Druk 3D z metalu bez konstrukcji wsporczych

Firma HS Automation we współpracy z KUKA opracowała moduł laserowy do produkcji addytywnej metalu. Proces spawania laserowego za pomocą KR IONTEC umożliwia ekonomiczną i ekologiczną produkcję kompleksowych elementów metalowych.

Robot KUKA zrewolucjonizował produkcję addytywną kompleksowych struktur metalowych

Wyzwania przemysłu metalurgicznego są coraz większe: dzięki nowemu rodzajowi druku 3D z metalu w celi zautomatyzowanej, firma HS Automation i KUKA wyznaczają nowe standardy. Drukarka 3D do metalu stanowi połączenie robota z rodziny KR IONTEC ze stołem obrotowo-przechylnym, który porusza się synchronicznie z ramieniem robota zgodnie ze specyfikacją elementu obrabianego. Sześć laserów spawalniczych na końcu głowicy drukującej Meltio precyzyjnie topi drut przyłożony do materiału nośnego lub powstającego elementu obrabianego. Gotowego elementu konstrukcyjnego nie trzeba poddawać dalszej obróbce lub tylko w minimalnym zakresie. Dzięki współpracy konstruktorzy instalacji osiągnęli minimalne ilości odpadów i niskie koszty produkcji przy niemal nieograniczonych możliwościach projektowania. Dzięki tej technologii powstają narzędzia, części i formy o właściwościach stali nierdzewnej, tytanu, stopu Inconel i stali konstrukcyjnej. Zdaniem ekspertów wkrótce możliwy będzie też druk 3D z miedzi.

Dzięki temu możliwe jest też drukowanie w 3D konstrukcji bionicznych i złożonych struktur, jakie są stosowane w konstrukcjach lekkich i budowie prototypów. MŚP zyskują dzięki szybszej produkcji części zamiennych i oszczędności energii oraz materiałów. Zastosowanie innowacyjnych rozwiązań programowych, takich jak KUKA.CNC czyni tę technologię jeszcze bardziej atrakcyjną dla małych i średnich przedsiębiorstw. Dzięki KUKA.CNC struktury, które zostały wcześniej zaprojektowane w oprogramowaniu CAD lub systemie CAM, można realizować bezpośrednio – bez konieczności przekształcania pliku CAD na KUKA Robot Language (KRL).

Dostawca usług automatyzacji – firma HS Automation – z siedzibą w miejscowości Vöhringen w Badenii-Wirtembergii od 2017 roku współpracuje z KUKA.

Na czym polega drukowanie 3D z metalu przy pomocy robotów KUKA?

W przypadku produkcji addytywnej z metalu innowacje pojawiają się w ciągu minuty. Celem jest efektywna kosztowo produkcja od wielkości partii wynoszącej 1, ograniczenie zużycia materiałów, a także skrócenie czasu obróbki. Ekspert od automatyzacji – firma HS Automation – spełnia wymagania nowoczesnej produkcji w przemyśle metalurgicznym dzięki modułowi do spawania laserowego 3D. Drukarka 3D nakłada warstwę po warstwie na element obrabiany.

Technologia produkcji addytywnej wiele zyskuje dzięki mobilności robota i stołu przechylnego.

W przeciwieństwie do spiekania laserowego, nośnik nie obniża się, lecz ramię robota przesuwa laser synchronicznie do stołu obrotowo-przechylnego, na którym jest zamontowany nośnik. DKP-400 V2, zaprojektowany również przez KUKA, ustawia element obrabiany tak, aby głowica drukująca mogła zawsze spawać nowe materiały we właściwym miejscu. Warstwa po warstwie powstaje w ten sposób zaprojektowany wcześniej obiekt 3D. Konstrukcje wsporcze, jakie występują w przypadku tradycyjnego druku 3D z metalu, są niepotrzebne – podobnie jak zarządzanie proszkami, jakie można spotkać w innych drukarkach laserowych 3D lub podczas spiekania laserowego metalu. Kolejną różnicą są wymiary produkowanych części: Tradycyjne aplikacje mają ograniczone wymiary ok. 50 na 50 cm. Technologia firmy HS Automation umożliwia produkcję większych części.

Laser w drukarce 3D z metalu nakłada warstwy o grubości ścianki 2 mm.

Szanse i możliwości druku 3D

Zastosowanie odpowiednio zwymiarowanego robota gwarantuje dokładność, która wyróżnia druk z metalu na tle konkurencji. „Zastosowanie robota stwarza ogromne możliwości dla produkcji” – tak o potencjale drukarki 3D do metalu mówi Rolf Steidinger, dyrektor generalny i handlowy w firmie HS Automation. Ten proces rozwiązuje na przykład problemy z częściami zamiennymi, ponieważ umożliwia samodzielne wyprodukowanie niedostępnych już części.

Jeśli część może zostać wyprodukowana w sposób niekonwencjonalny, zastosowanie tego urządzenia jest nieuniknione.

