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Großserienteile individualisieren

Additive Fertigung

Großserienteile individualisieren

Aktuell sind bei Kunststoffverarbeitern zwei Trends zu beobachten: Zum einen steigt die Komplexität der Anlagen, zum anderen wünschen sie flexible Lösungen – aufgrund immer schnellerer Produktwechsel, steigender Variantenvielfalt und immer kleinerer Stückzahlen pro Auftrag bis hin zum Einzelteil. Erfüllen lassen sich diese Anforderungen zum Beispiel durch Kombination von Spritzgießen, additiver Fertigung und Industrie 4.0-Technologien, um Großserienprodukte in einem flexibel automatisierten, digital vernetzten cyberphysischen Produktionssystem wirtschaftlich in Losgröße Eins zu individualisieren.



Bild: Arburg GmbH + Co KG

Eine Herausforderung ist es, bei der Fertigung kleiner Losgrößen nicht auf Produktivität und Verfügbarkeit zu verzichten. Die Ideen, Impulse und Möglichkeiten, die heute mit Industrie 4.0 verbunden sind, können die Produktionseffizienz und Prozesssicherheit steigern. Der Begriff beschreibt im Wesentlichen die informationstechnische Vernetzung von Maschinen, Werkzeugen, Werkstücken und logistischer Peripherie. Den aktuellen Stand der Technik hat der Maschinenbauer Arburg auf der Messe Fakuma 2015 unter anderem am Beispiel einer Büroschere gezeigt. Dabei konnten die Besucher das Großserienteil zum individualisierten Unikat machen.

Vernetzte Prozesskette

Die Prozessschritte der verketteten Anlage umfassen die Auftragserfassung, das Spritzgießen, die industrielle additive Fertigung und die Darstellung der Prozess- und Qualitätsparameter auf einer teilespezifischen Internetseite. Kundenwünsche werden direkt in den Produktionsprozess eingebunden. Die erforderlichen Komponenten für die vernetzte Produktion dieser Kunststoffteile kommen aus der Hand des Maschinenbauers: die Spritzgießmaschine für das Umspritzen der Metallklingen, das additive Fertigungssystem für die Individualisierung und das Leitrechnersystem für eine durchgängige Daten- und Informationskette, die einzelnen Prozessschritte verbindet.

Ebenfalls in die Fertigungslinie integriert ist eine Laserbeschriftung. An einer PC-Station zur Auftragserfassung konnte der Besucher aus verschiedenen Scherenrohlingen (für Rechts- oder Linkshänder, vorne spitz oder rund) ein Paar wählen und das Produkt mit seinem Namen personalisieren. Der Auftrag wurde digital auf einer RFID-Chipkarte gespeichert. Die Karte wurde zum gewünschten Zeitpunkt an der Selogica-Steuerung der Spritzgießmaschine eingelesen. Im nächsten Zyklus startete die Produktion an der Spritzgieß-Station. Um flexible und schnelle Produktwechsel zu ermöglichen, arbeiteten dazu ein Maschinenbediener und ein lineares Robot-System zusammen. Nach dem manuellen Einlegen der Metallklingen in den Greifer wurden die Einlegeteile an das Spritzgießwerkzeug eines elektrischen Allrounders 370 E übergeben. Dort wurden die Kunststoffgriffe angespritzt und im Anschluss ein individueller DM-Code aufgelasert und die zugehörigen Prozessdaten an ein Leitrechnersystem weitergegeben. Das Produkt wurde ab diesem Moment zum Daten- und Informationsträger und bekam seine eigene Website.

Ein lineares Robot-System legte die fertig umspritzten Scheren in Werkstückträger ein, die mit dem Freeformer im Arburg Kunststoff-Freiformen produziert wurden. Diese wurden über ein Förderband aus der Spritzgießzelle ausgeschleust. Ein mobiler Sieben-Achs-Roboter übernahm die Werkstückträger und sorgte an der Freeformer-Station für das automatische Be- und Entladen des Bauraums. Der Freeformer brachte entsprechend der über einen Scanner ausgelesenen Informationen des DM-Codes additiv den gewünschten individuellen, haptisch erhabenen Schriftzug aus PP auf die Schere auf. Dieser Arbeitsschritt dauerte rund ein bis zwei Minuten. Das Endprodukt übergab schließlich der mobile Roboter eigenhändig an den jeweiligen Besucher.



