Kann Ihr Schweißroboter auch 3D-Drucken?

Immer mehr Unternehmen setzen Schweißroboter in ihren Produktionsprozessen ein. Am Wochenende und in der Nacht sind sie jedoch oft noch im Leerlauf. Eine interessante Technik, um diese Stillstandszeit effizient zu nutzen, ist WAAM. WAAM steht für Wire and Arc Additive Manufacturing, d. h. der Schweißroboter kann in einen 3D-Drucker verwandelt werden, der große Teile herstellen kann. Eine Technik, die in Flandern noch sehr unterbelichtet ist, aber das BIL möchte dies durch ein praktisches Forschungsprojekt ändern, das Unternehmen Einblicke gibt, wie sie jeden Schweißroboter in einen WAAM-3D-Druckroboter umwandeln können. Eine Einführung.

Die additive Fertigung mit Draht und Lichtbogen (WAAM) ermöglicht es den Nutzern, Metallteile mit Standardschweißdraht und einem Standardschweißroboter herzustellen. Diese Technik eignet sich für die Herstellung von Einzelteilen, Kleinserien oder Prototypen, die eine komplexe (innere) Geometrie aufweisen oder aus mehreren Materialien bestehen. Forschungszentren in den Nachbarländern versprechen bereits, diese Technik weiter zu erforschen, z. B. für den Druck von Ersatzteilen für den Offshore-Bereich, für maritime Anwendungen, für die Luft- und Raumfahrt, für die Reparatur von Prototypen, für Alternativen zu Gussteilen usw. Ein elektrischer Lichtbogen wird als Wärmequelle genutzt, um den Schweißdraht zu schmelzen und das Bauteil Schicht für Schicht aufzubauen. WAAM bietet drei Hauptvorteile:

- Da es sich um Standardmaterialien handelt, kann die WAAM-Technologie von jedem Unternehmen eingesetzt werden, das bereits über einen industriellen Schweißroboter verfügt. Dies eröffnet den Unternehmen eine Menge neuer Möglichkeiten. Alle Materialien, die für das MIG/MAG-Schweißen geeignet sind, können verwendet werden.

- WAAM ermöglicht die material- und kosteneffiziente Herstellung von mittelgroßen bis großen Metallteilen. Das Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Materialeffizienz (bis zu 90%), hohe Abscheideraten (1 bis 4 kg pro Stunde) und eine verbesserte Energieeffizienz aus. Damit bietet es sich als attraktive Alternative zum Schmieden und Gießen an, da die Vorlaufzeiten kürzer sind und keine Kosten für Formen anfallen. Im Vergleich zu konventionellen Bearbeitungstechniken bietet der WAAM-3D-Druck neue Möglichkeiten für das Design.

- Mit WAAM ist es möglich, ganz gezielt mit dem Aufbau eines Werkstücks zu beginnen und z. B. bestimmte Materialien in Bereichen aufzubringen, in denen Verschleiß oder Korrosion auftreten können.    

Es muss jedoch noch weiter geforscht werden, um zu sehen, wie die verschiedenen Materialien am besten kombiniert werden können.

Wie funktioniert das?

Mit einem ersten Patent aus den 1920er Jahren kann sich WAAM als eines der ältesten additiven Fertigungsverfahren bezeichnen. Wie alle modernen Metallbearbeitungsverfahren geht auch WAAM von einem 3D-CAD-Modell aus. Dieses wird in 2,5D-Schichten zerlegt. Für jede dieser Schichten wird dann eine Beschichtungsbahn erstellt und die Schweißparameter werden festgelegt. Daraufhin wird ein Roboterprogramm erstellt, mit dem der Schweißroboter Schicht für Schicht ein endkonturnahes Teil aufbaut. Daran kann sich eine Wärmenachbehandlung anschließen oder, wenn hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit und die Oberflächenqualität gestellt werden, eine Nachbearbeitung mit klassischen Technologien wie Fräsen, Drehen, Schleifen... 

Dies kann übrigens schon während des Abscheidungsprozesses geschehen, falls die Zugänglichkeit beim Aufbau des Stücks schwieriger wird. Es sind mehrere Techniken möglich. Die beliebteste ist MIG/MAG, aber man könnte auch mit der WIG-Schweißtechnik, mit Plasma oder mit EBF (Electron Beam Freeform Fabrication) arbeiten. 

Es gibt drei Fertigungsmöglichkeiten. Die am wenigsten erforschte ist die des Cobots. Da WAAM seine Stärken vor allem bei der Herstellung größerer Stücke ausspielen kann (herkömmliche Techniken sind hier mit hohen Kosten für Werkzeuge und Formen verbunden), wird ein Cobot mit WAAM an Bord vor allem in Forschungsinstituten für den Druck kleinerer Muster oder für tragbare Lösungen eingesetzt, mit denen die Technik interessierten Parteien vorgeführt werden kann. Auf die beiden anderen Techniken wird im folgenden Abschnitt eingegangen.

