3D-Druck: Sind Industrieroboter die 3D-Drucker der Zukunft?

Herkömmliche 3D‐Drucker für die additive Fertigung bauen die Bauteile mit 3‐achsigen Systemen und - unter Verwendung von umfangreichen Stützstrukturen - schichtweise von unten nach oben auf. Ganz neue Chancen bieten hier Industrieroboter zur Bewegung des Druckkopfs mit sechs oder mehr beweglichen Achsen.

Bauen 3D‐Drucker Objekte Schicht für Schicht in parallelen Ebenen auf, sind zwar die Komplexität dieser 3D‐Drucker und die damit verbundenen Anschaffungskosten relativ gering. Jedoch werden in der Regel Stützstrukturen erforderlich, die schlussendlich am Bauteil wieder sehr zeit‐ und damit auch kostenintensiv entfernt werden müssen.

Der Vorteil von Robotern liegt hier auf der Hand: Ein Industrieroboter mit sechs Achsen kann mit schwenk‐ und drehbaren Zusatzeinrichtungen sogar als 8‐achsiger Roboterarm implementiert werden. Mit einem solchen 3D-Drucker werden räumliche Freiformstrukturen möglich, die nur wenige oder gar keine Stützstrukturen mehr benötigen. Die Fachwelt hat hierfür den Begriff des „Free Space Fabrication“ oder kurz FSF geprägt.

Aufgrund des verhältnismäßig großen Arbeitsraumes eines konventionellen Industrieroboters, ist die Herstellung von folgenden 3d-gedruckten Objekten denkbar:

- Großraumfreiformteile, wie zum Beispiel Prototypenwerkzeuge
- großformatige Hybridteile, durch das Aufbringen von Materialien auf bereits vorhandene Freiformflächen.

Jedoch muss auch der 3D-Druck mit Robotik noch einige Antworten finden: Es müssen Algorithmen für den Slicingprozess entwickelt werden, die in der Lage sind, für ein entsprechendes Modell gekrümmte, mehrachsige Werkzeugbahnen zu generieren. Dies soll möglichst automatisiert direkt aus dem CAD‐System heraus erfolgen, wie es heute für die Steuerung von 3D‐Druckern bereits Standard ist. Dabei darf es zu keinen Singularitäten bei der Robotersteuerung oder zu Kollisionen mit bereits aufgebauten Objekten kommen.

In den letzten Jahren haben sich verschiedene Forschungseinrichtungen, wie das Fraunhofer‐Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart, die Technische Universität Delft in Holland oder das Design Computation Lab (DCL) der Bartlett School of Architecture in London, das mit dem sogenannten Voxelchair bekannt wurde, mit Projekten rund um den 3D-Druck mit einem Roboter beschäftigt. Aber auch die Industrie,

- speziell Automobilbauer, wie zum Beispiel die BMW‐Group mit Ihrem Technologieentwicklungszentrum in Landshut
- die Firma Hans Weber Maschinenfabrik in Kronach
- oder die Firma robotized rm systems in Schwabach

um nur einige zu nennen, sind auf das Thema Roboter statt klassischer 3D-Drucker aufmerksam geworden, experimentieren in ihren Versuchswerkstätten und denken über entsprechende Anwendungen nach.

Das Potenzial von Industrierobotern in der additiven Fertigung ist also enorm, da durch die Kombination von additiver und subtraktiver Fertigung ein vollautomatisches, hybrides Fertigungssystem entstehen kann. Prof. Christian Hopmann, Institutsleiter des Instituts für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen hat dies anlässlich des IKV‐Kolloquiums in Aachen schon 2016 vorgestellt. Bei solch einem hybriden Fertigungssystem lassen sich in einer hybriden Fertigungszelle

- additive und subtraktive Fertigungsprozesse kombinieren
- durch die Nutzung von automatischen Greiferwechselsystemen am Roboter Einlegeteile, wie zum Beispiel Lagerbuchsen oder Elektronikkomponenten sowie Montagevorgänge in den Prozess integrieren.

Industrieroboter-Hersteller wie Kuka werben längst mit den Vorteilen des 3D-Drucks mit Robotik. Laut Kuka lassen sich so Bauteile von bis zu 30 Metern Größe aus nur einem Druckvorgang herstellen. Auf kuka.com heißt es hierzu: "Dank der enormen Reichweite von Robotereinheiten lassen sich selbst metergroße und gleichzeitig höchstkomplexe Bauteile an einem Stück günstig und unkompliziert herstellen – und das bei bewährter Präzision und Schnelligkeit von Kuka-Robotern." Wie der Druckvorgang mit Roboter aussieht, sehen Sie in folgendem Video: