Teil unseres Kompletten Leitfaden zur Draht-Lichtbogen-Additiven Fertigung →
Beim robotergestützten 3D-Druck wird ein industrieller Roboterarm, in der Regel ein 6-Achsen-Manipulator, als Bewegungsplattform für die additive Fertigung eingesetzt. Dieser Ansatz unterscheidet sich erheblich von den Portal- oder kartesischen Systemen herkömmlicher 3D-Drucker. Der Einsatz eines Industrieroboterarms verändert die Produktionsmöglichkeiten grundlegend, indem er die Großserienfertigung von Teilen mit einer Länge von mehreren Metern ermöglicht, eine große Reichweite mit Bauraumgrößen bietet, die praktisch jeder Größe gerecht werden, und mehrachsige Bewegungen für nicht-planare Druckbahnen ermöglicht, die Portalsysteme einfach nicht nachbilden können.
Dieser Leitfaden beleuchtet die Funktionsweise des robotergestützten 3D-Metalldrucks, vergleicht ihn mit herkömmlichen Portal-Systemen, erläutert das additive Fertigungsverfahren mittels Lichtbogen-Drahtschmelzverfahren, stellt die wesentlichen Softwarekomponenten vor und klärt, wann der Einsatz dieser Technologie wirtschaftlich sinnvoll ist.
Was ist industrieller 3D-Metalldruck mit Robotern?
Der robotergestützte 3D-Druck ist ein Verfahren der additiven Fertigung, bei dem ein mehrachsiger Industrieroboterarm ein Auftragswerkzeug – in der Regel einen Schweißbrenner, einen Extruder oder einen Laserkopf – entlang einer programmierten Bahn bewegt. Die gängigste Metallanwendung für dieses Verfahren ist die additive Fertigung mittels Lichtbogenschweißen.
- Ein handelsüblicher robotergestützter 3D-Metalldrucker besteht aus mehreren Kernkomponenten:
- Ein 6-achsiger Roboterarm, der als primäre Bewegungsplattform dient.
- Ein Auftragverfahren, bei dem es sich um einen Schweißbrenner für die additive Fertigung mittels Lichtbogen, einen Extruder für Polymere oder einen Laserkopf für die Directed Energy Deposition handeln kann.
- Ein Positioniertisch, der häufig als siebte oder achte Achse dient, um das Werkstück während des Druckvorgangs nahtlos zu drehen.
- Eine Steuerungssoftware und ein Sensor-Stack, die als digitales Gehirn fungieren und die Wegplanung sowie die Echtzeitüberwachung steuern.
Die Branche stützt sich stark auf etablierte Roboterhersteller, wobei die Systeme in der Regel mit Roboterarmen von KUKA und ABB ausgestattet sind. Es ist wichtig zu beachten, dass der robotergestützte 3D-Druck kein einzelner Fertigungsprozess ist, sondern vielmehr eine äußerst vielseitige Bewegungsplattform, die verschiedene additive Technologien aufnehmen kann.
Roboter-3D-Druck vs. Portal-Systeme
Bei der Bewertung der großformatigen additiven Fertigung ist die Wahl zwischen einem Roboterarm und einem Portalsystem eine zentrale technische Entscheidung. Hier ein Vergleich der beiden Systeme anhand der wichtigsten Faktoren:
| Faktor | Roboterarm | Portalkran und kartesisches System |
| Gebäudehülle | Wird durch die Reichweite des Roboters und den Positionierer bestimmt; kann sehr groß sein | Feststehend, durch den Rahmen begrenzt |
| Achsen | 6 oder mehr, üblicherweise 7 bis 9 mit Stellungsregler | 3 bis 5 |
| Komplexität des Pfades | Mehrflächlich, nicht flächig, Hinterschneidung | überwiegend ebene Schichten |
| Grundfläche im Vergleich zum Bauvolumen | Hervorragendes Verhältnis | Ungünstiges Verhältnis bei großen Teilen |
| Kosten pro Baugröße | Niedriger für große Teile | Niedriger für kleine Präzisionsteile |
| Oberflächenbeschaffenheit wie gedruckt | Prozessabhängig | Prozessabhängig |
| Integration mit Prozess-E/A | Standard-Industrieroboter-E/A, einfach | Oft individuell |
| Am besten geeignet | Große Bauteile, komplexe Geometrien | Kleine Präzisionsteile, Serienfertigung |
Roboter dominieren die großformatige additive Metallfertigung vor allem aus wirtschaftlichen Gründen. Der Bau eines 6 Meter langen Portalsystems erfordert einen enormen und kostspieligen baulichen Aufwand. Ein 6-Achsen-Roboter hingegen kann denselben Arbeitsbereich zu einem Bruchteil der Kosten abdecken.
