Gelenkarmroboter druckt 3D++

09.05.2019

3D-Drucker für die additive Fertigung drucken fast ausnahmslos in einer ebenen, horizontalen Fläche. Aber wie druckt man, wenn die Fläche gekrümmt im Raum liegt?

Der Frage sind wir im Lehrgebiet Automatisierungstechnik und Systemtechnik im Rahmen eines Forschungsprojektes etwas detaillierter auf den Grund gegangen. In einem einjährigen Forschungsprojekt wurde ein 6-Achs-Gelenkarmroboter mit einem Werkzeug für die Extrusion von Thermoplasten ausgestattet und eine entsprechende Applikation entwickelt.

Die überwiegende Mehrheit handelsüblicher 3D-Drucker besitzt eine kartesische Kinematik. Das bedeutet, dass drei Positionierachsen senkrecht zu einander angeordnet sind und die Steuerung des 3D-Druckers mit vergleichsweise einfachen Berechnungen den Druckkopf positionieren kann. Für additive Fertigungsverfahren sehr typisch ist das Aufbringen von Material in ebenen, horizontalen Flächen. Ebene Bewegungen lassen sich mit zwei orthogonalen Achsen leicht realisieren. Den vertikalen Aufbau übernimmt dann eine dritte nur schrittweise verfahrende dazu orthogonale Achse.

Darüber hinaus gibt es zahlreiche weitere Kinematiken für 3D-Drucker, wobei jede Kinematik spezifische Vor- und Nachteile aufweist. Sie werden aufgrund der Nachteile gegenüber der kartesischen Kinematik aber vergleichsweise selten genutzt.

Die Verwendung eines 6-Achs-Gelenkarmroboters für den 3D-Druck ist eine große Ausnahme, da ein solches Robotersystem nicht nur sehr teuer ist, sondern auch noch zahlreiche Nachteile gegenüber einer klassischen kartesischen Kinematik besitzt. Die wesentlichen Fragen sind daher: Warum sollte man einen 6-Achser für diese Aufgabe einsetzen und kann man mit diesem einen solchen Prozess überhaupt beherrschen?

Die Beantwortung der ersten Frage ist recht einfach. Das 3D-Drucken ist ein Drucken in der Ebene, wobei die dritte Dimension durch das wiederholte Aufbringen in horizontalen Ebenen erreicht wird. Es gibt jedoch Geometrien, bei denen ein Aufbringen von Werkstoffen auf eine dreidimensionale Fläche erhebliche Vorteile bringt. CFK- und GFK-Leichtbauteile können hier beispielhaft genannt werden.

Zur Beantwortung der zweiten Frage wurde einer der im Labor für Automatisierungstechnik verfügbaren Leichtbauroboter um ein Extrusionswerkzeug und verschiedene Hard- und Softwarekomponenten so erweitert, dass der Roboter die für das Fused-Layer-Modelling Verfahren erforderlichen Bewegungen ausführen kann. Dabei wurde in diversen Versuchen nachgewiesen, dass die Versuchsanlage in der Lage ist klassische horizontale Ebenen zu drucken, als auch gekrümmte Flächen im Raum. Die Arbeitsergebnisse wurden in vorbereitenden Forschungsaktivitäten, die von Prof. Dr. Björnsson unterstützt wurden, und einer anschließenden Masterthesis erarbeitet.

In weiteren Forschungsprojekten sollen die Softwarekomponenten erweitert werden, die erforderlich sind, um die Bahntrajektorien unter Berücksichtigung der Technologie zu berechnen, und die Grenzen des Systems im Experiment erprobt werden.

Prof. Dr.-Ing. Elmar Engels
Bildquellen: E.Engels

zurück