3D-framställning av metall utan stödstrukturer

HS Automation utvecklade i samarbete med KUKA en lasercell för additiv metalltillverkning. Lasersvetsningen med KR IONTEC möjliggör en kostnadseffektiv och materialskonsam tillverkning av komplexa metalldelar.

KUKA-robotar revolutionerar den additiva metalltillverkningen av komplexa strukturer

Utmaningarna inom metallindustrin ökar: Med en ny typ av 3D-metallframställning i en modulär automationscell sätter HS Automation och KUKA nya måttstockar. 3D-framställningssystemet för metall kombinerar roboten från KR IONTEC-serien med ett vridtippbord som rör sig synkront mot robotarmen enligt arbetsstyckets specifikationer. Sex svetslasrar i slutet av tryckhuvudet på Meltio smälter den tillförda tråden precist på hållarmaterialet eller arbetsstycket som uppstår. Den färdiga komponenten behöver knappt bearbetas, om ens alls. Anläggningsutvecklare får minimala materialavfall och låga produktionskostnader med nästan obegränsade konstruktionsmöjligheter tack vare samarbetet. Tekniken skapar verktyg, delar och friformer med materialegenskaperna hos rostfritt stål, titan, inconel och byggstål. Enligt experterna kommer snart även 3D-framställning av koppar att vara möjligt.

Detta möjliggör också 3D-framställning av bioniska konstruktioner och komplexa strukturer som används i lättviktskonstruktioner och prototypkonstruktioner. Små och medelstora företag drar nytta av snabb reservdelsproduktion och sparar både energi och material. Användning av innovativa programvarulösningar som KUKA.CNC gör tekniken ännu mer attraktiv för små och medelstora företag. Tack vare KUKA.CNC kan strukturer som tidigare utformats med CAD-programvara eller CAM-system köras direkt – utan att CAD-filen behöver omvandlas till KUKA Robot Language (KRL).

Automationstjänsteleverantören HS Automation har sitt säte i Vöhringen, i den tyska delstaten Baden-Württemberg, och har samarbetat med KUKA sedan 2017.

Hur fungerar 3D-framställning för metall med KUKA-robotar?

Inom additiv tillverkning av metall uppstår innovationer i minuttempo. Målet är att producera kostnadseffektivt från och med första batchstorleken, att minska materialförbrukningen, men också att minska efterbearbetningstiden. Automatiseringsexperten HS Automation uppfyller dessa krav för modern tillverkning inom metallindustrin med 3D-lasersvetscellen. 3D-framställaren svetsar lager för lager på en arbetsstyckeshållare.

Den additiva tillverkningstekniken drar nytta av robotens och tippbordets rörlighet.

Till skillnad från lasersintring sänks inte hållaren, utan robotarmen flyttar lasern synkront till det vridtippbord som hållaren är monterad på. DKP-400 V2, som också utvecklats av KUKA, positionerar arbetsstycket så att tryckhuvudet alltid kan svetsa nytt material på rätt ställe. Lager för lager växer sig det i förväg utformade 3D-objektet fram. Stödstrukturer som de är vanliga vid konventionell 3D-framställning blir därmed obsoleta – liksom pulverhantering som drabbar andra 3D-laserframställare eller vid metallasersintring. En annan skillnad är dimensionen på de producerade delarna: Konventionella tillämpningar har en begränsad storlek på ca 50 till 50 cm. HS Automation-tekniken producerar också stora delar.

Lasern i 3D-metallframställningssystemet bär på lager en väggtjocklek på 2 mm.

Chanser och möjligheter med 3D-metallframställning

Användning av den absolut uppmätta roboten garanterar den noggrannhet som skiljer metalltryckstillämpningen från den befintliga konkurrensen. ”Med robotlösningen utökar vi tillverkningsmöjligheterna enormt”, säger Rolf Steidinger, vd och affärschef på HS Automation, om 3D-metallframställarens potential. Metoden löser till exempel reservdelsproblemet, eftersom otillgängliga delar nu kan tillverkas på egen hand.

När en del inte kan tillverkas på konventionellt sätt är denna maskin oumbärlig.

