Von 8 auf 2 Arbeitstage

Additive Manufacturing setzt neue Maßstäbe im Formenbau für CFK-Bauteile

Das Zusammenspiel von NX, SINUMERIK Run MyRobot/Direct Control bahngesteuerten Roboter, CEAD AM-Technologien und klassischer Zerspanung vereinfacht und beschleunigt die Produktion großfaserverstärkter thermoplastischer Objekte. Die bis zu 4m x 2m x 2m großen Druckstücke aus der CEAD Komplettlösung „AM flexbot“ dienen beispielsweise als Formen für CFK-Karosserieteile in Rennwagen.

Noch immer sehen viele Additive Manufacturing in den Kinderschuhen oder als Nischentechnologie. Meine Überzeugung: Diese Phase ist Vergangenheit, viele AM-Anwendungen sind längst industrietauglich. Und dies auch dank Siemens Produkten, Technologien und Prozess Know-how. Ich bin als AM-Experte voreingenommen? Gut, dann will ich das an einer Produktionslösung festmachen, die sich alle Interessierten live oder virtuell in unserem AMEC anschauen können.

Das CEAD AM Flexbotsystem kann live (oder virtuell) im Siemens AMEC erleben

Die Lösung wurde ursprünglich für eine Anwendung aus dem Rennsport entwickelt. Konkret geht es um die markanten, aus ebenso leichten wie stabilen CFK-Materialien gefertigten seitlichen Lufteinlasskästen der Rennboliden. Ihre Produktion erfordert Formen, die bis dato in klassischen Werkzeugmaschinen gefräst wurden – ein Prozess der wegen der Größe der Form einige Tage in Anspruch nahm. Im Rennsport aber ist Geschwindigkeit gefragt, auch bei Iterationen in der Entwicklung.

Und so machte man sich bei CEAD an die Entwicklung eine AM-Lösung – gemeinsam mit Siemens Steuerungs-, Antriebs- und AM-Experten. Die Überlegung: Faserverstärke Thermoplaste bleiben bis über 200°C formstabil und eignen sich damit als Material für die Formen der CFK-Bauteile – und sie sind „druckbar“.

Der Granulat-Extruder von CEAD erreicht eine Aufbaurate von 12kg/Stunde

Die gemeinsam mit CEAD entwickelte Lösung einer hybriden Bearbeitungszelle umfasst die komplette Prozesskette:

schneller CAD-Entwurf und CAM-Programmerstellung in NX – sowohl für die additiven wie für die zerspanenden Prozessschritte
Digitaler Zwilling für die Hybridzelle, um alle additiven und zerspanenden Prozesse vorab simulieren und optimieren zu können
AM-Technologien von CEAD (Extruder-Einheit etc.)
SINUMERIK mit Run MyRobot/Direct Control für die Bahnsteuerung des Roboterarms für beide Technologien: Druck und Zerspanung
CEAD Druckbett und zusätzliche Spannvorrichtung für das Schlichten der gedruckten Formen

Programmerstellung in NX

Ich setze die Möglichkeiten von NX als weitgehend bekannt voraus. Für die Form wird aus dem CAD-Modell des Rennwagens eine Negativform der Lufteinlasskästen erzeugt. In NX wird daraus dann das CAM-Programm erstellt – sowohl für die additiven Prozesse wie für die nachgelagerten Schlichtprozesse. So lassen sich auch die additiven Prozesse über CAM-Operationen abbilden. Ebenfalls in NX ist der digitale Zwilling mit der gesamten Roboterkinematik, den Antrieben, der SINUMERIK Steuerung etc. angelegt, so kann in NX auch die Kollisionsprüfung etc. vorgenommen werden. CEAD arbeitet hier so, wie es für die Digitalisierung in der Produktion ideal ist: An Kunden werden die Roboterzellen mit ihrem digitalem Zwilling ausgeliefert.

Die Bewegungen des CEAD Roboters werden mittels Siemens NX CAM Robotics programmiert und verifiziert

CEAD Extrudereinheit

Um das Thermoplastik der Form entsprechend aufbringen bzw. „drucken“ zu können, wurde eine CEAD Einschneckenextrudereinheit als Werkzeug auf einen COMAU Roboterarm befestigt. Sehr schnell – Materialaufbau von ca. 12kg/h – lassen sich so auch komplexere Formen aufbauen. Dank des Roboterarms sind größere Werkstücke kein Problem. Noch größere Bauteile lassen sich in einer Variante der CEAD-Lösung realisieren, bei welcher der Roboterarm selbst noch auf einer Linearachse bewegt wird.

SINUMERIK mit Run MyRobot/Direct Control

Der technologische Kern der Lösung ist dann eine SINUMERIK CNC, die über Run MyRobot/Direct Control eine exakte Bahnsteuerung von Roboterarm und Extrudereinheit ermöglicht. Über die CNC kann der Roboter von den CNC-Fachleuten der Kunden wie eine normale Werkzeugmaschine gesteuert werden. Expertise zu proprietären Robotercontrollern und deren Programmierung ist beim Anwender nicht erforderlich. Anwender genießen darüber hinaus sofort alle Vorteile der SINUMERIK bei der Prozessintegration, beim Zusammenspiel mit Software wie CAD/CAM-Programmen, Planungstools oder Werkzeugverwaltungen sowie bei der Anbindung von Sensorik oder Industrial Edge Applikationen für die Kopplung von Maschinen-, Prozess- und Sensordaten mit Werkzeugbahnen oder Bearbeitungszeiten.

Mit SINUMERIK Run MyRobot /Direct Control erreicht das Robotersystem höchste Präzision und Genauigkeit

Die Kombination von Roboterarm und CNC Steuerung erlaubt es, dass über die Extrudereinheit das thermoplastische Material helikalsteigend in Schichthöhen von mehreren Millimetern und somit weitgehend ohne Unterbrechung und störende Nahtstellen aufgetragen werden kann.

Ist die additive Bearbeitung abgeschlossen, wird das Werkstück vom Druckbett auf eine Spannvorrichtung bewegt. Über den pneumatischen Werkzeugwechsler wird die CEAD Extrudereinheit gegen eine Frässpindel getauscht. Danach beginnt der Schlichtprozess, um die für die CFK-Bauteile geforderte Oberflächengüte zu erreichen.

Hybride Zelle bringt deutliche Zeit- und Kostenvorteile

Längst ist aus diesem Projekt eine Lösung geworden, die von CEAD unter dem Namen AM flexbot vertrieben wird. Bei den ersten Projekten im Formenbau konnte die Hybridzelle die Bearbeitungszeiten der großen CFK-Formen auf 2 Tage und die Kosten auf weit unter € 10.000 gedrückt werden – ein deutlicher Zeit- und Effizienzgewinn gegenüber klassischen Prozessen.

Endergebnis nach zehn Stunden Drucken: die 1,5m hohe CFK-Form ist bereit zum Schlichten

Ich bin mir sicher, dass diese Vorteile weit über Rennsportanwendungen hinaus interessant sind. Die über die SINUMERIK CNC realisierte Bahngenauigkeit und die durchgängige, digitale Prozesskette – von der ersten CAD-Skizze über die Simulation am digitalen Zwilling bis zu den Möglichkeiten zur prozessbegleitenden Qualitätskontrolle – ist an dieser hybriden Zelle gemeinsam mit unserem Partner CEAD tatsächlich beispielhaft umgesetzt.

Wer interessiert ist, kann diese und andere AM-Anwendungen in Aktion erleben – entweder live oder virtuell in unserem AMEC (Additive Manufacturing Experience Center).