Vollautomatisierte Additive Fertigung mit DED-Verfahren für die automobile Serienproduktion (AdDEDValue); Teilvorhaben: Roboterbasierte Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile für die Automobilindustrie

Abstract

Die zentrale Zielstellung von AdDEDValue war es, die DED-Verfahren (Directed Energy Deposition) für einen nutzbringenden Einsatz in der Fahrzeugindustrie weiterzuentwickeln. DED-Verfahren lassen sich einteilen in das Laserauftragsschweißen mit Pulver oder Draht (engl. LMD: Laser Metal Deposition) sowie in draht- und lichtbogenbasierte Verfahren (engl. WAAM: Wire and Arc Additive Manufacturing). Das Konsortium war durch seine Zusammensetzung mit umfangreichen Kompetenzen und breitem Domänenwissen aufgestellt und konnte dadurch Forschungsschwerpunkte auf verschiedenen Betrachtungsebenen für eine umfassende Bearbeitung des Projekts setzen. Im Teilvorhaben der Boll Automation lagen der Schwerpunkt auf der Entwicklung eines roboterbasierten Nachbearbeitungsprozesses von mittels DED gefertigten Bauteilen für die Automobilindustrie. Zunächst wurden mit den Konsortialpartnern in einer umfangreichen Anforderungs- und Bauteilanalyse geeignete Bauteile für die additive Fertigung und roboterbasierte Nacharbeit identifiziert. Das geeignetste Bauteil (eine Sitzkonsole des Projektpartners AGCO) wurde vom Gussteil hin zu einem mittel WAAM gefertigten Bauteil geometrisch optimiert. Es wurde eine Prozesskette entwickelt, die ein geeignetes Vorgehen vom additiv gefertigten Bauteil hin zum nachbearbeiteten Bauteil definiert. Hierbei werden Funktionsflächen, bspw. Flansche oder Bohrungen mittels spanender Fertigung in die Struktur eingebracht. Da bei der roboterbasierten Bearbeitung Prozesskräfte das Bearbeitungswerkzeug auf Grund der geringen Steifigkeit es Roboters von der geplanten Bahn abdrängen und somit die Geometriegenauigkeit reduzieren, wurde eine Kompensationsmethode entwickelt. Diese beruht auf am Roboter gemessenen Kräften, die an ein Nachgiebigkeitsmodell geschickt werden. Dort werden die Abdrängungen berechnet und Kompensationswerte auf die Roboterbahn angewendet. Zur Realisierung dieses Ansatzes wurde zunächst in Matlab und anschließend in TwinCAT ein 6 Achs Robotermodell aufgebaut und mit Unterstützung des Projektpartner TU München parametrisiert. Es wurde ein Verfahren zur automatisierten Identifikation geeigneter Reglerparameter entwickelt und das Kompensationsverfahren zunächst an Nuten und anschließend komplexeren Bauteilen untersucht. Die Abdrängung konnte um 57 % bis 82 % reduziert werden. Durch die Zerspanung eines Demonstratorwerkstücks konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitung von Bauteilen, die keine hohen Anforderungen an die Geometriegenauigkeit aufweisen (bspw. Bauteile, die zuvor im Gussverfahren hergestellt wurden) mittels Roboter (KUKA KR180) nachbearbeitet werden können. Für Präzisionsbauteile wie Formen im Werkzeugbau reicht die Genauigkeit des Roboters selbst mit eingeschalteter Nachgiebigkeitskompensation nicht aus.