3D-metaalprinten zonder steunstructuren

HS Automation heeft, in samenwerking met KUKA, een lasercel voor de additieve productie van metaal ontwikkeld. De laserlasprocedure met de KR IONTEC maakt een economische en materiaalbesparende productie van complexe metalen onderdelen mogelijk.

Robots van KUKA revolutioneren de additieve metaalproductie van complexe structuren

De uitdagingen in de metaalindustrie nemen toe: met een nieuwe manier van 3D-metaalprinten in een modulaire automatiseringscel verleggen HS Automation en KUKA gemeenschappelijk de grenzen. De 3D-metaalprinter bestaat uit een robot van de productfamilie KR IONTEC en een kantelbare draaitafel die synchroon met de robotarm en overeenkomstig de specificaties voor de werkstukken beweegt. Zes laslasers aan het einde van de drukkop van Meltio smelten de toegevoerde draad nauwkeurig op het materiaal van de drager c.q. op het werkstuk dat geproduceerd wordt. Het geproduceerde onderdeel hoeft niet of slechts minimaal nabewerkt te worden. De ontwikkelaars van de installatie weten met de samenwerking een minimale hoeveelheid afvalmateriaal en lage productiekosten bij bijna onbegrensde ontwerpmogelijkheden te realiseren. Dankzij de technologie ontstaan werktuigen, onderdelen en vrije vormen met de materiaaleigenschappen van roestvrij staal, titanium, inconel en bouwstaal. Het 3D-printen van koper zal volgens deskundigen ook binnen afzienbare tijd mogelijk zijn.

Dit maakt ook het 3D-printen van bionische constructies en complexe structuren mogelijk, die bij de bouw van lichtgewichtconstructies en prototypes worden gebruikt. De middenstand profiteert van een snelle productie van reserveonderdelen en een besparing op energie en materiaal. Het gebruik van innovatieve softwareoplossingen zoals KUKA.CNC maakt de technologie nog aantrekkelijker voor kleine en middelgrote bedrijven. Dankzij KUKA.CNC kunnen structuren, die eerder met CAD-software of een CAM-systeem werden ontworpen, direct worden bewogen – zonder het CAD-bestand in de KUKA Robot Language (KRL) om te hoeven zetten.

De automatiseringsexpert HS Automation is gevestigd in het Zuid-Duitse Vöhringen en werkt sinds 2017 samen met KUKA.

Hoe werkt 3D-printen voor metaal met de robots van KUKA?

Op het gebied van de additieve productie van metaal worden innovaties vrijwel elke minuut gecreëerd. Het doel is om vanaf een batchgrootte van 1 kostenefficiënt te produceren, het materiaalverbruik te reduceren en de nabewerkingstijd te verminderen. De automatiseringsexpert HS Automation voldoet aan deze eisen aan een moderne productie in de metaalindustrie met de 3D-laserlascel. De 3D-printer last laag voor laag op een werkstukdrager.

De additieve productietechnologie profiteert van de ruimtelijke beweeglijkheid van de robot en de kanteltafel.

In tegenstelling tot het lasersinteren wordt de drager niet neergelaten, maar beweegt de robotarm de laser synchroon met de kantelbare draaitafel waarop de drager is gemonteerd. De DKP-400 V2, die eveneens door KUKA is ontwikkeld, positioneert het werkstuk zodanig dat de printkop altijd op de juiste positie nieuw materiaal erop kan lassen. Hierdoor groeit het vooraf ontworpen 3D-object laag voor laag. Steunstructuren zoals deze bij het conventionele 3D-metaalprinten worden gebruikt, zijn hierdoor overbodig – net als het poedermanagement, dat bij andere 3D-laserprinters of bij het metaal-lasersinteren noodzakelijk is. Een ander verschil zijn de afmetingen van de geproduceerde onderdelen: conventionele toepassingen hebben een beperkte grootte van ca. 50 bij 50 cm. De technologie van HS Automation maakt ook de productie van grote onderdelen mogelijk.

De laser van het 3D-metaalprintsysteem brengt lagen met een dikte van 2 mm aan.

Kansen en perspectieven van het 3D-metaalprinten

Het gebruik van de absoluut nauwkeurige robot garandeert een precisie die de metaalprinttoepassing onderscheidt van de concurrentie. "Met de robotoplossing breiden we de productiemogelijkheden aanzienlijk uit", aldus Rolf Steidinger, managing director en commercieel directeur van HS Automation, over het potentieel van de 3D-metaalprinter. De procedure lost bijvoorbeeld problemen met reserveonderdelen op, omdat niet meer beschikbare bouwdelen gewoon zelf geproduceerd kunnen worden.

Als een onderdeel niet conventioneel kan worden geproduceerd, is het gebruik van dit apparaat onvermijdelijk.

