Neue Technik verbessert die Fertigungszeit für 3D-gedruckte Maschinenteile

Forschende der North Carolina State University haben eine Technik demonstriert, die es Anwendern, die Maschinenteile aus Metall mit 3D-Drucktechnologien herstellen, ermöglicht, während des Endbearbeitungsprozesses eine automatische Qualitätskontrolle der hergestellten Teile durchzuführen.

„Einer der Gründe, warum sich die Menschen für den 3D-Druck und andere additive Fertigungstechnologien interessieren, ist die Tatsache, dass diese Technologien es den Anwendern ermöglichen, wichtige Maschinenkomponenten, die sonst nur schwer außerhalb einer Fabrik hergestellt werden können, schnell zu ersetzen“, sagt Brandon McConnell, Mitverfasser eines Artikels über die Arbeit. „Und additive Fertigungswerkzeuge können dies bei Bedarf tun, anstatt sich mit Lieferketten zu befassen, die lange Wartezeiten haben können. Das bedeutet in der Regel, dass der 3D-Druck zur Herstellung kleiner Chargen von Maschinenteilen auf Anfrage eingesetzt wird.”

Nachdem ein Metallmaschinenteil gedruckt wurde, erfordert es zusätzliche Nachbearbeitung und muss vermessen werden, um sicherzustellen, dass es den kritischen Toleranzen entspricht. Der aktuelle Prozess umfasst das Entfernen des Teils aus der Fertigungsanlage, das Vermessen und das Wiedereinsetzen zur Feinjustierung, was zeitaufwendig ist.

Die Forschenden haben nun 3D-Druck, automatisierte Bearbeitung, Laserscanning und taktile Messtechnologien mit entsprechender Software integriert, um ein weitgehend automatisiertes System zu schaffen, das Metallmaschinenteile produziert, die den erforderlichen Toleranzen entsprechen.

Die Nutzenden rufen eine Softwaredatei mit den Maßen des gewünschten Teils auf. Ein 3D-Drucker verwendet diese Datei, um das Teil mit Metallsupportstrukturen zu drucken. Anschließend wird das gedruckte Teil in einem Nachbearbeitungsgerät montiert. Laser scannen das montierte Teil, um dessen Abmessungen zu bestimmen. Eine Software nutzt diese Daten und die gewünschten Toleranzen, um das Nachbearbeitungsgerät zu steuern, das Unregelmäßigkeiten ausbügelt. Während des Prozesses wird das Teil von einer taktilen Roboter-Sonde vermessen, um sicherzustellen, dass die Abmessungen innerhalb der notwendigen Parameter liegen. Um die Leistung des neuen Ansatzes zu testen, fertigten die Forschenden ein Maschinenteil sowohl mit herkömmlichen als auch mit ihrem neuen Verfahren.

„Mit herkömmlichen Techniken konnten wir das Teil in 200 Minuten fertigstellen; mit unserer neuen Technik konnten wir das gleiche Teil in 133 Minuten fertigstellen“, sagt McConnell. „Je nach Situation kann eine Zeitersparnis von 67 Minuten von enormer Bedeutung sein. In den meisten beruflichen Situationen ist Zeit Geld. Und in Notfallsituationen kann sie zum Beispiel über Leben und Tod entscheiden.”

Diese Technik konzentriert sich derzeit auf Maschinenteile mit runden oder zylindrischen Merkmalen, wie Kolben, könnte aber auch für andere Teile adaptiert werden. Die verwendete Hardware ist kommerziell erhältlich, und die notwendige Software wird im Detail im Forschungsartikel beschrieben.

„Die gesamte Hardware, die wir für diese Technik verwendet haben, ist im Handel erhältlich, und wir haben die erforderliche Software in der Arbeit klar beschrieben. Wir sind also der Meinung, dass dieser neue Ansatz fast sofort übernommen und eingesetzt werden könnte“, sagt McConnell. „Und wir sind natürlich offen für die Zusammenarbeit mit Partnern, die daran interessiert sind, diese Technik in ihren Betrieben zu nutzen.“

Der Artikel „Automatic Feature Based Inspection and Qualification for Additively Manufactured Parts with Critical Tolerances“ wurde im International Journal of Manufacturing Technology and Management veröffentlicht. Die Forscher sind offen für Kooperationen mit Interessenten, die diese Technik in ihren Betrieb integrieren möchten.