Prozessautomatisierung in der additiven Fertigung mit Robotik

Aktuell revolutioniert die additive Fertigung die Grenzen der Fertigbarkeit. Durch dieses neuar-
tige Verfahren ist es möglich, komplexe Bauteilgeometrien on-demand, lokal und speziell auf
die vorliegenden Bedürfnisse angepasst zu fertigen. Ein weiterer Vorteile ist die Möglichkeit
Geometrien herzustellen, die die benötigte Stabilität bei gleichzeitig optimalem Materialeinsatz
bietet. Gerade in Anbetracht der steigenden Individualisierung von Produkten ist die additive
Fertigung eine Schlüsseltechnologie. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Ver-
fahren entwickelt und untersucht, die dazu beitragen, dass die additive Fertigung in Zukunft
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automatisierter ablaufen kann.
Dazu zählen unter anderem die in-situ Beobachtung des Drucks sowie die Nachbearbeitung
nach Fertigstellung des Objekts. Bei der Drucküberwachung kommen sowohl optische als auch
akustische Sensoren zum Einsatz. Die Sensorwerte werden sowohl mit klassischer Bildverar-
beitung, aber auch mit neuronalen Netzen ausgewertet. Somit wird es möglich Fehler frühzeitig
im Druckprozess zu erkennen.
Die Druckdauer wird genutzt, um die exakte Position der Bauteile auf dem Druckbett zu
berechnen, sowie eine Entnahmereihenfolge zu bestimmen, um die Bauteile nacheinander zu
entnehmen. Hierbei dürfen weder die gedruckten Objekte noch der Drucker selbst beschädigt
werden. Mit Hilfe von speziell entworfenen Greiferbacken werden die Objekte von einem
Roboter aus dem Drucker von der Druckplatte genommen.
Nach der abgeschlossenen Entnahme kann der Drucker einen neuen Auftrag starten und die
Nachbearbeitung der Objekte kann durchgeführt werden. In den allermeisten Fällen werden die
Objekte mit Stützstrukturen gedruckt. Diese werden dazu benötigt überhängende Elemente zu
stützen, damit diese während des Prozesses stabil in Form bleiben. Hierfür wird auf Basis der
CAD- und der Druckdaten diejenigen Stellen am gedruckten Objekt ermittelt, die ausschließlich
gedruckt wurden, um ein hochwertiges Druckergebnis zu erhalten. Zwei unterschiedliche
Ansätze zur Entfernung der Stützstruktur werden umgesetzt und untersucht. Einmal befindet
sich das Werkzeug am Roboter Endeffektor und das Objekt ist fest montiert und einmal ist es
genau andersrum. In beiden Fällen wird mit Hilfe einer Pfadplanung ein Pfad geplant, der es
ermöglicht die Strukturen ohne Beschädigung des Bauteils zu entfernen und so einen direkten
Einsatz des Objektes ermöglicht.

Additive manufacturing is currently revolutionizing the limits of manufacturability. This novel
process makes it possible to manufacture complex component geometries on-demand, locally
and specifically to the needs at hand. Another advantage is the possibility to implement geo-
metries that provide the required stability while at the same time using an optimal amount
of material. Especially in view of the increasing individualization of products additive ma-
nufacturing is a key technology. In the present work, various approaches are developed and
investigated that will help to make additive manufacturing more automated in the future.
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Therefore, the printing process has to be monitored and the final print result has to be post-
processed. These include in-situ observation of the print with the help of optical and acoustic
sensors. The sensor values of these are evaluated both with classical image processing, but
also with neural networks. Making it possible to detect errors at an early stage in the printing
process.
For the post-processing several steps are necessary. While the object is printed, the exact
position of the objects on the build plate can be calculated and an unloading sequence can be
determinded. The order is important to remove the printed objects one after the other without
damage the objects or the printer itself. Using spefifically designed gripper jaws, the printed
objects are removed from the build plate by a robot without harming it.
After the unloading is completed, the printer can start a new job and the post-processing of the
objects can be performed. In the vast majority of cases, the objects are printed with support
structures, which are needed to support overhanging elements so that they remain stable in
shape during the fabrication process. For this purpose, based on the CAD model file and the
print data, those areas on the printed object are determined that were exclusively printed in
order to obtain a high-quality print result. Two different approaches are implemented and
investigated. In one approach the post-processing tool is mounted at the robot tool center point
and the object is fixed and in the other approach it is vice versa. In both cases, path planning is
used to plan a path that allows the structures to be removed without damaging the part, thus
allowing the object to be used directly.