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Ich will gewinnen

Die ideale Kombination aus additiver und subtraktiver Fertigung optimiert den Ressourceneinsatz.

Forschung & Entwicklung

23.06.2022

Lesezeit 11 Min

Michael Heiss

Wer als Hobby bei Speedboat-Rennen mitfährt, hat es nicht leicht: Alle Teilnehmenden wollen gewinnen. Hans Küffner-McCauley, Student an der TU Wien, ist einer davon – mit einem unschätzbaren Startvorteil: als Maschinenbaustudent hat er Zugang zu Highend-Strömungssimulations- und CAD-Tools. Gemeinsam mit seinem Vater, dem Physiker Professor Joe McCauley von der University of Houston, entwickelt er einen eigenen Propeller, der besser als alle anderen die Energie des Motors zur Beschleunigung des Bootes nutzt. Hans hat das 3D-Modell des Propellers fertig konstruiert. Jetzt muss der Propeller „nur“ noch gefertigt werden. Aber es gibt ein Problem mit den herkömmlichen Fertigungsmethoden: Propeller dieser Größe werden gegossen und manuell am Bandschleifer nachbearbeitet, wodurch sich die Propellerflügel oft stark voneinander unterscheiden und eine dynamische Unwucht hervorrufen.

Modernste computergesteuerte Fertigungstechnik ist hier gefragt: Die Propellerflügel sind komplex gekrümmt, sehr dünn und scharfkantig. Denn Speedboat-Propeller arbeiten nicht nur unter Wasser, wie man es von normalen Motorbooten kennt, sondern die Flügel des Propellers tauchen – oder besser gesagt: schneiden – bei jeder Umdrehung neu durch die Wasseroberfläche, was einem harten Aufprall des Propellerflügels an der Wasseroberfläche gleichkommt. Die Beanspruchung des Propellers ist daher extrem und jede kleinste Oberflächenungenauigkeit verschlechtert das Strömungsverhalten – der Sieg beim Rennen rückt in weite Ferne.

„Meisterstück“ aus der Hybridzelle

Da lernt Hans den Maschinenbau-Studenten Philipp Schaubmayr kennen. Im Rahmen seiner Diplomarbeit bei Professor Friedrich Bleicher am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien soll Philipp mit den Siemens-NX-Softwaretools die sogenannte Hybridzelle an der Industrie-4.0-Pilotfabrik der TU Wien in Betrieb nehmen (Informationen zu allen Siemens-Aktivitäten in den Pilotfabriken finden Sie hier). Die Hybridzelle besteht aus einem Schweißroboter, einer CNC-Fräsmaschine und einem Roboter, der das Werkstück in der Zelle hin- und herbewegen kann. Das Besondere an dieser Hybridzelle: sie verhält sich von außen gesehen wie eine Maschine, die sowohl Metall hinzufügen (additive Fertigung) als auch wegfräsen (subtraktive Fertigung) kann. Dank der Diplomarbeit von Philipp werden alle Komponenten der Hybridzelle mit derselben Software, Siemens NX CAM, bedient. Somit sind die digitalen Abläufe verknüpft. Das macht es für die Anwendenden sehr einfach, beliebig oft nacheinander Material hinzuzufügen oder wegzunehmen. Auch Änderungen am Bauteil oder an der Fertigungsstrategie können mit minimalem Aufwand eingepflegt werden.

