Automatisierte Prozessplanung: Schneller drucken mit fünf Achsen

• Maschinen für die additive Fertigung (AM) entwickeln sich ständig weiter, aber die notwendige Software hält oft nicht mit.
• Das gilt besonders für Maschinen mit fünf Achsen.
• Deshalb haben Forschende der Penn State University eine Software für die automatisierte Prozessplanung entwickelt, die Geld, Zeit und Konstruktionsressourcen sparen soll.

Neuere Maschinen mit fünf Achsen sind so konstruiert, dass sie sich linear entlang einer x-, y- und z-Ebene bewegen und zwischen den Ebenen rotieren, damit die Maschine die Ausrichtung eines Objekts ändern kann, ein Fortschritt im Vergleich zu traditionellen Drei-Achsen-Maschinen, die keine Rotationsmöglichkeiten haben und die mit Stützstrukturen arbeiten. Eine solche Maschine kann Zeit und Kosten in der Fertigung sparen. Doch es fehlt der fünfachsigen AM an der Prozessplanung und Automatisierung, wie sie für dreiachsige Maschinen bereits verfügbar ist. Hier nun kommt die Entwicklung von Planungssoftware ins Spiel. „Fünf-Achsen-AM ist ein junges Gebiet, und die Software ist noch nicht da“, sagt Xinyi Xiao, eine im Sommer 2020 an der Penn State promovierte Wirtschaftsingenieurin, jetzt Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Fertigungstechnik an der Miami University in Ohio. „Im Wesentlichen haben wir eine Methode entwickelt, um Entwürfe automatisch von CAD-Software auf AM abzubilden, um unnötige Schritte zu vermeiden. Man spart Geld, indem man weniger Zeit für die Herstellung des Teils benötigt und auch weniger Materialien von dreiachsigen Stützstrukturen verwendet.“

Additive Fertigung auf Knopfdruck

Xiao führte diese Arbeit im Rahmen ihres Doktorandenprogramms im Penn State Harold and Inge Marcus Department of Industrial and Manufacturing Engineering unter der Leitung von Sanjay Joshi, Professor für Wirtschaftsingenieurwesen, durch. Ihre Forschung wurde im Journal of Additive Manufacturing veröffentlicht. „Wir wollen den Entscheidungsprozess für Fertigungsdesigns automatisieren, um zu einer ‚additiven Fertigung auf Knopfdruck‘ zu gelangen“, sagte Joshi. „Die Idee hinter der Software ist es, die fünfachsige AM vollautomatisch zu machen, ohne dass manuelle Arbeit oder Neuentwürfe eines Produkts nötig wären. Xinyi kam zu mir, wenn sie Anleitung brauchte oder Fragen hatte, aber letztendlich hatte sie den Schlüssel in der Hand.“

Der Algorithmus der Software bestimmt automatisch die Bereiche eines Teils und die Ausrichtungen der Bereiche. Daraus bestimmt die Software, wann jeder Bereich gedruckt wird und in welcher Ausrichtung innerhalb der Druckreihenfolge. Die Geometrie des Bauteils wird in einzelne Abschnitte zerlegt, die sich jeweils ohne Stützstrukturen drucken lassen. Während jedes Teil in der richtigen Reihenfolge hergestellt wird, kann sich die Maschine mit Achsendrehungen, das Teil neu ausrichten und den Druck fortsetzen. Xiao verglich dies mit der Arbeit mit Lego-Bausteinen.

Prozessplanung: Verschiedene Szenarien vor der Fertigung durchspielen

Der Algorithmus kann dabei helfen, die Prozessplanung eines Konstrukteurs zur Herstellung eines Teils zu abzubilden. Er gibt dem Designer die Möglichkeit, vor dem Druck Korrekturen oder Änderungen am Entwurf vorzunehmen, was die Kosten reduzieren kann. Der Algorithmus kann den Konstrukteur auch darüber informieren, wie machbar die Herstellung eines Teils mit Hilfe der stützenfreien Fertigung ist. „Mit einem Algorithmus braucht man nicht wirklich das Fachwissen des Anwenders, weil es in der Software steckt“, sagte Joshi. „Die Automatisierung kann dabei helfen, sehr schnell eine Reihe von verschiedenen Szenarien auszuprobieren, bevor man etwas auf der Maschine erstellt.“

Xiao will diese Forschung fortsetzen, da einige der wichtigsten Anwendungsbereiche dieser Technologie die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie sind. „Große Metallkomponenten können bei der traditionellen additiven Fertigung Tage dauern und durch die Verwendung von Stützstrukturen viel Material verschwenden“, sagte Xiao. „Die additive Fertigung ist sehr leistungsfähig und kann aufgrund ihrer Flexibilität viele Dinge herstellen; sie hat aber auch ihre Nachteile. Es gibt noch mehr zu tun.“

Bild: Algorithmen und Automatisierung: Neue Technologie schneller und billiger machen
Ein Bild eines mittels fünfachsiger additiver Fertigung gedruckten Metallteils.
Im Vergleich zur traditionellen additiven Fertigung von Metall enthält dieses Verfahren mehrere druckbare Volumina, die von verschiedenen Bauoberflächen mit unterschiedlichen Ausrichtungen ausgehen. Bildquelle: Xinyi Xiao

Weitere Informationen: https://www.psu.edu/

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