Roboter vs. CNCs: Was ist besser für die Metallbearbeitung?

Mar 24, 2023

23. März 2023 von Mark Allinson Hinterlasse einen Kommentar

Von David Alatorre, CTO, Rivelin Robotics

Der Einsatz der additiven Metallfertigung hat die Fertigungsindustrie revolutioniert und ermöglicht die schnellere und kostengünstigere Herstellung komplexer und komplizierter Teile.

Die notwendige Nachbearbeitung dieser Teile führt jedoch zu zeitlichen und finanziellen Einschränkungen bei den Gesamtkosten pro Teil, die die Vorteile der additiven Fertigung vollständig zunichte machen können. Das Entfernen der Stützstruktur ist der entscheidende erste Schritt bei der Nachbearbeitung von Teilen aus der additiven Fertigung von Metallen und stellt eine große Herausforderung dar.

Heutzutage sind Stützelemente für die Teiletreue während des Herstellungsprozesses immer noch unerlässlich, sie müssen jedoch entfernt werden, um das gewünschte Endprodukt mit der gewünschten Form, den vorgesehenen Merkmalen und Toleranzen zu erhalten.

Während die manuelle Entfernung von Stützstrukturen für viele Anwendungen der additiven Metallfertigung immer noch der Status quo ist, befasst sich dieser Artikel mit dem Übergang zu automatisierten Lösungen für die Entfernung (und Endbearbeitung) von Stützstrukturen und betrachtet die Vor- und Nachteile der Verwendung von CNC-Systemen (Computer Numerical Control) im Vergleich zur Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit von Robotern.

Es wird argumentiert, dass das Problem der Entfernung von Stützstrukturen in der additiven Fertigung letztendlich durch das sogenannte stützfreie Drucken gelöst werden kann. Dies wäre natürlich das ultimative Ziel, völlige Designfreiheit bei optimierter Ressourceneffizienz zu ermöglichen, wobei Rohstoffe und Energie nur für die Herstellung des Endteils und nicht für die Stützen verwendet werden.

Leider ist der Bereich der additiven Fertigung noch nicht so weit, und auch wenn die Unterstützung durch Design minimiert wird, sind sie immer noch – und werden es auch in absehbarer Zukunft sein – eine Notwendigkeit.

Die Minimierung des Material- und Energieaufwands für Stützen ist in fast jeder Situation richtig, kann aber auch die Gestaltungsfreiheit beeinträchtigen und sich negativ auf die gewünschte Funktionalität des Endverbrauchsteils auswirken, was beispielsweise dazu führen kann, dass müssen mit gefüllten Hohlräumen oder Überhängen konstruiert werden, was zu einem Verlust an Leichtgewicht führt.

Generative Designs können auch unnötig eingeschränkt werden, um die Winkel zu erhalten, die für reduzierte Stützen erforderlich sind.

Ein Fokus auf die Reduzierung des Supports kann sich auch auf die Prozesseffizienz auswirken. Beispielsweise müssen lange Teile möglicherweise in einer bestimmten Ausrichtung gebaut werden und nehmen daher mehr Platz auf der Bauplatte ein, und gestapelte Bauten können aufgrund der miteinander verbundenen Stützstrukturen unpraktisch werden.

Kurz gesagt: Obwohl wir immer nach weniger Trägern streben sollten, sind sie derzeit immer noch ein notwendiges Werkzeug für die komplexesten Anwendungen der additiven Fertigung.

Erstaunlicherweise ist die manuelle Entfernung von Stützstrukturen für die Mehrheit der Anwender der additiven Fertigung auch heute noch das Verfahren der Wahl. Es erfordert hochqualifizierte Techniker, um Stützstrukturen mit herkömmlichen Handwerkzeugen aller Art zu entfernen.

Dremels sind auch nützlich. Es ist altbewährt, erfordert aber Geschicklichkeit, Problemlösungskompetenz und Kreativität. Es eignet sich gut für Produktionsumgebungen mit hohem Mix und geringem Volumen.