Darüber hinaus ermöglicht die Mehrachsenfähigkeit Robotersystemen, nicht-ebene Schichten zu drucken, Material direkt auf gekrümmte oder schräge Oberflächen aufzutragen und die umständlichen Stützstrukturen, die bei Portalsystemen erforderlich sind, weitgehend zu vermeiden.
Der wichtigste Kompromiss betrifft die absolute Präzision. Ein Robotersystem büßt im Vergleich zu einem hochsteifen und solide gebauten Portal eine gewisse Rohpositioniergenauigkeit ein. Bei den meisten Anwendungsfällen in der additiven Metallfertigung ist jedoch ohnehin eine Nachbearbeitung erforderlich, um die endgültigen Toleranzen zu erreichen, wodurch diese Einschränkung irrelevant wird.
Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM)
Roboter können zwar für viele Prozesse eingesetzt werden, werden jedoch bei der Metallfertigung am häufigsten in Verbindung mit der Lichtbogen-Additiven Fertigung verwendet.
Diese Kombination ist wie geschaffen füreinander, da die zugrunde liegende Schweißausrüstung ursprünglich für die Roboterintegration konzipiert wurde. Diese Kombination bietet hohe Auftragsraten, die sich ideal für große Formate eignen, und nutzt dabei kostengünstigen und standardisierten Schweißdraht. Zu den wichtigsten Merkmalen dieses robotergestützten Verfahrens zählen Auftragsraten von 2 bis 8 Kilogramm pro Stunde, die Möglichkeit, Volumina von über 6 Metern zu erzeugen, sowie die nahtlose Verwendung zertifizierter Werkstoffe.
Weitere erwähnenswerte robotergestützte Prozesse sind unter anderem:
- Roboter-LP-DED, bei dem ein Laser-Pulver-System auf einem Roboter zum Einsatz kommt.
- Die robotergestützte Polymerextrusion ähnelt dem großformatigen Polymerdruck.
- Der robotergestützte 3D-Betondruck ist in der Baubranche weit verbreitet.
Der Software-Stack für den robotergestützten 3D-Druck
In der modernen additiven Fertigung mit Robotern ist die Software der eigentliche Engpass, nicht die Hardware. Industrieroboter sind ausgereifte und robuste Maschinen; die für den 3D-Druck erforderliche Werkzeugwegplanung, Echtzeitüberwachung und Zertifizierungsunterstützung sind jedoch hochspezialisiert.
Ein vollständiger Software-Stack für die Robotik erfordert:
- CAM-Software für das Slicing, die multiplanare und nicht-planare Bahnplanung sowie die Durchführung von Machbarkeitsprüfungen.
- Live-Prozesssteuerung für die Echtzeit-Sensorintegration, die Verwaltung dynamischer Zwischenlaufzeiten und die Auslösung von Warnmeldungen.
- Visualisierungs- (VIZ) und Analysetools zur Erstellung eines digitalen Zwillings des Bauwerks, zur Durchführung von Analysen nach dem Druck und zur Erstellung von Datenprotokollen für die Zertifizierung.
MX3D Die MetalXL WAAM-Software ist ein Paradebeispiel für einen vollständigen und hardwareunabhängigen Stack. Sie nutzt einen aus drei Modulen bestehenden Ansatz – bestehend aus CAM, LIVE und VIZ – und funktioniert nahtlos mit den wichtigsten Roboterherstellern wie KUKA und ABB.
Was lässt sich mit einem Roboterarm im 3D-Druck herstellen?
Der robotergestützte 3D-Druck findet in zahlreichen Bereichen der Schwerindustrie Anwendung:
- Zu den Anwendungen im Schiffsbau zählen die Herstellung von Propellern, Ruderbeschlägen und Bugstrahlruderkomponenten.
