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Automatisierung

Das braucht die Fabrik der Zukunft

Die intelligente Fabrik ist aus Sicht von EOS ganzheitlich verknüpft. Warum dabei der 3D-Druck eine wesentliche Rolle einnimmt.

Die industrielle Produktion durchläuft einen grundlegenden Wandel. Im Rahmen von Industrie 4.0 findet neben zunehmenden Kooperationsmodellen entlang der gesamten Prozesskette auch eine stetige Digitalisierung der Fertigung statt. Das Zielbild ist die ganzheitlich digital verknüpfte und intelligente Fabrik. In dieser Fabrik der Zukunft spielt aus der Sicht von EOS  – neben Technologien wie Sensorik, Robotik oder Maschine-zu-Maschine-zu-Mensch-Kommunikation – der industrielle 3D-Druck eine Schlüsselrolle. Entsprechend wächst der Markt für industrielle 3D-Druck-Lösungen stetig, Dieses starke Wachstum gilt sowohl für Systeme zur Verarbeitung von Metall- als auch Polymerwerkstoffen und unterstreicht einen immer wichtiger werdenden Aspekt: den steigenden AM-Einsatz für die Serienproduktion.

Die additive Serienfertigung wird Realität

Der industrielle 3D-Druck habe laut EOS einen Reifegrad erreicht, der es Kunden ermögliche, Komponenten und Endteile in Serie herzustellen. Das liege vor allem an dem robusten und stabilen AM-Bauprozess, der mittlerweile möglich sei. So könnten heute Bauteile mit einer sehr hohen Qualität additiv gefertigt werden – und das reproduzierbar und zuverlässig. Der immer schneller werdende Bauprozess und eine zunehmende Automatisierung von vor- und nachgelagerten Prozessschritten sorgee gleichzeitig dafür, dass die Systeme stetig produktiver und letztlich die Stückkosten geringer würden.
Laut EOS ist beispielsweise gerade mit Blick auf den Serieneinsatz die Zusammenarbeit von EOS und Airbus Helicopters wegweisend. So plane Airbus Helicopters die additive Fertigung von Verriegelungswellen für die Türen des Passagierflugzeugs A350 und setze dafür auf EOS-Technologie. Das additive Bauteil sei um 45% leichter und um 25% günstiger in der Herstellung als das mit traditioneller Zerspanung gefertigte Ebenbild. Die Qualifizierung solle Ende 2018 erfolgen, die Serienfertigung  Anfang 2019 und 2020 sollen die ersten Bauteile zum Einsatz kommen.
Der Serieneinsatz allgemein bringt aber auch neue Kundenanforderungen mit sich und erfordert entsprechende Lösungen. Die lückenlose, effiziente Integration in bestehende Produktionsumgebungen, die Verbindung von industriellem 3D-Druck mit etablierten Fertigungstechnologien und die kontinuierliche Optimierung des Teile- und Datenflusses sind ebenfalls elementare Anforderungen. Kurz, es geht um die digitale Vernetzung von konventionellen und additiven Fertigungsverfahren.

Integration in die digitale Fertigungskette

Um 3D-Drucksysteme und Peripheriegeräte in die Fabriksteuerung integrieren zu können, werden Lösungen zur additiven Fertigung zunehmend softwareseitig mit den entsprechenden Schnittstellen, die Industriestandard sind, ausgestattet.
Diese Verzahnung beginnt bereits bei der Bauteilkonstruktion. Schon in dieser Phase ist es wichtig, ein ‚Design for Additiv Manufacturing‘ (DfAM) zu ermöglichen. Bei konventionellen, subtraktiven Fertigungsverfahren hat ein Konstrukteur die Fertigungsart für das spätere Bauteil – z.B. Gussteil (gleichmäßige Wandstärken) oder Blechteil (Mindest-Biegeradius) – bereits im Kopf und entwirft es entsprechend. Ähnlich sei es auch, wenn Bauteile für den industriellen 3D-Druck konstruiert werden. Möglichkeiten wie generatives Design und Topologieoptimierung sollten bereits in der Design-Umgebung auf den AM-Bauprozess ausgerichtet sein, um am Ende die geforderten Materialeigenschaften zu erreichen.
Die meisten CAX-Anbieter stellen heute eine einheitliche Umgebung bereit, in der konstruiert, simuliert und die Fertigungsvorbereitung durchgeführt werden kann. Hinzu kommt, dass sie über Schnittstellen verfügen, um ihre AM-Applikation zu erweitern. Ein Beispiel hierfür ist die Integration der EOS Software EOS Print 2 in die Siemens NX Software. Die Vernetzung mit der Siemens PLM Software bietet CAD/CAM Schnittstellen für Konstruktion und Fertigung. Anwender müssen dadurch auf Basis eines eng verzahnten Prozesses nur noch in einer Software-Umgebung arbeiten – von der digitalen Bauteilkonstruktion bis zum AM-Bauprozess. Durch Integrationen wie diese könne die additive Fertigung noch schneller, einfacher sowie vorhersagbar und damit zuverlässiger erfolgen. Das treibe die Verbreitung des industriellen 3D-Drucks insgesamt voran.
Ein weiterer entscheidender Punkt sei es, die Daten während und nach dem Produktionsprozess zugänglich zu machen und weiterzuverarbeiten. Das gelingt durch die Verbindung der 3D-Drucklösungen mit vorhandenen MES/ERP-Anwendungen. Aber auch die Unterstützung von neuen digitalen Marktplätzen und IoT-Plattformen werde immer relevanter. Mit EOS Connect beispielsweise können laut Hersteller alle gesammelten Maschinen- und Produktionsdaten in Echtzeit nutzbar gemacht werden. Dazu bietet EOS eine offene Schnittstelle, die entweder die Integration in intelligente EOS-Anwendungen zur Produktivitätssteigerung oder aber die Nutzung durch Drittanwendungen ermöglicht. Auf diese Weise werde die Grundlage für eine tatsächliche Integration additiver Fertigung in industrielle Produktionsumgebungen geschaffen.
Diese hohe Konnektivität bietet laut EOS zwei wesentliche Vorteile: Unternehmen können Produktionsdaten nahtlos an ihre CAQ-Systeme (Computer Aided Quality) übergeben für eine sichere und zuverlässige Nachverfolgbarkeit. Dies unterstütze Unternehmen bei der Validierung ihrer Produktionsprozesse als auch für die Qualitätskontrolle. Gleichzeitig profitierten Firmen von der Transparenz, die die Verfügbarkeit und Visualisierung produktionsbezogener Leistungskennzahlen in Echtzeit ermögliche. Letztlich helfe eine solch umfassende Konnektivität Unternehmen dabei, ihre Produktivität zu steigern.