Allerdings ist das manuelle Entfernen der Stützen auch sehr zeitaufwändig, arbeitsintensiv und schmutzig, da giftiger Staub eine persönliche Schutzausrüstung oder abgeschirmte Umgebungen erfordert. Das Risiko einer Pulverentzündung und -explosion sowie Verletzungen durch wiederholte Belastung sind häufige Probleme.

Darüber hinaus ist es nicht genau wiederholbar und variiert von Person zu Person und sogar von Schicht zu Schicht, was zu Problemen bei der Qualitätskontrolle und einem Anstieg der Ausschussrate führt. Auch die Skalierung wird schwierig, wenn die Nachfrage nach additiven Fertigungsteilen deutlich zunimmt.

Bei Lösungen zur Automatisierung der Nachbearbeitung von Metallteilen für die additive Fertigung wurden einige Fortschritte erzielt. Am weitesten verbreitet ist der Einsatz von CNC-Fräsmaschinen, einer bewährten Technologie für eine Vielzahl von Fertigungsanwendungen, einschließlich eines Hybridansatzes zur additiven Fertigung.

Sie sind unbestreitbar genau und wiederholbar. Doch nur weil etwas üblich ist und sich in manchen Bereichen bewährt hat, heißt das nicht zwangsläufig, dass es immer die beste Lösung ist.

CNC kann gut funktionieren, wenn das betreffende Teil eng tolerierte Merkmale aufweist und Ebenheit, Rundheit, Konzentrizität oder Abmessungen innerhalb weniger Mikrometer liegen müssen.

Es handelt sich außerdem um die bevorzugte Technologie zum Entfernen von Stützstrukturen bei Großserienfertigungen, bei denen die Geometrien einfach sind oder sich eine einfache Befestigung in nur wenigen Ausrichtungen ergibt.

Ebenso kann es gut für Drucke geeignet sein, bei denen die Entfernung der Plattform mit einem CNC-Erodiergerät für den Großteil der Stützen sorgt.

Für dünnwandige Bauteile, platzsparende Stapelaufbauten und Teile mit Gitterstrukturen oder Sollbruchstützen sind CNC-Maschinen jedoch keine gute Lösung. Man kann auch mit Recht sagen, dass CNC-Programmierer keine einmaligen generativ gestalteten organischen Formen mit zusammengesetzten Kurven mögen.

Dies verdeutlicht und stärkt das Argument gegen die CNC-Unterstützungsentfernung im Ökosystem der additiven Fertigung.

Einer der Haupttreiber der additiven Fertigung ist die Flexibilität des Designs, die es Benutzern ermöglicht, Komponenten von einer Charge zur nächsten zu iterieren, anzupassen und zu aktualisieren. Das bedeutet, dass Unternehmen, die additive Fertigung für die Produktion nutzen, selten in eine starre Industrieautomation investieren.

Jede Iteration, jede Änderung am Design würde eine neue CNC-Trajektorie für einen neuen Werkzeugweg bedeuten und wäre mit hohen Kosten verbunden. Bei der additiven Fertigung muss diese Designflexibilität auf jeden Schritt der Fertigungsprozesskette übertragen werden.

Das Problem ist bei Werkzeugen und Vorrichtungen ähnlich. Die Art von hochpräzisen Vorrichtungen, die für eine starre Industrieautomation erforderlich sind, macht einfach keinen Sinn, es sei denn, Sie sind bereit, sich langfristig auf ein Design festzulegen.

Und dann ist da noch das Problem der Variabilität von Charge zu Charge. Selbst wenn Sie über eine perfekte Vorrichtung und einen perfekten Werkzeugweg verfügen, ist es möglicherweise nicht die beste Idee, sich direkt aus dem Drucker auf eine perfekt vorhersehbare Auflagefläche zu verlassen.

Dies liegt daran, dass davon ausgegangen wird, dass sich die Träger der additiven Fertigung durchbiegen, sodass AM-Teile dies nicht tun müssen. AM-Stützen werden dünn hergestellt, um die Verwendung von Pulvermaterial zu maximieren. An der Komponente werden dünne Verbindungen hergestellt, um Oberflächenzeuge zu minimieren und das Abbrechen des Gerüsts zu erleichtern.

