Anwenderbericht
Der 3D-Drucker schweißt Schichten mit minimaler Wandstärke von 2 mm. Die Fertigung aus vollem Material ist ebenfalls möglich. - © KUKA
30.05.2024

KUKA Roboter revolutioniert 3D-Druck von komplexen Metallbauteilen

KUKA Roboter revolutioniert den 3D-Druck von komplexen Metallbauteilen

Herausforderungen der modernen Fertigung in der Metallindustrie gerecht werden: Das geht mit der modularen Automationszelle, die HS Automation für eine neue Art des 3D-Metalldrucks entwickelt hat. Das Laserschweißverfahren mit einem KUKA Roboter ermöglicht eine wirtschaftliche und materialschonende Fertigung von komplexen Metallteilen – ohne Verwendung jeglicher Stützstrukturen.

Bionische Konstruktionen, komplexe Strukturen und geringe Losgrößen – um diesen Herausforderungen der modernen Fertigung in der Metallindustrie zu begegnen, entwickelte HS Automation in Zusammenarbeit mit KUKA eine Roboterlösung für 3D-Metalldruck. Der 3D-Drucker schweißt Schichten mit minimaler Wandstärke von 2 mm. Die Fertigung aus vollem Material ist ebenfalls möglich. Das fertige Werkstück muss nicht oder nur minimal nachbearbeitet werden. Die Anlagenentwickler erreichen mit der Zusammenarbeit minimalen Materialabfall und geringe Herstellungskosten bei fast unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten.

Mit der Automationszelle, die HS Automation entwickelt hat, können Unternehmen den Herausforderungen der modernen Fertigung in der Metallindustrie gerecht werden. - © KUKA
Mit der Automationszelle, die HS Automation entwickelt hat, können Unternehmen den Herausforderungen der modernen Fertigung in der Metallindustrie gerecht werden. © KUKA
Additive Fertigung getrieben durch KR IONTEC

Der 3D-Metalldrucker von HS Automation kombiniert Roboter aus der KR IONTEC Familie mit einem Drehkipptisch, der sich synchron zum Roboterarm entsprechend der Werkstückvorgaben bewegt. Sechs Schweißlaser am Ende des Druckkopfes von Meltio schmelzen den zugeführten Draht präzise auf das Trägermaterial beziehungsweise das entstehende Werkstück. Schicht für Schicht wächst so das vorab designte 3D-Objekt. Der Drehkipptisch, der ebenfalls von KUKA entwickelt wurde, positioniert das Werkstück so, dass der Druckkopf immer an der richtigen Stelle neues Material aufschweißen kann. Stützstrukturen, wie sie beim herkömmlichen 3D-Druck üblich sind, werden so obsolet.

Präzision ohne aufwendige Nachbearbeitung oder hohe Materialkosten

Der Einsatz des absolut vermessenen Roboters garantiert die Genauigkeit, die die Metalldruckanwendung von der bestehenden Konkurrenz unterscheidet. „Mit der Roboterlösung erweitern wir die Möglichkeiten der Fertigung enorm“, so Rolf Steidinger, Geschäftsführer sowie kaufmännischer Leiter von HS Automation, zum Potenzial des 3D-Metalldruckers: „Sobald ein Teil nicht konventionell gefertigt werden kann, ist der Einsatz dieses Geräts unumgänglich.“ Das Verfahren löst zum Beispiel Ersatzteilprobleme, da nicht mehr verfüg-bare Bauteile selbst produziert werden können.

Das Laserauftragsschweißen verringert den Materialaufwand im Vergleich zum Fräsen oder Drehen aus einem kompletten Metallblock um bis zu 98 Prozent. - © KUKA
Das Laserauftragsschweißen verringert den Materialaufwand im Vergleich zum Fräsen oder Drehen aus einem kompletten Metallblock um bis zu 98 Prozent. © KUKA

Bei konventionell fertigbaren Teilen überzeugt das Verfahren durch reduzierte Kosten und viermal höhere Produktivität. Das Laserauftragsschweißen verringert sowohl den Material-aufwand als auch die Nachbearbeitungszeit im Vergleich zum Fräsen oder Drehen aus einem kompletten Metallblock. Das Einsparungspotenzial liegt hier bei bis zu 98 Prozent des Materials. Diese Stärken bewähren sich vor allem im Werkzeugbau, im Sonderanlagenbau oder in der Fertigung von Prototypen. Herstellung, Test und Optimierung von strömungsop-timierten Bauteilen zum Beispiel von Windkraftanlagen werden so immens beschleunigt.