Sehen Sie hier das Video zur Hybridzelle in der Pilotfabrik Wien: https://www.youtube.com/watch?v=M_eZaGeLmB4&list=PLF48DDCA57A7E9E15 (Startet mit Klick auf den Link oder Klick auf das Bild vom Videoausschnitt gleich unterhalb)

Von Diplomand:innen am Institut für Fertigungstechnik wird erwartet, dass als Praxistest für die wissenschaftliche Arbeit auch ein echtes Werkstück angefertigt wird. Für Philipp war der Speedboat-Propeller von Hans genau die richtige Herausforderung. Er hat zugesagt, den anspruchsvollen Propeller als sein Abschluss-„Meisterstück“ zu produzieren. Die digitale Tool-Landschaft hat er ja schon aufgebaut: so wird das 3D-Modell des Propellers mit dem Zusatzmodul „NX CAM Multi-Axis Deposition“ in Schichten zerlegt und die Bewegungen für den Schweißroboter werden berechnet. Am digitalen Zwilling des Schweißroboters wird überprüft, ob alles richtig funktioniert und natürlich auch, ob der Roboter während des Schweißens nirgendwo dagegen stößt (Kollisionskontrolle).

Schicht für Schicht flüssiges Metall

Im Lichtbogen des Schweißroboters schmilzt das mit dem Schweißdraht zugeführte Metall. Man nennt das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) und wenn der Schweißroboter die richtige Bahn fährt, dann wächst das Werkstück Schicht für Schicht in die Höhe. Damit das flüssige Metall nicht wegrinnt, muss der geschwungene Propellerflügel kontinuierlich so mitgeschwenkt werden, dass die aktuelle Oberfläche immer horizontal ist. Wenn der Schweißroboter richtig eingestellt ist, dann ist das Metall der vorhergehenden Schicht immer noch sehr heiß, sobald die nächste Schicht aufgetragen wird. Das ist wichtig, denn nur so kann sich das Metall gut verbinden und man erhält eine homogene Materialeigenschaft. Das ist für die spätere Bearbeitung und die Haltbarkeit des Propellers entscheidend.

Hier der Schweißprozess – simuliert und real:

Am Ende hat man ein Rohteil, ähnlich wie beim Metallguss, nur dass bei diesem Prozess keine Form benötigt wird. Das spart Zeit und Geld. Natürlich ist der Propeller jetzt noch nicht fertig: Schweißen ist kein Fertigungsprozess, der auf hundertstel Millimeter genau ist. Wir haben bis jetzt nur die grobe Form des Propellers. Nun muss berechnet werden, was noch zu viel ist und weggefräst werden muss. Das passiert auch in der Siemens-NX-CAM-Umgebung. Dazu werden aber Form und Größe des Rohteils benötigt. Diese kann man mit einem Laserscan ermitteln.

Alternativ kann man auch gleich den digitalen Zwilling des Rohteils aus der Schweißsimulation verwenden. Dieser virtuelle Rohteil muss jedenfalls genau stimmen. Ist er größer als in der Realität, dann fährt der Fräskopf der Maschine unnötig in der Luft, weil die Maschine glaubt Material entfernen zu müssen, das gar nicht da ist. Viel gefährlicher ist allerdings, wenn der virtuelle Rohteil kleiner ist als in der Realität. In diesem Fall kann es nämlich vorkommen, dass die Maschine glaubt in Luft herumzufahren, aber der Fräskopf versehentlich gegen den Rohteil stößt. Solche Crashs können eine Maschine schwer beschädigen.

Und hier das Fräsen des Propellers in der Hybridzelle – wiederum simuliert und real:

Schnelle Überarbeitung durch digitale Datendurchgängigkeit

Das Werkstück ist nun fertig. Entdeckt man jedoch nach dem Fräsen noch kleine Löcher an der Oberfläche, dann beginnt die zweite Runde: Das Werkstück muss noch einmal zurück zum Schweißroboter, um bei diesen Löchern wieder Metall hinzuzufügen. Anschließend wird mit der CNC-Fräse wieder die gewünschte Form ganz präzise herausgefräst. Danach sollte man aber auch die Schweißparameter anpassen, um sich in Zukunft die zweite Runde zu sparen.