WAAM mit Roboter

Die am weitesten verbreitete Option ist der Standard-Schweißroboter. Da der Schweißroboter mehrere Kilo Material pro Stunde schweißen kann, kann er die Lücke zwischen den herkömmlichen Bearbeitungstechniken und den pulverbasierten 3D-Druckverfahren schließen. Ein geschlossenes Robotersystem hat den Vorteil, dass die Schnittstelle zwischen dem Roboter und dem Schweißroboter 100% für eine schnelle Kommunikation integriert ist. Außerdem ist es speziell auf das Schweißen zugeschnitten.    

Ein offenes Robotersystem hat dagegen den Vorteil, dass die Postprozessordatei direkt an den Roboter gehen kann, ohne dass eine zusätzliche Konvertierung erforderlich ist. Der Benutzer kann also seine Schweißquelle frei wählen. 

Im Prinzip kann jeder Standard-Schweißroboter für WAAM-Zwecke angepasst werden, vorausgesetzt, der Roboter kann mit der Software integriert werden, die zur Berechnung der Auftragsbahn erforderlich ist, und es steht eine Datenbank zur Verfügung, um die Geometrie der Schweißnaht mit der Schweißnaht zu vergleichen.

WAAM mit hybrider Plattform

Es gibt auch CNC-Maschinen mit WAAM-Funktionalitäten. Im Vergleich zu Robotern sind sie einfacher zu automatisieren, was Temperatur, Messung und Kontrolle, Zwangskühlung usw. angeht. Darüber hinaus gibt es hybride Plattformen, die entweder aus einem Schweißroboter und einem Bearbeitungsroboter bestehen, oder hybride CNC-Maschinen, die das Schweißen integrieren. Der Vorteil solcher hybriden Robotersysteme ist die Möglichkeit, große Strukturen zu fertigen, indem die Roboter beispielsweise auf Schienen platziert werden. 

Darüber hinaus können nach dem Aufbringen jeder Schicht oder mehrerer Schichten Bearbeitungstechniken angewandt werden, um die Oberflächenqualität zu verbessern. Damit können auch Innenflächen oder schwer zugängliche Flächen bearbeitet werden, wenn das Werkstück vollständig fertiggestellt ist. 

Bei diesen Plattformen muss darauf geachtet werden, dass die Positionierung der einzelnen Roboter jedes Mal perfekt ist. Im Vergleich zu CNC-Maschinen ist die Maßgenauigkeit wesentlich geringer. 

Schließlich sind hier noch die hybriden WAAM-CNC-Maschinen zu nennen, die WAAM mit der Fünf-Achsen-Bearbeitung kombinieren.    

WAAM-Workshop

In der Draht- und Lichtbogenherstellung ist derzeit einiges in Bewegung. Am Donnerstag, den 21. April, fand im VDAB-Schulungszentrum in Wondelgem die WAAM-Veranstaltung statt. Sie wurde von VDAB in Zusammenarbeit mit RTC East Flanders und Partnern wie Thomas More Campus De Nayer, Hoffmann Group, DMG MORI, Valk Welding, Belgian Institute for Welding Technology (BIL) und Open Mind organisiert. Mehr als 100 Teilnehmer konnten sich mit der Technologie vertraut machen und die Möglichkeiten entdecken, die sich daraus für ihre eigene Produktion ergeben können. 

Der VDAB plant weitere solcher Workshops, um die Technik bekannter zu machen und die Teilnehmer mit tollen Praxisbeispielen zu inspirieren. Geplant sind bereits der 29. Juni (Wondelgem), der 7. September (Wondelgem) und der 21. November (Heverlee).

Erfahren Sie mehr über WAAM?
Der VDAB wird im September einen neuen Schulungskurs über WAAM starten. Luc De Blick, Schweißexperte beim VDAB: "Wir sehen ein großes Potenzial für die belgische Fertigungsindustrie. Mit dieser Schulung wollen wir die Teilnehmer in alle Aspekte von WAAM einführen, so dass sie anschließend den gesamten Prozess selbst beherrschen können. Vom Entwurf bis zur Simulation, vom 3D-Druck mit Schweißroboter bis zur Endbearbeitung auf einer fünfachsigen Fräsmaschine. Außerdem werden wir die Teile in Bezug auf Form und Material vermessen, so dass wir die Qualität des 3D-gedruckten Teils mit der eines Teils vergleichen können, das mit herkömmlichen Bearbeitungsmethoden hergestellt wurde." 

Das Programm richtet sich an Hochschulabsolventen und Bachelorabsolventen. "Wir streben ein etwas höheres Profil an, denn diese Technologie ist ein Musterbeispiel dafür, wie alle Glieder der Kette zusammenpassen müssen. Die verschiedenen Abteilungen müssen sich gegenseitig rückkoppeln, wo Optimierungsbedarf besteht. Ganz nach den Grundsätzen von Industrie 4.0."

Interessierte können Folgendes besuchen https://www.vdab.be/opleidingen/aanbod/O-AMI-310402/cursus/C-AMI-203823/3D-printing_met_lasrobot__WAAM_-WONDELGEM.