Fertigungsverfahren der Zukunft: nachhaltig und anpassungsfähig

Die Präzision des robotergeführten Laserauftragsschweißens hebt die bekannte Anwendung des Metalldrucks auf ein neues Level. Das Robotersystem ist beispielsweise in der Lage, doppelwandige Objekte wie Bauteile mit innenliegenden Kühlungskanälen zu fertigen. Der mit sechs 200-Watt-Lasern ausgestattete Druckkopf verarbeitet neben dem Einzelmateri-aldruck auch zwei unterschiedliche Metall-Materialien in einem Druckteil.

Der 3D-Metalldrucker kombiniert den KR IONTEC mit einem Drehkipptisch. Stützstrukturen werden so obsolet. - © KUKA
Der 3D-Metalldrucker kombiniert den KR IONTEC mit einem Drehkipptisch. Stützstrukturen werden so obsolet. © KUKA

Fast jedes Material kann verarbeitet werden: Edelstahl, Titan, Werkzeugstähle, Nickellegierungen. Unser Laserpartner Meltio arbeitet aktuell daran, Kupfer zu drucken. Damit rückt der Einsatz auch für E-Mobilitätsprojekte in greifbare Nähe“, prognostiziert Marc Steidinger. Der Geschäftsführer von HS Automation, zuständig für die technische Leitung des Projekts, sieht Einsatzbereiche vor allem in der Ersatzteilproduktion, in der Entwicklung von Serien und in der Medizintechnik. Im Prototypenbau profitieren Anwender von der komplett flexib-len Anpassung der Druckparameter. Künstliche Kniegelenke aus Titan und andere medizini-sche Implantate werden dank 3D-Metalldruck in Zukunft individuell an den Patienten angepasst.

Der Einsatz von innovativen Software-Lösungen wie KUKA.CNC macht die Technologie noch attraktiver für kleine und mittlere Unternehmen. Dank der Software können per CAD/CAM-System designte Strukturen direkt gefahren werden – ohne in KUKA Robot Language (KRL) umgewandelt zu werden.

Die Geschäftsführer Marc Steidinger (links) und Rolf Steidinger eröffnen mit dem Metall-3D-Druck vor allem dem Mittelstand neue Fertigungsperspektiven. - © KUKA
Die Geschäftsführer Marc Steidinger (links) und Rolf Steidinger eröffnen mit dem Metall-3D-Druck vor allem dem Mittelstand neue Fertigungsperspektiven. © KUKA
Synergien nutzen: HS Automation ist seit 2017 KUKA Systempartner

HS Automation verfolgt mit seinen ca. 20 Mitarbeitenden das Ziel, Automatisierung auch für andere kleine und mittlere Unternehmen (KMU) produktiv nutzbar zu machen. Rolf Steidinger sieht das Unternehmen als Partner eines leistungsfähigeren, nachhaltigeren Mittelstands: „Einige unserer Kunden unterstützen wir bereits seit 24 Jahren bei der automatisierten Produktion. Gemeinsam entwickeln wir stetig zukunftsfähige Lösungen auf dem neues-ten Stand der Technik.“

Im Zuge der KUKA Systempartnerschaft, die seit 2017 besteht, nutzen die beiden Unternehmen lösungsorientiert und gewinnbringend die Stärken des jeweils anderen: direkter Zugang zu praktischen Herausforderungen, branchenspezifisches Know-how und hohe Applikationserfahrung. Die Experten von HS Automation konzipieren und bauen komplette Fertigungslinien – von der Maschinenbeladung, der Einspeisung von Maßen und Zuschnitt über das automatisierte Zusägen hin zum Verschrauben oder Vernageln. Sie setzen aber auch Einzelprojekte wie Punktschweißzellen um. Vor Inbetriebnahme nutzt HS Automation ebenfalls KUKA Produkte wie KUKA.Sim, um den Projekterfolg zu sichern. Die Experten planen damit Raummaße, Bewegungsradien und Sicherheitsbereiche der Anlage vorab.

(Quelle: KUKA, Autorin: Sandra Hirsch)

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