Prozessketten verkürzen

Um ein komplex geformtes Werkzeug entsprechend zu veredeln, müssen mehrere Prozesse verkettet werden. Dies erfordert bislang die Umspannung des Werkstücks. Durch die Zusammenführung mehrerer Bearbeitungsprozesse in eine hybride Fertigung auf einer Maschine soll eine neue Möglichkeit erarbeitet werden, solche Prozessketten zu verkürzen, ohne die Fertigungsqualität oder die Vielfalt der Eigenschaften des Produktes einzuschränken.

Das Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen entwickelt gemeinsam mit dem Fraunhofer Institut für Produktionstechnik (IPT) und dem Werkzeugmaschinenhersteller Chiron ein fünfachsiges Bearbeitungs-zentrum, in das sowohl Roboter- als auch Lasertechnologie integriert werden. So kann ein fünfachsig gefrästes Halbzeug ohne Umspannvorgänge mit weiteren Prozessschritten bearbeitet werden.

Bei Werkzeugen für Stanzprozesse werden Stege und andere filigrane Teile stark beansprucht. Eine längere Standzeit des Werkzeugs kann erreicht werden, indem es aus verschleißbeständigeren Materialien gefertigt wird.

Um dazu nicht das gesamte Werkzeug aus einem möglicherweise schwer zerspanbaren Werkstoff fertigen zu müssen, können durch Laserauftragschweißen die einzelnen Funktionskanten gezielt aufgepanzert oder kleinere Teilformen des Werkzeuges generativ auf dem Werkzeug aufgebaut werden. Durch den iterativen Wechsel zwischen Laserauftragschweißen und Fräsbearbeitung ist eine flexible Reparatur oder Modifikation von hochbeanspruchten Werkzeugbereichen möglich.

Beim Laserauftragschweißen wird heute überwiegend mit der Zufuhr von pulverförmigen Werkstoffen gearbeitet. Mit dem Einsatz von drahtförmigen Zusatzwerkstoffen wird jedoch eine Kontamination der Maschine mit Pulverpartikeln vermieden. Somit reduzieren sich entsprechende Sicherheitsanforderungen. Drahtförmige Zusatzwerkstoffe ermöglichen außerdem ein Schweißgut mit exzellenten Werkstoffeigenschaften.

Die Erfahrung mit bisherigen Anlagen zeigte, dass die Präzision einer Werkzeugspindel zwar für die Bearbeitung der Endkontur und zum Planfräsen erforderlich ist, die Schweißarbeiten allerdings auch mit geringerer Bahngenauigkeit ausgeführt werden können. Daher wird in dem hybriden Bearbeitungszentrum die Fokussieroptik über einen Roboter geführt. Damit kann der Roboter den Laserauftragschweißprozess an einer Station ausführen, während die Werkzeugspindel auf einer zweiten Werkstückaufspannung hauptzeitparallel ihre präzise Fräsleistung erbringen kann. Die Fokussieroptik kann zu jeder Zeit außerhalb des Bearbeitungsbereichs geparkt werden. Der Roboter lässt sich so auch für Aufgaben des Werkstückhandlings an beiden Arbeitsstationen des Bearbeitungszentrums einsetzen. Insgesamt lassen sich auf diese Weise sowohl Roboter als auch Werkzeugspindel wirtschaftlicher auslasten.

Heutzutage sind Roboterlösungen beispielsweise für die spanende Bearbeitung von harten Werkstoffen am Markt erhältlich. Die Kombination eines bearbeitenden Industrieroboters mit einer Maschine in einem Arbeitsraum ist jedoch noch nicht Stand der industriellen Praxis. Dies könnte ein nächster Schritt in der integrativen Roboternutzung sein, so dass Roboter in der Maschine zukünftig auch direkt wertsteigernde Prozesse am Werkstück ausführen. Die gängigen Methoden zur softwareunterstützten Programmierung von Maschinen und Robotern ähneln sich insofern, als das erstellte Programm in einer 3D-Ansicht visualisiert wird und der Programmierer das Programm im Zusammenspiel mit der Software-Lösung anpassen kann. Allerdings hat sich für Industrieroboter die enge und meist untrennbare Kopplung von Roboter, Steuerung und Programmiersprache etabliert. Das führt dazu, dass die sogenannten Offline-Programmiersysteme für die Roboterprogrammierung ebenfalls nur vom jeweiligen Hersteller für seine Roboter bezogen werden können. Für die Programmierung einer bestimmten Anwendung muss das Umfeld am Einsatzort des Roboters aufwändig in der Programmiersoftware nachmodelliert werden und alle eventuellen Hindernisse und Werkstücke berücksichtigen.

CAD/CAM-Systeme zur Programmierung von Werkzeugmaschinen können für die Simulation von Bearbeitungsprogrammen auf Modelle der Maschinenhersteller zurückgreifen und müssen für die Erstellung eines NC-Programms die Umgebung nicht weiter berücksichtigen. Da oft der Kunde entscheidet, welche Steuerung in einer Werkzeugmaschine zum Einsatz kommen soll, kann ein Maschinenhersteller nicht wie die Roboterhersteller sowohl Steuerung als auch Programmiersprache vorschreiben.

Eine getrennte Programmierung von Roboter und Werkzeugmaschine ist für die zu entwickelnde Anlage ungeeignet, da insbesondere Interaktion und Kollisionsgefahr zwischen Maschine und Roboter bei einer getrennten Programmierung nicht erfasst werden können. Um die höhere Komplexität der Maschine beherrschen zu können, sollte somit ein angemessen leistungsfähiges Programmiersystem entwickelt werden. Um redundante Neuentwicklungen zu vermeiden, wird der Weg der Erweiterung bestehender CAD/CAM-Systeme gewählt. Ein Programmiersystem, das offene Schnittstellen bietet und bereits hochkomplexe Prozesse wie beispielsweise das fünfachsige Fräsen beherrscht, wird so erweitert, dass es die Programmierung von Roboter und Maschine in einem System ermöglicht. Die steuerungstechnische Systemintegration führt ferner zu Besonderheiten, die den hauptzeitparallelen Echtzeitbetrieb von Roboter und Werkzeugspindel erst ermöglichen. Diese sollen automatisch vom Programmiersystem berücksichtigt werden. Zusätzlich müssen Erweiterungen entwickelt werden, die die Planung und Umsetzung von neuen Fertigungsverfahren wie zum Beispiel das Laserauftragschweißen oder das Laserstrukturieren in dieser Kombination ermöglichen.

In der Hybridisierung von Roboter und Werkzeugmaschine sowie von spanenden und thermischen Prozessen wird die im Rahmen der Exzellenzinitiative entwickelte Maschine die Prozesskette für hochveredelte Produkte signifikant verkürzen. Vom Halbzeug bis zum aufgepanzerten, gehärteten, gegebenenfalls beschrifteten und oberflächenstrukturierten Werkzeug können alle Fertigungsschritte in einer Aufspannung realisiert werden. Mit neuartigen Erweiterungen wird die CAD/CAM-Software dabei helfen, das Potenzial dieser komplexen Anlage nutzbar zu machen.

www.wzl.rwth-aachen.de

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen; Dipl.-Ing. Dennis Do-Khac, Abteilung Steuerungstechnik und Automatisierung: Dipl.-Ing. Tobias Breitbach, Abteilung Maschinentechnik; Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke, Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Dipl.-Ing. Marko Spiegel, Abteilung Prozesstechnologie