- Zu den Anwendungen im Energiesektor gehören die Herstellung von Ventilen, Verteilerblöcken, Laufrädern und kritischen Druckkomponenten.
- Architektur und Bauwesen Anwendungsfälle konzentrieren sich auf die Fertigung von Konstruktionsknotenpunkten, Brückenelementen und maßgefertigten Fassadenelementen.
- Verteidigungs- und Luftfahrtindustrie nutzen die Technologie zur Herstellung von Halterungen und Ersatzteilen auf Abruf für ältere Plattformen.
- Zu den Anwendungsbereichen im Werkzeugbau gehören der Druck von hochbelastbaren Schmiedegesenken, Gusskernen sowie Vorrichtungen und Halterungen.
Die Auswahl eines robotergestützten 3D-Drucksystems
Berücksichtigen Sie bei der Entscheidung, ob ein Robotersystem die richtige Wahl ist, das folgende Schema:
Entscheiden Sie sich für ein Robotersystem, wenn:
- Das Teil ist größer als 500 Millimeter.
- Als Werkstoffe kommen Stahl, Edelstahl, Duplex, Inconel, Aluminium oder Bronze in Frage.
- Die Vorlaufzeit ist entscheidend und wird eher in Tagen oder Wochen als in Monaten gemessen.
- Die Produktionsmenge ist gering bis mittel, in der Regel 1 bis 100 Stück.
- Die Geometrie weist Überhänge, Verzweigungen oder nicht-ebene Merkmale auf.
Wählen Sie einen anderen Prozess, wenn:
- Das Teil ist klein, weniger als 300 Millimeter groß, und erfordert direkt nach dem Druck eine extrem hohe Präzision.
- Das Volumen ist sehr hoch, weshalb herkömmliches Gießen oder Schmieden wesentlich wirtschaftlicher ist.
- Das Material ist sehr reaktiv, was möglicherweise ein Elektronenstrahlschmelzen in einer Vakuumkammer erforderlich macht.
Bei der Kaufentscheidung müssen Käufer die Roboter-Marke und deren Leistungsspektrum, die jeweilige Energiequelle, den Bedarf an Positionierern oder externen Achsen, die Sicherheitsanforderungen für die Zelle, den Software-Stack sowie die allgemeine Zertifizierungsreife des Systems genau prüfen.
MX3D-Roboter-3D-Drucksysteme
MX3D bietet die M1- und MX-Metal-AM-Systemean, Plug-and-Play-Industrieroboterzellen mit einer umfassenden und hardwareunabhängigen Software-Suite namens MetalXL. Dies gewährleistet, dass Kunden, die ihre eigenen Roboter integrieren, Zugang zu einer robusten Prozesssteuerung haben. Das System verfügt über Lloyd’s Register-Typenzulassung und wird aktiv von Branchenführern wie Framatome, BMWund TRIDIAM
Obwohl beide Plattformen die MetalXL-Software-Suite nutzen, um eine hochwertige Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM) zu erzielen, sind sie auf unterschiedliche Produktionsgrößen zugeschnitten. Das M1-System dient als standardisierte, schlüsselfertige Lösung für mittelgroße bis große komplexe Teile und verfügt über ein festes Bauvolumen sowie eine optimierte 8-Achsen-Robotik für eine schnelle Einrichtung. Im Gegensatz dazu ist das MX-System eine erweiterte Hochleistungsplattform für extreme Fertigungsanforderungen; es bietet einen vollständig anpassbaren Bauraum, unterstützt den kontinuierlichen autonomen 24/7-Betrieb mit mehreren Bauplatten und ist für massive industrielle Nutzlasten ausgelegt.