Arburg bietet mit dem Freeformer für die additive Fertigung und Allrounder-Spritzgießmaschinen das gesamte industrielle Fertigungsspektrum. Um Großserienteile zu individualisieren, werden beide Verfahren und Industrie 4.0-Technologien zusammengebracht. Dadurch entsteht die Losgröße-1-fähige Smart Factory.
Bild: Arburg GmbH + Co KG

Zentrales Leitrechnersystem

Zentrale Bedeutung bei der vernetzten Produktion kommt dem Arburg Leitrechnersystem (ALS) zu, das gleichzeitig die Maschinen, die Automation und den gesamten Produktionsprozess effizient kontrolliert. Dort laufen alle individuellen Produktions- und Qualitätsparameter zusammen und werden archiviert. Zur Erfassung der Maschinendaten greift das ALS auf den weltweit anerkannten Standard der Ethernet-Verkabelung zurück. Die Prozesskette wird über das Anwendungsprotokoll OPC UA vernetzt.

Durch den aufgelaserten DM-Code, der besonders robust ist, wird jede einzelne Schere selbst zum Informationsträger, kommuniziert mit den Maschinen, kennt ihre Historie, ihren aktuellen Zustand sowie ihre Bestimmung und steuert ihren Durchlauf durch die Prozesskette selbst. Das Produkt ist eindeutig identifizierbar und lässt sich jederzeit lokalisieren. Das schafft Transparenz in der gesamten Produktion und ermöglicht eine einzelteilbezogene Rückverfolgbarkeit. Dabei identifiziert sich das Produkt zum einen gegenüber Maschinen und liefert Informationen für den nächsten Fertigungsschritt. Zum anderen können alle Arbeitsschritte lückenlos und fehlerfrei dokumentiert und die relevanten Prozessparameter später eindeutig zugeordnet werden. Dazu zählen Angaben zu Zykluszeit, Einspritzdruck und Umgebungstemperatur des Spritzgießprozesses sowie Bauraumtemperatur, Tropfenanzahl und Bauzeit der additiven Fertigung.

Der Leitrechner weist jedem einzelnen Teil eine eigene Internetseite in der Cloud zu. Über den Code lässt sich mit mobilen Endgeräten die teilespezifische Internetseite jederzeit und rund um die Welt online aufrufen, auch noch nach mehreren Jahren. Das spielt eine wichtige Rolle zum Beispiel für die Rückverfolgbarkeit sicherheitsrelevanter Bauteile wie Airbags für die Automobilindustrie und Implantate für die Medizintechnik. Diese Art der Nachverfolgung kann zudem die Basis für eine Just-in-time-Fertigung sein.



Arburg Kunststoff-Freiformen basiert auf flüssigen Kunststofftropfen. Ausgangsmaterial ist Standardgranulat, das in einer Plastifiziereinheit aufgeschmolzen wird.
Bild: Arburg GmbH + Co KG

Industrie 4.0 in kunststoffverarbeitenden Betrieben



Individualisieren von Großserienteilen: Der Freeformer kann additiv eine individuell gestaltbare Geometrie (hier: Schriftzug aus PP) auf eine Büroschere aufbringen.
Bild: Arburg GmbH + Co KG

Viele Spritzgießer nutzen Industrie 4.0-Anwendungen oder zumindest Teilaspekte davon bereits. Dazu zählen zum Beispiel die Fertigung mit automatisierten Maschinen und Turnkey-Anlagen, eine interaktive Instandhaltungsplanung, selbstorganisierende Logistik und eine chargenbezogene Datenarchivierung. Die Smart Factory der Zukunft wird sich selbst steuern. Das heißt, die Produktionsdaten werden nicht mehr zentral verwaltet, sondern mobil dezentral angezeigt und ausgewertet. Die einzelnen Maschinen und Anlagen müssen gut aufeinander abgestimmt sein, damit der Produktfluss funktioniert. Für diese anspruchsvollen Aufgaben bedarf es gut geschulter Fachkräfte vor Ort, die wissen, wann und wie in den Produktionsprozess eingegriffen werden muss. Bereits 1986 zeigte Arburg auf der K ein vollautomatisches Fertigungssystem ohne manuelle Rüstvorgänge, das aus mehreren verketteten Die Anlage wurde bereits über das Arburg Leitrechnersystem (ALS) gesteuert, das stetig weiterentwickelt wird und das heute, genauso wie die Selogica-Steuerung, ein wichtiger Baustein der Industrie 4.0-Lösungen des Unternehmens ist.

