Automatisierungstechnik-Wirtschaft
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Um in der modernen Fertigung Prototypen schnell, kostengünstig und ohne Umwege in Musterteile umzusetzen, wird sehr oft auf die Fertigungsmethode „Rapid Prototyping“ zurückgegriffen. Eine Form dieses Verfahrens ist die Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF), bei der das Werkstück schichtweise durch den Auftrag eines thermoplastischen Kunststoffes aufgebaut wird. Eine einfache Möglichkeit, Bauteile nach dem FFF-Verfahren herzustellen, bietet der Dreiachs-3D-Druck, für welchen sich bei anspruchsvolleren Bauteilen jedoch wesentliche Einschränkungen, wie etwa aufwendige Stützstrukturen oder optische Fehler, ergeben.
Ziel dieser Masterarbeit ist es zu überprüfen, ob sich die Einschränkungen eines Dreiachssystems durch den Einsatz eines Industrieroboters mit sechs zur Verfügung stehenden Achsen verbessern oder ganz beseitigen lassen. Dieser soll die Methode des „bewegten Werkstückes“ nutzen, wodurch sich das Bauteil an der kinematischen Kette des Roboters befindet und dieser zu einer stillstehenden Druckeinrichtung verfährt. Um das Ziel zu erreichen, wird ein Industrierobotersystem innerhalb einer rechnerunterstützten Fertigung (Computer-Aided Manufacturing, CAM) aufgebaut, mit welchem für definierte Bauteile Fertigungsoperationen, Simulationen sowie Validierungen durchgeführt werden. Am Ende wird durch einen Postprozessor ein ausführbarer Maschinencode erstellt, mit welchem Druckversuche am realen Robotersystem durchgeführt werden.
Das Resultat der Arbeit zeigt, dass sich durch dieses Mehrachssystem viele Vorteile in Bezug auf den konventionellen 3D-Druck sowie neue Anwendungsfelder ergeben, wodurch eine Weiterentwicklung für die Zukunft in jedem Fall Sinn macht.
Entwicklung von Endeffektoren mit integrierter Sensorik und Aktorik mittels additiver Fertigung
(2022)
Die Masterarbeit behandelt das Thema rund um Robotergreifer, die direkt mit additiver Fertigung hergestellt werden. Zu Beginn dieser Arbeit wird der Stand der Technik erarbeitet: Es wird geklärt welche Sensoren und Aktoren in konventionellen Greifersystemen eingesetzt werden. Im Anschluss an die theoretische Aufarbeitung herkömmlicher Endeffektoren werden 3D- Druck- Verfahren im Kunststoffbereich vorgestellt. Dieses Kapitel soll einen Überblick über die gängigsten Verfahren in diesem Bereich geben und dem Leser auf die nachfolgenden Kapitel vorbereiten. In diesem Kapitel wird neben den einzelnen Druckverfahren, auch auf die Multimaterialfähigkeiten der einzelnen Drucktechnologien eingegangen. Das Kapitel wird mit einer kleinen Übersicht über die Verfahren abgeschlossen und danach wird in das nächste Kapitel übergeleitet. Dieses hat zum Ziel die Anwendung des 3D-Drucks theoretisch zu beschreiben. Vordergründig wird hier die Verwendung von FFF-Druckern und SLA- Druckern beschrieben. Abschließend werden im Überkapitel „Stand der Technik“ geeignete Sensorik und Aktorik für additiv gefertigte Endeffektoren recherchiert und dargestellt. Diese Recherche stellt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll auf den nachfolgenden praktischen Teil vorbereiten. Den Abschluss der theoretischen Kapitel bildet die Entwicklungsmethodik, welche idealerweise für den 3D- Druck verwendet werden sollte. Der darauffolgende praktische Teil beginnt mit Teillösungen, die zunächst in diesen Abschnitten entworfen werden. Alle Teillösungen werden dann real umgesetzt und die erhaltenen Daten sind in den Abschnitten entsprechend dargestellt. Hierbei gibt es sowohl Sensor- Lösungsansätze als auch Aktor- Lösungsansätze. Anhand dieser Teillösungen werden dann zwei Demo- Anwendungen konzipiert und umgesetzt. Die Umsetzungen sind in den vorgesehenen Abschnitten dargestellt. Abschließend werden die umgesetzten Teillösungen nochmal übersichtlich in einem Systembaukasten dargestellt, welcher in etwaigen nachfolgenden Arbeiten erweitert werden kann.
Der Begriff 3D-Druck hat in den letzten Dekaden Eingang in das Wortrepertoire der Gesellschaft gefunden. Eine Vielzahl verschiedener additiver Fertigungsmethoden sind in dieser Zeit entstanden. Um den auf Spulen gewickelten, speziell für das Fused Filament Fabrication Verfahren (FFF) in Form gebrachten Kunststoff vor der Verarbeitung zu trocknen, werden z.B. bereits aus dem Spritzguss bekannte technische Lösungen herangezogen und entsprechend angepasst. Die Problematik von zu feucht verarbeitetem Kunststoff ist schon aus anderen Fertigungsmethoden wie dem Spritzguss und der industriellen Extrusion bekannt, weshalb auch die Vortrocknung der Materialien hier bereits untersucht wurde. Die Vortrocknung von auf Spulen aufgewickeltem Filament für den 3D-Druck hingegen wurde erst wenig untersucht. Das ist der Ausgangspunkt für das Forschungsziel dieser Arbeit: Es gilt eine Vortrocknungslösung für hygroskopische, technische Kunststoffe in Filamentform wie Polyamid zu entwickeln, deren Preis- / Leistungsverhältnis mit marktüblichen Verfahren konkurrieren kann. Um die Anlage auslegen zu können, wird in dieser Arbeit das Trocknungs- und Absorptionsverhalten der Filamentspulen untersucht. Zusätzlich wird auf die Frage der minimal nötigen Trocknungszeit in der entworfenen Anlage eingegangen. Die Auswertungen der Versuchsreihe zeigen eine beträchtliche Zunahme der Trocknungszeit von der äußersten zur innersten Spulenschicht, und dass für eine ausreichende Trocknung je nach Ausgangsfeuchte mehrere zig Stunden erforderlich sind. Aufgrund der Menge an Wasser, die im Zuge der Trocknung nach außen transportiert wird, ist bei größeren Mengen von zu trocknendem Kunststoff ein Austausch der Luft in der Trockenkammer ratsam. Aus diesem Grund wurde als Trocknertyp ein Umlufttrockner mit Zu- und Abluftklappensteuerung entwickelt. Weiterführende Forschungen könnten sich mit der Thematik der maximal zulässigen Feuchte unterschiedlicher Kunststoffe vor der Verarbeitung wie auch mit den Auswirkungen der Zufuhr von in vielen Betrieben vorhandener Trockenluft beschäftigen.