Rolf Steidinger, managing director HS Automation

Bij conventioneel geproduceerde onderdelen overtuigt de procedure met lagere kosten en een productiviteit die vier keer zo hoog is. Het laseroplassen reduceert zowel de materiaalkosten als de nabewerkingstijd in vergelijking met het frezen of draaien uit een compleet metalen blok. Het besparingspotentieel ligt in dit geval bij ca. 98 procent van het materiaal. Deze sterke punten werpen hun vruchten met name in de werktuigbouw, de bouw van speciale installaties of de productie van prototypes af. De productie, de test en de optimalisering van onderdelen met een geoptimaliseerde stroming, bijvoorbeeld voor windturbines, worden zo enorm versneld.

Managing director en commercieel directeur Rolf Steidinger voorziet een grote toekomst voor de technologie van het 3D-metaalprinten.

Voordelen van de additieve productie voor metaal

De innovatieve combinatie van robot, kanteltafel en laserprintkop zet nieuwe normen in het 3D-metaalprinten.

Maximale vrijheid bij de vormgeving

De additieve metaalproductie loont vooral daar waar complexe structuren of dubbelwandige objecten vereist zijn.
Optimale microstructuur

De 3D-metaalprinter bouwt objecten met een wanddikte van 2 mm op. Het apparaat maakt ook de productie van werkstukken van massief materiaal (metaal of legeringen) mogelijk.
Kostenefficiënt en duurzaam

De procedure overtuigt met een productiviteit die vier keer zo hoog is en een kostenbesparing van 90 procent in vergelijking met de conventionele productie.
Efficiënt materiaalgebruik

Het metaalafval wordt, in vergelijking met frezen, tot een minimum beperkt. Het 3D-printen functioneert zonder steunstructuren of metaalpoeder.

De voor het 3D-metaalprinten gebruikte robot werkt in een lasercel die 5 bij 4 bij 4 meter groot is.

3D-metaalprinten voor de branches van de toekomst: e-mobiliteit en medische techniek

De precisie van het robotgeleide laseroplassen tilt de vertrouwde toepassing van het metaalprinten naar een nieuw niveau. Het robotsysteem is bijvoorbeeld in staat om dubbelwandige objecten zoals bouwdelen met interne koelkanalen te produceren. De printkop met zes lasers van 200 watt verwerkt, naast het printen van individueel materiaal, ook twee verschillende metaalmaterialen in één drukstuk.

"Bijna elk materiaal kan worden verwerkt: roestvrij staal, titanium, gereedschapsstaal, nikkellegeringen. Onze laserpartner Meltio werkt momenteel aan het printen van koper. Daarmee ligt het gebruik ook voor e-mobiliteitsprojecten binnen handbereik", voorspelt Marc Steidinger.

Directeur Marc Steidinger (links) controleert met medewerker Lukas Nill de kwaliteit van de 3D-metaalprint.

De managing director van HS Automation, verantwoordelijk voor de technische leiding van het project, ziet toepassingsgebieden met name in de productie van reserveonderdelen, de ontwikkeling van series en in de medische techniek. Bij de bouw van prototypes profiteren gebruikers van de volledig flexibele aanpassing van de printparameters. Kunstmatige kniegewrichten van titanium en andere medische implantaten worden dankzij het 3D-metaalprinten in de toekomst individueel aangepast aan de patiënt.

Synergieën benutten: HS Automation is sinds 2017 systeempartner van KUKA

HS Automation streeft met zijn ca. 20 medewerkers ernaar om de automatisering ook voor andere kleine en middelgrote bedrijven productief bruikbaar te maken. Rolf Steidinger ziet het bedrijf als partner van een krachtige, duurzame middenstand in Duitsland: "Enkele van onze klanten ondersteunen we al ruim 24 jaar bij de geautomatiseerde productie. Samen werken we permanent aan toekomstgerichte oplossingen volgens de nieuwste stand van de techniek."

In het kader van het KUKA-systeempartnerschap, dat sinds 2017 bestaat, benutten beide bedrijven oplossingsgeoriënteerd en winstgevend elkaars sterke punten: directe toegang tot praktische uitdagingen, branchespecifieke knowhow, tools uit de KUKA Robotic Republic en ruime ervaring in toepassingen. De experts van HS Automation ontwerpen en bouwen complete productielijnen – van het beladen van machines, het invoeren van afmetingen en het op maat snijden door middel van geautomatiseerd zagen tot het vastschroeven of het vastspijkeren. De experts tekenen ook verantwoordelijk voor afzonderlijke projecten zoals puntlascellen. Vóór de inbedrijfstelling gebruikt HS Automation ook producten van KUKA zoals KUKA.Sim om het succes van het project veilig te stellen. De experts plannen hiermee van tevoren de afmetingen van de ruimte, de bewegingsradiussen en de veiligheidsbereiken van de installatie.