmaschine mit Schweißaufsatz von GEFERTEC



Resultate sind ein genauer Überblick über technische Grenzen, Parametereinstellungen und deren Zusammenwirken sowie Parametersätze für das Generieren von Schweißungen in den maschinenseitig möglichen Winkellagen. Nach unzähligen Versuchen am selbstgebauten Versuchsstand sowie am Forschungsdemonstrator konnte eine gute Schweißkennlinie ausfindig und verifiziert werden. Darauf aufbauend ist eine geplante, weit umfassende Vorversuchsreihe mit insgesamt 208 Schweißbildern durchgeführt und ausgewertet worden.

Diese Versuchsreihe ist ausschließlich in horizontaler Brennerbewegung ausgeführt worden.

Dabei wird eine Differenzierung wie folgt vorgenommen:

- Horizontale Brennerbewegung: Substrat und Brenner sind im gleichen Winkel angestellt; Der Brenner fährt
ausschließlich in der X-Y-Ebene (siehe Bild unten: H)

- Steigende Brennerbewegung: Substart und Brenner sind im gleichen Winkel angestellt; Der Brenner fährt
dem Winkel entsprechend geradlinig in Vertikalebene aufwärts (siehe Bild unten: S)

- Fallende Brennerbewegung: Substrat und Brenner sind im gleichen Winkel angestellt; Der Brenner fährt
dem Winkel entsprechend geradlinig in Vertikalebene abwärts (siehe Bild unten: F)

Brennerbewegung (Einfach Horizontal, Fallend, Steigend)



Alle gewonnen Erkenntnisse werden auf wissenschaftlichen Messen und Konferenzen vorgestellt und erklärt.Mit Hilfe dieser gefundenen idealen Parametereinstellung ist eine weitere große Versuchsreihe mit insgesamt 208 Schweißbildern durchgeführt worden. Es wurden Einzel- und Doppelbahnschweißungen in den Winkellagen 0°, 15°, 30° und 55° in acht verschiedenen Geschwindigkeitskombinationen aus Maschinenvorschubgeschwindigkeit und Drahtvorschubgeschwindigkeit in allen drei genannten Bewegungsformen (H, S, F) erzeugt. 

Das Projekt selbst ist wegen coronabedingter Verzögerungen, insbesondere durch die Reiseeinschränkungen der Projektpartner sowie durch die uniseitige Schließung der Labore am Jahresende 2020 sowie über den Jahreswechsel 2020/2021, bis Ende Dezember 2021 kostenneutral verlängert worden.

Bislang sind Erkenntnisse auf der im Juni 2021 stattgefundenen digitalen Konferenz in Kopenhagen "EUSPEN" sowie der im Juli hybriden Konferenz in Moskau "ADDITIVE MANUFACTURING FOR AEROSPACE 2021" veröffentlicht worden.

Eine weitere große Veröffentlichung wird bei der hybriden Konferenz "2. Fachtagung Additive Manufacturing" der SLV Halle am 05.10.2021 stattfinden.

Projektparter; (vlnr) Christof Gaßmann (GEFERTEC), Susanne Witt (METROM), Stefan Krinke (TUBAF), Prof. Henning Zeidler (TUBAF)