Manchmal ändert sich sogar die Materialzusammensetzung zwischen den Chargen, was bedeutet, dass Träger von Charge zu Charge sehr unterschiedlich aussehen und sich sehr unterschiedlich verhalten können.

Daher benötigt die additive Fertigung eine Automatisierung, die sich an Schwankungen anpassen kann, insbesondere für die Unterstützung und Entfernung von Zeugungsspuren. Und diese Herausforderung wurde durch den Einsatz hochentwickelter Software und künstlicher Intelligenzsysteme gelöst, die dabei helfen, Werkzeugwege und Roboterbewegungen zu generieren, ohne ein ganzes Team für Systemtechnik zu mobilisieren.

Dies ermöglicht dann eine schnelle Iteration sowie die Automatisierung kleiner Chargen.

Durch 3D-Scannen können Teile statt hochpräziser Vorrichtungen lokalisiert werden. Das bedeutet, dass Desktop-FDM-Drucker zur schnellen Herstellung von Kunststoffvorrichtungen verwendet werden können, ohne sich Gedanken über die Genauigkeit oder Änderungen am Design machen zu müssen.

Darüber hinaus können Kraftsensoren eingesetzt werden, um die Oberfläche zu ertasten und die Bearbeitung entsprechend anzupassen, oder um mehr Zeit an hohen Stellen zu verbringen, bis die endgültige Form erreicht ist, oder um ein gleichmäßiges Finish zu erzielen

Ein großer Vorteil besteht darin, dass jedes Werkzeug zum Entfernen und Nachbearbeiten von Stützstrukturen verwendet werden kann. Wenn bereits bekannt ist, welche Werkzeuge mit den Materialien oder den Arten der gedruckten Träger gut funktionieren, können genau dieselben Werkzeuge an einen Roboter angeschlossen werden, um die Automatisierung sicherer zu gestalten.

Mit der heutigen Technologie ähneln die Schritte zum Hinzufügen eines neuen kundenspezifischen Werkzeugs im Wesentlichen dem Hinzufügen eines neuen Schaftfräsertyps zu einer CNC-Maschine und erfordern keinen Systemintegrator, der stundenweise abrechnet.

Rivelin Robotics, das auf die Nachbearbeitung der additiven Metallfertigung spezialisiert ist, verfügt bereits über Produkte, die dies ermöglichen. Das Unternehmen ist auf die Entwicklung und Installation von Robotern für eine Vielzahl von AM-Nachbearbeitungsanwendungen spezialisiert.

Im Zusammenhang mit der Entfernung von Stützstrukturen aus additiv gefertigten Metallteilen bietet Rivelin Robotics fortschrittliche Roboterlösungen an, die speziell darauf ausgelegt sind, diese Aufgabe zuverlässig und präzise auszuführen.

Die Roboter des Unternehmens bieten gegenüber herkömmlichen CNC-Maschinen eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. eine höhere Geschwindigkeit, Genauigkeit und Wiederholbarkeit, wenn sie zur Unterstützung der Entfernung und Endbearbeitung eingesetzt werden. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch eine hohe Flexibilität aus, wodurch sie problemlos an unterschiedliche Anwendungen und Prozesse angepasst werden können.

Auch die Roboter von Rivelin Robotics sind auf Sicherheit ausgelegt und verfügen über Schutzgehäuse und Sicherheitsfunktionen, die das Risiko von Unfällen und Verletzungen verringern.

Darüber hinaus ist der Strom- und Kühlmittelbedarf deutlich geringer als bei CNC-Maschinen, was zur Steigerung der Ressourceneffizienz und Energieeffizienz bei gleichzeitiger Abfallreduzierung beiträgt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Roboter aufgrund ihrer Geschwindigkeit, Effizienz, Flexibilität, Genauigkeit, Wiederholbarkeit, Sicherheit, Kosteneffizienz und Nachhaltigkeit im Vergleich zu CNC-Maschinen als überlegene Lösung für die automatisierte Entfernung von Stützen aus Metallteilen der additiven Fertigung erweisen.

Der Einsatz von Robotern in diesem Prozess führt nicht nur zu einem besseren Endprodukt, sondern sorgt auch für einen sichereren, nachhaltigeren und kostengünstigeren End-to-End-Herstellungsprozess.

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