Rolf Steidinger, vd för HS Automation

För konventionellt tillverkningsbara delar övertygar processen genom lägre kostnader och fyra gånger högre produktivitet. Laserapplikationssvetsning minskar både materialförbrukningen och efterbearbetningstiden jämfört med fräsning eller svarvning från ett helt metallblock. Besparingspotentialen ligger här på upp till 98 procent av materialet. Dessa styrkor bevisas framför allt inom verktygsbyggnad, specialanläggningskonstruktion eller tillverkning av prototyper. Tillverkning, testning och optimering av strömoptimerade komponenter, t.ex. vindkraftverk, accelereras enormt.

Vd och säljchef Rolf Steidinger ser enorm potential inom tekniken för 3D-metallframställning.

Fördelar med additiv tillverkning för metall

Den innovativa kombinationen av robot, tippbord och lasertryckhuvud sätter nya standarder inom 3D-metallframställning.

Maximal konstruktionsfrihet

Additiv metalltillverkning lönar sig särskilt där komplexa strukturer eller objekt med dubbelväggar krävs.
Optimal mikrostruktur

3D-metallframställaren bygger upp objekt med en väggtjocklek på 2 mm. Enheten tillverkar även arbetsstycken av metall resp. legeringar.
Kostnadseffektiv och hållbar

Processen övertygar genom fyra gånger högre produktivitet och kostnadsbesparingar på 90 procent jämfört med konventionell tillverkning.
Effektiv materialanvändning

Mängden metallavfall minskar drastiskt jämfört med fräsning. 3D-framställningen fungerar utan stödstrukturer eller metallpulver.

Roboten som används för 3D-metallframställningen arbetar i en lasercell som mäter 5 till 4 till 4 meter.

3D-metallframställning för framtidsbranscher: E-rörlighet och medicinsk teknik

Precisionen i den robotstyrda laserapplikationssvetsningen höjer den kända tillämpningen av metallframställningen till en ny nivå. Robotsystemet kan t.ex. tillverka objekt med dubbelväggar som komponenter med invändiga kylkanaler. Tryckhuvudet med sex lasrar på 200 Watt vardera bearbetar förutom det enskilda materialtrycket även två olika metallmaterial i en tryckdel.

”Nästan alla material kan bearbetas: Rostfritt stål, titan, verktygsstål, nickellegeringar. Vår laserpartner Meltio arbetar för närvarande med kopparframställning. Därmed kommer även användningen av e-mobilitetsprojekt allt närmare”, förutspår Marc Steidinger.

Vd Marc Steidinger (vänster) kontrollerar med medarbetaren Lukas Nill kvaliteten på 3D-framställningen av metall.

Chefen för HS Automation, som ansvarar för projektets tekniska ledning, ser användningsområden framför allt inom reservdelstillverkning, serieutveckling och medicinsk teknik. I prototyptillverkningen drar användare nytta av den helt flexibla anpassningen av tryckparametrarna. Artificiella knäleder av titan och andra medicinska implantat anpassas i framtiden till patienten tack vare 3D-metallframställning.

Utnyttja synergier: HS Automation är KUKA-systempartner sedan 2017

HS Automation strävar med sina ca 20 anställda efter att göra automatisering produktivt även för andra små och medelstora företag. Rolf Steidinger ser företaget som partner till en effektivare och mer hållbar miljö för tyska medelstora företag: ”Några av våra kunder har vi hjälpt med automatiserad produktion i hela 24 år. Tillsammans utvecklar vi ständigt framtidsinriktade lösningar.”

Som en del av KUKAs systempartnerskap, som har funnits sedan 2017, drar de båda företagen nytta av varandras styrkor: direkt tillgång till praktiska utmaningar, branschspecifik expertis, verktyg från KUKA Robotic Republic och hög tillämpningserfarenhet. Experterna på HS Automation designar och bygger kompletta tillverkningslinjer – från maskinlastning, matning av mått och utskärning via automatiserad sågning till skruvning eller spikning. De genomför även enskilda projekt som punktsvetsceller. Före idrifttagningen använder HS Automation dessutom KUKA-produkter som KUKA.Sim för att säkerställa projektets framgång. Experterna planerar därmed anläggningens rumsmått, rörelseradier och säkerhetsområden i förväg.