Robotic WAAM für große zertifizierte Metallteile
Eine Reihe von optimierten Metallträgern wurde mit WAAM-Robotern 3D-gedruckt, basierend auf einem End-to-End-Rahmenwerk für die additive Fertigung durch das INTEGRADDE-Konsortium. Der durch die Optimierung initiierte Arbeitsablauf umfasst detaillierte Design- und FE-Verifizierungsschritte, die vor der additiven Fertigung mit dem WAAM-Roboter durchgeführt werden.
Dieser produktorientierte Engineering-Ansatz kombiniert Testergebnisse, numerische Simulationen und Prozessparameter, um das Teiledesign und den Konfigurationsprozess zu optimieren. Dieser Ansatz für den robotergestützten 3D-Metalldruck von großformatigen Metallteilen bietet eine intelligente und innovative Perspektive für die Zukunft der Architektur-, Ingenieur- und Bauindustrie (AEC).
Gemeinsam mit den INTEGRADDE-Partnern hat MX3D eine innovative Produktionsstrategie entwickelt, die eine kontinuierliche und integrale Kontrolle des WAAM-Prozesses vom Produktdesign bis zur abschließenden Überprüfung, eine Inline-Qualitätssicherung für die Herstellung zertifizierter Metallteile und einen Ansatz für die kundenspezifische Massenfertigung vorsieht.
INTEGRADDE ist eines der größten und umfassendsten von der EU geförderten Projekte zur industriellen Umsetzung von Direct Energy Disposition (DED) Technologien. INTEGRADDE zielt auf die reale Anwendung der additiven Fertigung in der europäischen Industrie ab und bezieht 26 Partner aus 11 europäischen Ländern ein.
Ziel von INTEGRADDE ist es, eine neuartige End-to-End-Lösung und ein Rahmenwerk für die additive Fertigung optimierter Strukturen zu entwickeln, das den Weg für eine Zertifizierung und Konsistenz in der großtechnischen robotergestützten additiven Fertigung mit Lichtbogen (WAAM) und Laser-Metallabscheidung (LMD) in strategischen Metallverarbeitungssektoren ebnet.
Gemeinsam mit den INTEGRADDE-Partnern hat MX3D eine innovative Produktionsstrategie entwickelt, die eine kontinuierliche und integrale Kontrolle des WAAM-Prozesses vom Produktdesign bis zur abschließenden Überprüfung, eine Inline-Qualitätssicherung für die Herstellung zertifizierter Metallteile und einen Ansatz für die kundenspezifische Massenfertigung vorsieht.
Der maßgeschneiderte, optimierte und mit WAAM gedruckte Fachwerkträger bietet eine intelligente und innovative Perspektive für die Zukunft der Architektur-, Ingenieur- und Bauindustrie (AEC), da er eine Reihe von Vorteilen bietet, die mit WAAM verbunden sind: (a) intelligente Fertigung durch Senkung der Betriebskosten und der Zeit bis zur Markteinführung, (b) Bereitstellung komplexer, kundenspezifischer und flexibler Designs ohne Erhöhung der Herstellungskosten, (c) Verringerung der Umweltauswirkungen durch erhebliche Senkung des Materialverbrauchs und des Abfalls und (d) Verringerung der Montagezeit und -kosten. Mit diesen Vorteilen stellt die INTEGRADDE-Traverse ein optimiertes Design auf dem neuesten Stand der Technik dar, das Neukonfigurationen, Großprojekte und eine angemessene Materialleistung ermöglicht.
MX3D (robotergestützter 3D-Metalldruck) hat zusammen mit seinen Partnern - dem Imperial College London (Material- und Designvalidierung) und LimitState Ltd. (Designoptimierung) - umfangreiche Forschungsarbeiten zu WAAM-gedrucktem niedrig legiertem Kohlenstoffstahl für Schwerlastbauteile durchgeführt. Dabei wurden 500 kg Proben für verschiedene zerstörende Tests, 1 TB protokollierte Prozessdaten, 3 zertifizierte DPS (Deposit Procedure Specifications) und Vorhersagemodelle der Künstlichen Intelligenz für die Online- und Offline-Prozessvalidierung verwendet. Es wurde festgestellt, dass die strukturelle Effizienz jeder optimierten Struktur (gemessen am Verhältnis von Kapazität zu Masse) mindestens doppelt so hoch ist wie die des entsprechenden Referenzdesigns.
Ein Satz optimierter Fachwerkträger, der auf einem produktorientierten Konstruktionsansatz basiert, kombiniert Testergebnisse, numerische Simulationen und Prozessparameter, um die Konstruktion der Bauteile und den Konfigurationsprozess zu optimieren. In der von MX3D bereitgestellten Pilotanlage wird die INTEGRADE-Methodik angewendet, um als Demonstrationsmodell eine Familie verschiedener Bauteile zu generieren.
In Übereinstimmung mit den empfohlenen AEC-Konstruktionsrichtlinien erfolgte die Konstruktion des Fachwerkes in Zusammenarbeit mit dem Imperial College London, der University of Sheffield und LimitState. Bei der CAD-Optimierung kam der Layout-Optimierungsprozess zum Einsatz, den das LimitState-Plugin „Peregrine“ bietet. MX3D führte die Planung und den Prozess der digitalen Fertigung mithilfe der firmeneigenen MetalXL-Software und -Steuerungssystem und fertigte das 2,5 Meter lange Fachwerk aus niedriglegiertem Kohlenstoffstahl. Die Möglichkeit, jedes Element als eigenständige Einheit zu bearbeiten, ist entscheidend für die Festlegung der korrektesten und effizientesten Drucksequenz sowie spezifischer Druckeigenschaften. Darüber hinaus umfasst MetalXL eine Echtzeitsteuerung und kontinuierliche Überwachung durch ein komplexes Sensorsystem, um den Bediener mit Echtzeit-Feedback, hochauflösender Datenerfassung und detaillierten Einblicken in den Druckprozess für die Inline-Qualitätskontrolle und die Analyse nach der Produktion zu unterstützen. Diese Datenprotokolle und detaillierten Einblicke aus MetalXL sind wichtige Grundlagen für die Zertifizierung des optimierten und mittels WAAM gedruckten Fachwerks durch das Konsortiumsmitglied Bureau Veritas.
Trotz der Visionen von vollständig im 3D-Druck hergestellten Gebäuden wird WAAM die traditionellen Bauverfahren nicht ersetzen, zumindest nicht kurzfristig. WAAM bietet jedoch als Ergänzung zu herkömmlichen Werkzeugen erhebliche Möglichkeiten. Darüber hinaus verfügt WAAM über mehrere wichtige Vorteile wie intelligente Fertigung, erhöhte Designflexibilität und Reduzierung von Materialabfällen, was eine breitere Einführung des Metall-3D-Drucks in der Bauindustrie für großformatige Bauteile wie maßgeschneiderte und optimierte Fachwerke ermöglicht, wie sie stolz im INTEGRADDE-Demonstrator präsentiert wurden.
Auf der Grundlage umfangreicher Erfahrung, modernster Forschung und Kundenanforderungen hat MX3D kürzlich eine schlüsselfertige Lösung auf den Markt gebracht: das M1 Metal AM System. Das robotergestützte WAAM-System läuft auf der firmeneigenen WAAM-Software MetalXL und wird mit dem MetalXL-Steuerungssystem geliefert, das alle relevanten Bauparameter mithilfe von Spannungs-, Strom-, Gas- und Temperatursensoren überwacht und protokolliert. Das System verfügt über integrierte automatisierte Kalibrierungsroutinen, um Ausfallzeiten während der ununterbrochenen Produktion zu minimieren. Das M1 Metal AM System bietet eine kostengünstige und umfassende Lösung, die es der Architektur-, Ingenieur- und Bauindustrie ermöglicht, mittelgroße bis große industrielle Metallteile im eigenen Haus in 3D zu drucken.
Vollständiger Forschungsartikel: https://ieeexplore.ieee.org/document/9635782."An end-to-end framework for the additive manufacture of optimized tubular structures", von Jun Ye (Imperial College London + Zhejiang University), Pinelopi Kyvelou (Imperial College London), Filippo Gilardi (MX3D), Hongjia Lu (the University of Sheffield), Matthew Gilbert (the University of Sheffield) und Leroy Gardner (Imperial College London)
Integradde: https://www.integraddeproject.eu/
Dieses Projekt wurde im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms „Horizont 2020“ der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 820776 gefördert. Die Verbreitung der hierin enthaltenen Ergebnisse spiegelt nur die Meinung des Autors wider, und die Kommission ist nicht für die Verwendung der darin enthaltenen Informationen verantwortlich.
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