Automatisierung der kompletten Prozesskette

Neben der Software-Einbindung wird auch die stetige Automatisierung des Teileflusses immer wichtiger, um den 3D-Druck in industriellem Maßstab einzusetzen. Die Hersteller von 3D-Drucksystemen haben diese Anforderung laut EOS erkannt und arbeiten an entsprechenden Lösungen – von der Zuführung des Werkstoffs über den eigentlichen AM-Bauprozess bis zu nachfolgenden Verarbeitungsschritten.
Wie eine solche Produktion aussehen kann, verdeutliche die Zusammenarbeit zwischen dem Luftfahrtzulieferer Premium Aerotec, dem Automobilhersteller Daimler und EOS. Im Zuge des gemeinsamen Projekts NextGenAM arbeiten die Unternehmen daran, den Gesamtprozess des industriellen 3D-Drucks weiter zu optimieren. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Gesamtsystems zur Herstellung von Bauteilen aus Aluminium für den Automobilbereich sowie die Luft-und Raumfahrt. Eine dafür jüngst errichtete Pilotanlage besteht aus Maschinen zur additiven Fertigung, zur Nachbearbeitung und zur Qualitätssicherung. Das Besondere: Der Großteil der einzelnen und das Zusammenspiel aller additiven und konventionellen Prozessschritte erfolge nun vollautomatisiert und integriert. Im Ergebnis würden so komplexe sowie leichte und gleichzeitig stabile Bauteile gefertigt, der hohe Automatisierungsgrad ist Basis für eine wirtschaftliche Produktion.
Kern der Pilotproduktionskette ist das Vier-Laser-System EOS M 400-4 zum metallbasierten industriellen 3D-Druck. Das System wird in Kombination mit den Peripherielösungen des Shared-Modules-Konzepts von EOS eingesetzt. So ist das System mit einer Pulverstation ausgestattet und mit einer allein stehenden Rüst- sowie Auspackstation verbunden. Im Ergebnis können laut EOS das Befüllen und Entleeren des Systems mit dem Werkstoff, das Rüsten des Systems zur Vorbereitung eines neuen Bauauftrags sowie das Auspacken der gefertigten Bauteile aus dem Pulverbett unabhängig vom und parallel zum eigentlichen AM-Bauprozess durchgeführt werden. Das steigere die Produktivität des Fertigungsvorgangs deutlich. Der Transport der additiv gefertigten Bauteile zwischen den einzelnen Stationen erfolge dabei vollautomatisiert und unter Schutzgas in einem Container auf einem fahrerlosen Transportfahrzeug.
Auch bei der anschließenden Nachbearbeitung gibt es bereits eine umfangreiche Automatisierung. Ein Roboter nimmt die Bauplattform mit den Bauteilen aus der Rüststation und legt sie zur Wärmenachbehandlung in einen Ofen. Derselbe Roboterarm entnimmt die Bauplattform anschließend wieder und bringt sie für die Qualitätssicherung zu einer 3D-Vermessungsstation. Abschließend gelangt die Bauplattform zu einer Säge, welche die Teile von der Plattform trennt. Damit sind die Bauteile bereit zur weiteren Nutzung.

Fazit und Ausblick

Durch Maßnahmen wie diese werde der industrielle 3D-Druck schrittweise in digitale Fertigungsketten integriert. Die konsequente Weiterentwicklung und Einbindung der Technologie in Produktions- und Lieferketten könne derzeitige Produktionsstrategien umkehren und die agile Verknüpfung von Produktionsplattformen ermöglichen. Wo heute etablierte Fertigungsketten auf Auslastung und Effizienz hin optimiert sind und gleichzeitig hohe Warenwerte über Lieferketten weltweit versendet werden, werde AM im Rahmen von Industrie 4.0 mehr Flexibilität und Agilität für intelligente Produktions- und Lieferketten ermöglichen. Damit entstehe eine hochgradig agile Fabrik der Zukunft, mit erhöhter Anpassungsfähigkeit an sich ändernde Marktanforderungen und -Schwankungen.

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