Metall war gestern

Komponenten aus Superpolymeren und Verbundstoffen sind auf dem Vormarsch und machen Metalllegierungen Konkurrenz, wenn es darum geht, extremen Bedingungen standzuhalten. Davon profitieren Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie oder die Energiebranche. Gemeinsam mit B&R bringt Roboze den 3D-Druck dieser Materialien in die industrielle Produktion.

Ob Satellit, U-Boot oder Windrad – Anlagen wie diese sind den widrigsten Umständen ausgesetzt. Extreme Temperaturen, mechanische Beanspruchung, Hochspannung und scheuernde Chemikalien stellen jede Komponente auf eine harte Probe. Diesen Bedingungen haben in der Vergangenheit nur Metalllegierungen standgehalten. Mittlerweile gibt es jedoch immer mehr kohlenstoff- und keramikfaserverstärkte Hochleistungspolymere und -verbundstoffe. Diese stehen Metalllegierungen in puncto Festigkeit und Beständigkeit in nichts nach.

Kraftstoffeffizienz ist wichtiger denn je, sowohl in Bezug auf die Kosten als auch auf die Umwelt. Das macht leichte Polymere und Verbundstoffe zu einer attraktiven Alternative in Autos, Flugzeugen und überall dort, wo mit Energie Dinge bewegt werden. Sie halten aggressiven Chemikalien stand und bieten darüber hinaus mehr Sicherheit und Komfort, da sie unempfindlich gegenüber Hitze, Elektrizität, Schall und Vibrationen sind.

Der 3D-Druckspezialist Roboze kombiniert diese innovativen Materialien mit einer bahnbrechenden additiven Technologie. Dadurch lassen sich Vorlaufzeiten und Produktionskosten reduzieren und kundenspezifische Teile auf Anfrage fertigen. Die Drucker des Unternehmens basieren auf Fused Filament Fabrication (FFF). Bei dieser 3D-Drucktechnik wird Material durch eine erhitzte Düse extrudiert und das Objekt Schicht für Schicht gefertigt. Um die kritischen Materialeigenschaften und Maßtoleranzen von Metall zu erreichen, musste Roboze jedoch einige wichtige Anpassungen an der Drucktechnik vornehmen.

Neben einem völlig neuen Extrudersystem, das die hochviskosen Materialien verarbeiten kann, hat Roboze eine einzigartige beheizte Druckkammer entwickelt. Diese garantiert eine optimale Druckumgebung und verhindert ein Schrumpfen während der Extrusion. Darüber hinaus hat Roboze für seine Drucker eine patentierte riemenlose Antriebslösung entwickelt und so eine Schwachstelle vieler 3D-Drucker beseitigt. Der Drucker von Roboze ist damit genauso zuverlässig wie konventionelle Werkzeugmaschinen.

Herkömmliche FFF-Systeme sind auf Riemen angewiesen, um den Druckkopf entlang der X- und Y-Achse zu bewegen. Diese Riemen verformen sich jedoch mit der Zeit, verschleißen und müssen neu kalibriert werden. Das riemenlose System von Roboze ersetzt den Riemenbetrieb durch eine direkte mechatronische Bewegung. Das macht das System nicht nur präziser, sondern auch äußerst effizient und wartungsfreundlich. Ein schrägverzahntes Getriebe sorgt für eine ruckfreie Bewegung der Zahnstange. Geräusche, Verschleiß und Überhitzung lassen sich so erheblich reduzieren.

„Um mit einer CNC-Maschine konkurrieren zu können, mussten wir konstante Toleranzen im Bereich von wenigen Mikrometern erreichen“, sagt Davide Schiena, Head of Application Engineering and Customer Success bei Roboze. Mit einer Abtastzeit von nur 50 μs bietet der ACOPOS P3 von B&R die dafür benötigte Performance. „Die Servoantriebe von B&R ermöglichen eine Positioniergenauigkeit von ±10 Mikrometern“, sagt Schiena. „Das ist sechsmal genauer als ein riemengetriebenes System.“

Ein freistehendes Gerät, das in kürzester Zeit Prototypen fertigt – dieses Bild haben die meisten vor Augen, wenn sie an 3D-Drucker denken. „Wir wussten jedoch, dass 3D-Drucker noch viel mehr können“, erklärt Alessio Lorusso, Gründer und CEO von Roboze. „Deshalb haben wir gemeinsam mit B&R den ARGO 500 von Anfang an so konzipiert, dass er sich nahtlos in die Produktionslinie integrieren lässt.“

ARGO 500 bietet eine vollautomatische Steuerung aller Schritte, die in der Heizkammer durchgeführt werden. Dazu gehören der eigentliche Extrusionsprozess, die ihm vorausgehenden Schritte wie das Trocknen des Filaments sowie Nachbearbeitungsschritte wie das Tempern. Alle diese Schritte erfordern eine hohe Rechenleistung, für die Roboze einen Automation PC 910 von B&R verwendet.

Nach jedem Druckzyklus erstellt ARGO 500 ein umfassendes Prozessdatenprotokoll. Mit diesem lässt sich ein digitales Modell erstellen und jedes gefertigte Teil automatisch zertifizieren. Der integrierte Fernzugriff ermöglicht eine vorausschauende Diagnose, um die Verfügbarkeit und die Produktivität zu erhöhen. Zudem lassen sich so auch Funktionen ergänzen und Parameter optimieren.

Mit den vorgefertigten Softwarekomponenten von B&R mapp Technology haben die Entwickler von Roboze ohne Programmieraufwand wichtige Funktionen implementiert, die für die Integration in die Produktionslinie benötigt wurden. Dazu zählen zum Beispiel das Alarmmanagement, die Datenerfassung, die Protokollierung von Prozessvariablen und die Benutzerverwaltung. „So konnte sich unser Team auf die Implementierung und Optimierung des Druckprozesses konzentrieren“, sagt Antonio Pastore, Head of Engineering bei Roboze.

„Die B&R-Automatisierungslösung verleiht unseren 3D Druckern eine erstklassige Performance und eine beispiellose Zuverlässigkeit. Gleichzeitig sind die Drucker sehr einfach einzurichten und zu warten“, sagt Lorusso. Der Beitrag von B&R umfasst jedoch weit mehr, als die Lieferung von Hard- und Software. „Die B&R-Experten stellten sicher, dass wir mit allem, was wir brauchten, versorgt waren – von Schulungen über Codeschnipsel bis hin zu einem flexiblen Support-Team, das immer gut erreichbar war.“

ARGO 500 ist das erste kommerzielle Produkt, das aus der im Jahr 2020 begonnenen Zusammenarbeit hervorgeht. „Wir sind von der Performance des B&R-Systems sehr beeindruckt“, sagt Lorusso. „Wir freuen uns darauf, es in neuen 3D-Druckern einzusetzen, die wir zudem mit IIoT-Konnektivität und cloudbasierter Maschinensteuerung ausstatten werden.“