Additive Metallfertigung von komplexen Strukturen Maßgeschneiderte Metallteile leicht gemacht

Die Herausforderungen der Metallindustrie wachsen: Mit einer neuen Art des 3D-Metalldrucks in einer modularen Automationszelle setzen HS Automation und Kuka neue Maßstäbe. Der 3D-Metalldrucker 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. Das fertige Bauteil muss nicht oder nur minimal nachbearbeitet werden. Die Anlagenentwickler erreichen mit der Zusammenarbeit minimalen Materialabfall und geringe Herstellungskosten bei fast unbegrenzten Gestaltungsmöglichkeiten. Durch die Technologie entstehen Werkzeuge, Teile und Freiformen mit den Materialeigenschaften von Edelstahl, Titan, Inconel und Baustahl. Der 3D-Druck von Kupfer wird laut den Experten ebenfalls bald möglich sein.

Das ermöglicht auch den 3D-Druck von bionischen Konstruktionen und komplexen Strukturen, wie sie im Leichtbau und im Prototypenbau verwendet werden. Der Mittelstand profitiert von schneller Ersatzteilfertigung und der Einsparung von Energie und Material. Der Einsatz von Software-Lösungen wie Kuka.CNC macht die Technologie noch attraktiver für kleine und mittlere Unternehmen. Dank Kuka.CNC können Strukturen, die vorher per CAD-Software oder CAM-System designt wurden, direkt gefahren werden – ohne die CAD-Datei in Kuka Robot Language (KRL) umwandeln zu müssen.

Wie funktioniert 3D-Druck für Metall den Robotern?

Im Feld der additiven Fertigung von Metall entstehen neue Technologien im Minutentakt. Ziel ist, ab Losgröße 1 kosteneffizient zu produzieren, den Materialverbrauch zu senken, aber auch die Nachbearbeitungszeit zu reduzieren. Der Automationsexperte HS Automation erfüllt diese Anforderungen der modernen Fertigung in der Metallindustrie mit der 3D-Laserschweißzelle. Der 3D-Drucker schweißt Schicht für Schicht auf einen Werkstückträger.

Im Gegensatz zum Lasersintern senkt sich der Träger nicht ab, sondern der Roboterarm bewegt den Laser synchron zum Drehkipptisch, auf dem der Träger montiert ist. Der DKP-400 V2, der ebenfalls entwickelt wurde, positioniert das Werkstück so, dass der Druckkopf immer an der richtigen Stelle neues Material aufschweißen kann. Schicht für Schicht wächst so das vorab designte 3D-Objekt. Stützstrukturen, wie sie beim herkömmlichen Metall-3D-Druck üblich sind, werden so obsolet – ebenso wie Pulvermanagement, das bei anderen 3D-Laser-Druckern oder beim Metall-Lasersintern anfällt. Ein weiterer Unterschied ist die Dimension der produzierten Teile: Herkömmliche Anwendungen besitzen eine limitierte Größe von circa 50 auf 50 cm. Die Technologie von HS Automation stellt auch große Teile her. Mit sechs Lasern schweißt der Laserdruckkopf 2 mm dicke Schichten auf und lässt so das 3D-Objekt entstehen.

Chancen und Möglichkeiten des 3D-Metalldrucks

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. Das Verfahren löst zum Beispiel Ersatzteilprobleme, da nicht mehr verfügbare Bauteile selbst produziert werden können.

Bei konventionell fertigbaren Teilen überzeugt das Verfahren durch reduzierte Kosten und viermal höhere Produktivität. Das Laserauftragsschweißen verringert sowohl den Materialaufwand 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 Verbesserungen von strömungsangepassten Bauteilen zum Beispiel von Windkraftanlagen werden so immens beschleunigt.

Vorteile der additiven Fertigung für Metall

• Effizienter Materialeinsatz: Der Metallabfall reduziert sich drastisch im Vergleich zum Fräsen. Der 3D-Druck funktioniert ohne Stützstrukturen oder Metallpulver.

• Kosteneffizient und nachhaltig: Das Verfahren überzeugt durch eine viermal höhere Produktivität und 90 Prozent Kostenersparnis im Vergleich zur konventionellen Fertigung.

• Maximale Gestaltungsfreiheit: Additive Metallfertigung zahlt sich besonders dort aus, wo komplexe Strukturen oder doppelwandige Objekte gefordert sind.

• Passende Mikrostruktur: Der 3D-Metalldrucker baut Objekte mit 2 mm Wandstärke auf. Das Gerät fertigt auch Vollmaterial-Werkstücke aus Metall bzw. Legierungen.

E-Mobilität und Medizintechnik

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 Einzelmaterialdruck auch zwei unterschiedliche Metall-Materialien in einem Druckteil. „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 flexiblen Anpassung der Druckparameter. Künstliche Kniegelenke aus Titan und andere medizinische Implantate werden dank 3D-Metalldruck in Zukunft individuell an den Patienten angepasst.

HS Automation ist seit 2017 Systempartner

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

Im Zuge der 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, Tools aus der Kuka-Robotic-Republic 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 Produkte wie Kuka.Sim, um den Projekterfolg zu sichern. Die Experten planen damit Raummaße, Bewegungsradien und Sicherheitsbereiche der Anlage vorab.