Kunststoffteile mit Mehrwert veredeln

Durch Individualisierung von Großserienprodukten mit dem Freeformer lassen sich Kunststoffteile so veredeln, dass Hersteller daraus einen Mehrwert generieren können. Welches Potenzial in der Verknüpfung von Spritzgießen und industrieller additiver Fertigung unter Einbindung von Industrie 4.0-Technologien steckt, zeigt das Beispiel Büroschere stellvertretend für viele potenzielle wertschöpfende Produktionsprozesse beziehungsweise Produkte auf. Grundsätzlich lassen sich viele Großserienteile auf diese Art und Weise einfach individualisieren.

 

Additives Manufacturing

Der Freeformer ist für die industrielle additive Fertigung ausgelegt und vermag weit mehr zu leisten als einfache 3D-Drucker. Gegenüber anderen Verfahren der additiven Fertigung liegt ein bedeutender Vorteil darin, dass kostengünstige qualifizierte Standardgranulate zu funktionsfähigen Bauteilen verarbeitet werden können. Zu den bereits qualifizierten Materialien zählen ABS, PC, PA und TPU. Zusätzliche Kunststoffe sind Teil der Weiterentwicklung.

Beim Arburg Kunststoff-Freiformen (AKF) wird das Kunststoffgranulat ähnlich wie beim Spritzgießen zunächst in einem Plastifizierzylinder aufgeschmolzen. Eine starre Austragseinheit mit spezieller Düse trägt kleine Kunststofftropfen mittels hochfrequenter Piezotechnik im vorgegebenen Takt (60 bis 200 Hertz) schichtweise auf einen über drei Achsen beweglichen Bauteilträger auf. Der Bauteilträger wird so positioniert, dass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle gesetzt wird. Dabei verbinden sich die 0,2 bis 0,3 Millimeter großen Tropfen beim Abkühlen von selbst. So entsteht auf Basis von 3D-CAD-Daten Schicht für Schicht das gewünschte dreidimensionale Bauteil. Seine Oberfläche entspricht der eines grob strukturierten Spritzteils. Sie ist zwar durch die Tropfenform rau, aber besonders gleichmäßig. Je kleiner die Düse ist, desto kleiner sind die Tropfen und desto feiner wird die Oberflächenstruktur. Mit einer größeren Düse lässt sich hingegen ein schnellerer Arbeitsfortschritt erzielen.

Messungen der Zugfestigkeit zeigen, dass die Qualität von Bauteilen für die meisten Funktionsteile und Kleinserien vollkommen ausreicht. Ein Unterschied zum Spritzgießen liegt im Bruchverhalten, bei dem praktisch keine Dehnungsphase auftritt. Herausforderungen liegen weniger in der Zugfestigkeit als in der Realisierung dünner Wandstärken von weniger als 0,6 Millimetern oder filigraner Strukturen. Der Bauraum des Zwei-Komponenten-Freeformers bietet Platz für Teile, die max. 154 x 134 x 230 Millimeter groß sind. Standardmäßig ist der Freeformer mit zwei Austragseinheiten ausgestattet. Die zweite Einheit kann für eine zusätzliche Komponente genutzt werden, um beispielsweise ein Bauteil in verschiedenen Farben, mit spezieller Haptik oder als Hart-Weich-Verbindung zu erzeugen. Alternativ lassen sich damit Strukturen aus einem wasserlöslichen Stützmaterial aufbauen und auf diese Weise auch ungewöhnliche oder sehr komplexe Bauteilgeometrien realisieren.

Nach Entfernen der Stützstrukturen im Wasserbad können die Bauteile zum Beispiel als Designmuster sowie für Funktions- und Montagetests genutzt werden. Fallabhängig kann auf teure, zeitaufwendige Spritzgießwerkzeuge für Prototypen oder Kleinserien verzichtet werden. Ein weiterer großer Vorteil ist, dass weder Staub noch Emissionen anfallen und deshalb keine weitere Infrastruktur erforderlich ist. Auf Absauganlagen oder Kühlwasser kann verzichtet werden. Das System ist daher auch für den Einsatz in einer Büro- oder Laborumgebung geeignet. Die Steuerung hat Arburg ebenfalls selbst entwickelt. Das Bedienpanel besteht aus einem leistungsstarken Industrie-PC mit Multi-Touchscreen, der über Gesten intuitiv gesteuert wird. Die 3D-CAD-Daten der herzustellenden Bauteile (STL-Files) werden nach qualitäts- und materialabhängigen Kriterien an einem PC offline aufbereitet. Eine spezielle Software erzeugt dabei durch Slicing die erforderlichen Fertigungsdaten.