Jetzt funkelt der Propeller und stolz überreicht Philipp sein Meisterwerk an Hans. Hans fährt mit den Fingern über die Oberfläche und ist begeistert von der hohen Oberflächenqualität – keine Rillen von der schichtweisen Herstellung sind erkennbar. Genau so hat er es sich vorgestellt. Doch dann betrachtet er im Detail die Lichtreflexionen aus allen Betrachtungswinkeln und entdeckt eine kleine, nur in der Reflexion sichtbare Kante zwischen dem zylindrischen Schaft und dem Beginn des Propellerflügels. Ob er damit das Rennen gewinnen kann? Die Kante ist mit dem Finger kaum spürbar. Aber auch das kann die Strömung beeinflussen. Hans und Philipp lernen schnell: bei der Propellerkonstruktion muss darauf geachtet werden, dass die Krümmung der Oberfläche sich kontinuierlich ändert und nicht plötzlich. Geschickt überarbeitet Hans seinen Propeller im CAD-Tool. Jetzt macht sich die digitale Datendurchgängigkeit der Siemens-CAM-Softwarelösung in Kombination mit der Hybridzelle bezahlt: Philipp lädt das neue dreidimensionale Propeller-Modell, klickt auf „Berechnen“ und erhält in Sekunden die angepassten Maschinenbewegungen. Nun startet die Produktion von neuem, dieses Mal mit der verbesserten Geometrie. „Jetzt kann ich das Rennen gewinnen. Technologiekompetenz ist eben mein Startvorteil“, denkt sich Hans.

Schlüsseltechnologie für weniger CO2

In der industriellen Fertigung hat die am Beispiel dieses ungewöhnlichen Hobbys demonstrierte Technologie eine noch viel größere Bedeutung: Der niedrige CO2-Fußabdruck eines Produktes (Product Carbon Footprint) wird immer mehr zum Wettbewerbsvorteil. Heute ist es üblich, Einzelteile eines Produktes zentral an wenigen Stellen – oder im schlimmsten Fall nur an einer Stelle – auf der Welt zu produzieren. So kann man sehr hohe Stückzahlen und günstige Preise erreichen. Für den CO2-Fußabdruck ist es jedoch sehr nachteilig, wenn diese Einzelteile dann rund um den Globus transportiert werden.

Wenn man hingegen lokal produzieren will, um den CO2-Fußabdruck so gering wie möglich zu halten, dann ist Flexibilität wichtig: die lokale Fabrik muss dann viele unterschiedliche Teile in kleinen Stückzahlen produzieren können. Man wünscht sich also so eine Art Universalfabrik, die alle Metallteile produzieren kann. Qualität und Preis sollen aber unverändert und Lieferzeiten kürzer sein, da ja lange Transportwege entfallen.

Das ist nur mit Digitalisierung möglich: Der digitale Bauplan für ein bestimmtes Produkt und die für die Produktion nötigen Schritte können an einem Ort erstellt (etwa mit Siemens NX CAM) und dann in einer Hybridzelle in einer beliebigen Fabrik genutzt werden, um das Produkt herzustellen. Die Fähigkeit, an einer beliebigen Stelle Metall hinzufügen und wegnehmen zu können, ermöglicht es, Standardformen bereitzuhalten und dann die jeweiligen kundenspezifischen oder anwendungsspezifischen Anpassungen hinzuzufügen (man nennt das „Plattform-Strategie“). Und selbst wenn ich nur ein Stück benötige: Immer wenn es sich um große dünnwandige, kompliziert geformte Teile handelt, wo es Verschwendung wäre, diese aus einem großen Metallblock herauszufräsen, kann ich mit der Hybridzelle Kosten, Werkzeugverschleiß, Energie, Zeit und Material sparen. Oder noch besser: Ich produziere Ersatzteile erst gar nicht neu, sondern repariere sie, indem ich die Teile dort wieder ergänze, wo Material aufgrund von Verschleiß fehlt.

Über den Autor

Michael Heiss
Michael Heiss ist Principal Consultant für Digital Enterprise bei der Siemens AG Österreich und Honorarprofessor für Innovations- und Technologiemanagement an der TU-Wien.
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