Rolf Steidinger, dyrektor generalny HS Automation

W przypadku konwencjonalnych części proces ten gwarantuje obniżenie kosztów i czterokrotnie wyższą produktywność. Napawanie laserowe zmniejsza zarówno ilość potrzebnych materiałów, jak i czas obróbki w porównaniu do frezowania lub toczenia z całego bloku metalowego. Potencjalne oszczędności materiału sięgają w tym przypadku aż 98%. Te cechy najlepiej sprawdzają się podczas projektowania narzędzi, budowy instalacji specjalnych lub produkcji prototypów. Znacznie przyspiesza to produkcję, optymalizację i testowanie podzespołów zoptymalizowanych pod kątem przepływu np. do elektrowni wiatrowych.

Dyrektor generalny i handlowy Rolf Steidinger widzi ogromny potencjał w technologii druku 3D z metalu.

Zalety produkcji addytywnej metali

Innowacyjne połączenie robota, stołu przechylnego i laserowej głowicy drukującej wyznacza nowe standardy w zakresie druku 3D z metalu.

Maksymalna swoboda projektowania

Produkcja addytywna metali opłaca się zwłaszcza tam, gdzie wymagane są skomplikowane struktury lub obiekty o podwójnych ściankach.
Optymalna mikrostruktura

Drukarka 3D do metalu tworzy obiekty o grubości ścianki 2 mm. Urządzenie produkuje również gotowe elementy z metalu lub ich stopów.
Efektywność kosztowa i trwałość

Proces ten zapewnia czterokrotnie wyższą produktywność i oszczędność kosztów na poziomie 90 procent w porównaniu z tradycyjną produkcją.
Efektywne wykorzystanie materiałów

Ilość odpadów metalowych drastycznie spada w porównaniu z frezowaniem. Druk 3D nie potrzebuje konstrukcji wsporczych ani proszków metalowych.

Robot stosowany do druku 3D z metalu pracuje w module laserowym, który ma wymiary 5 x 4 x 4 m.

Druk 3D dla przyszłościowych branż: e-mobilność i technika medyczna

Precyzyjne spawanie laserowe przez robota wynosi druk z metalu na zupełnie nowy poziom. System robota jest w stanie produkować np. obiekty o podwójnych ściankach, takie jak elementy z wewnętrznymi kanałami chłodzenia. Głowica drukująca, wyposażona w sześć laserów o mocy 200 W, oprócz druku pojedynczego materiału przetwarza również dwa inne materiały metalowe w jednym drukowanym elemencie.

„Można użyć niemal każdego rodzaju materiału: stal szlachetna, tytan, stal narzędziowa, stopy niklu. Nasz partner ds. laserów – firma Meltio – pracuje obecnie nad drukowaniem z miedzi. Dzięki temu udział w projektach związanych z e-mobilnością jest w zasięgu ręki” – prognozuje Marc Steidinger.

Dyrektor generalny Marc Steidinger (po lewej) wraz z pracownikiem Lukasem Nillem sprawdza jakość druku 3D z metalu.

Zdaniem dyrektora zarządzającego HS Automation, odpowiedzialnego za techniczne zarządzanie projektem, do głównych obszarów zastosowań należy przede wszystkim produkcja części zamiennych, rozwój serii i technika medyczna. Podczas budowy prototypów użytkownicy mogą elastycznie dopasowywać parametry drukowania. Sztuczne kolana z tytanu i inne implanty medyczne będą w przyszłości indywidualnie dopasowywane do pacjenta dzięki drukowi 3D z metalu.

Wykorzystanie synergii: HS Automation jest partnerem systemowym KUKA od 2017 roku

Celem firmy HS Automation, zatrudniającej około 20 pracowników, jest produktywne wykorzystywanie automatyzacji w sektorze małych i średnich przedsiębiorstw (MŚP). Rolf Steidinger uważa to przedsiębiorstwo za silnego partnera z niemieckiego sektora MŚP: „Zautomatyzowaną produkcję u niektórych naszych klientów wspieramy już od 24 lat. Wspólnie opracowujemy przyszłościowe rozwiązania zgodne z najnowszym stanem wiedzy technicznej.”

Dzięki partnerstwu systemowemu KUKA, które rozpoczęło się w 2017 roku, oba przedsiębiorstwa wykorzystują swoje zalety w sposób zorientowany na rozwiązanie i przynoszący zyski: bezpośredni dostęp do praktycznych wyzwań, specjalistyczne know-how branży, narzędzia z KUKA Robotic Republic oraz duże doświadczenie w aplikacji. Eksperci z firmy HS Automation opracowują i konstruują kompletne linie produkcyjne – od załadunku maszyn, dopasowania wymiarów i cięcia, poprzez zautomatyzowane docinanie, aż po skręcanie lub wbijanie gwoździ. Realizują oni także pojedyncze projekty, takie jak moduły do spawania punktowego. Przed uruchomieniem firma HS Automation korzysta również z produktów KUKA, takich jak KUKA.Sim, aby z sukcesem wdrożyć projekt. Dzięki temu eksperci mogą z wyprzedzeniem zaplanować wymiary przestrzeni, promienie ruchu i strefy bezpieczeństwa instalacji.