Systemvergleich: M1 vs. MX – Metall-AM-Systeme
| Funktion | M1 Metal AM System | MX Metal AM System |
| Anwendungstyp | Komplexe mittelgroße bis große Teile | Hochbelastbare Großteile |
| Volumen | 2200 × 1400 × 1700 mm | Individuell anpassbar (>2000 mm) |
| Produktionsmaßstab | Bis zu 750 kg | 1.000 bis 20.000 kg |
| Robotik | Mittelgroß bis groß, flexibel, 8-achsig | Groß angelegte industrielle 24/7-Einsätze mit hoher Nutzlast |
| Software-Integration | Vollständig in MetalXL integriert | Vollständig in MetalXL integriert |
Wann sich der robotergestützte 3D-Metalldruck wirtschaftlich lohnt
Der robotergestützte 3D-Metalldruck ist besonders attraktiv, wenn Hersteller große, hochwertige Metallteile in kleinen bis mittleren Stückzahlen benötigen und die Werkzeugkosten oder langen Vorlaufzeiten beim Gießen oder Schmieden nicht rechtfertigen können. In diesen Fällen kann die robotergestützte Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM) mit einem Industrieroboter die Zeit bis zur Fertigstellung des Teils verkürzen, die Materialeffizienz verbessern und schnellere Designiterationen ermöglichen.
Dies gilt insbesondere für Branchen wie Schifffahrt, Energie, Luft- und Raumfahrt sowie Schwermaschinen, in denen Komponenten oft maßgefertigt, überdimensioniert oder über herkömmliche Lieferketten nur schwer schnell zu beschaffen sind. Für Unternehmen, die den robotergestützten 3D-Druck für Metallteile in Betracht ziehen, liegt der wirtschaftliche Vorteil in der Regel nicht in der Abschaffung der maschinellen Bearbeitung, sondern in der Reduzierung von Materialverschwendung, der Verkürzung der Beschaffungszeiten und der Vereinfachung der Fertigung komplexer Geometrien.
Im Vergleich zur subtraktiven Fertigung aus Rohlingen bietet die robotergestützte WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) bei großen Bauteilen mit hohem „Buy-to-Fly“-Verhältnis eine bessere Materialausnutzung. Im Vergleich zum Gießen oder Schmieden entfallen Werkzeuginvestitionen und die Abhängigkeit von langen externen Fertigungszyklen wird verringert. Die am besten geeigneten Anwendungsbereiche für die robotergestützte Draht-Lichtbogen-Additivfertigung sind daher Bauteile, die zu groß, zu kundenspezifisch oder zu zeitkritisch sind, als dass herkömmliche Verfahren effizient wären.
Die größten Herausforderungen bei WAAM und im robotergestützten 3D-Druck
Obwohl der robotergestützte 3D-Druck erhebliche Vorteile hinsichtlich Baugröße, Flexibilität und Auftragsgeschwindigkeit bietet, bringt er auch Herausforderungen bei der Prozesssteuerung mit sich, die Käufer frühzeitig verstehen sollten. Beim robotergestützten WAAM hängt die Qualität des Endteils stark von Variablen wie Wärmeeintrag, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Brennerausrichtung, Nahtgeometrie und Zwischentemperatur ab. Werden diese nicht sorgfältig kontrolliert, kann der Prozess zu Verformungen, Restspannungen, uneinheitliche Schichtbildung, Porosität oder Fehlstellen durch mangelnde Verschmelzung führen.
Aus diesem Grund hängt der Erfolg der robotergestützten additiven Metallfertigung nicht nur vom Roboter und der Schweißausrüstung ab, sondern auch von der Qualität der Software, der Sensorintegration und der Überwachungsstrategie, die während des Fertigungsprozesses zum Einsatz kommen.
Auch die Nachbearbeitung ist ein wesentlicher Bestandteil des Arbeitsablaufs. Die meisten mit robotergestütztem WAAM-Verfahren hergestellten 3D-gedruckten Metallteile sind Near-Net-Shape-Bauteile und müssen vor dem endgültigen Einsatz noch bearbeitet, geprüft und in einigen Fällen wärmebehandelt werden. Dies mindert nicht den Wert des Verfahrens, sondern spiegelt vielmehr wider, wie die großformatige additive Metallfertigung in realen industriellen Umgebungen eingesetzt wird.
Wenn Sie mehr erfahren möchten, sehen Sie sich unseren vollständigen Vergleich an: WAAM vs. Schmieden vs. Gießen
Qualifizierung, Rückverfolgbarkeit und Zertifizierungsbereitschaft
Für viele industrielle Anwender liegt die eigentliche Hürde bei der Einführung nicht darin, ob ein Robotersystem Metall auftragen kann, sondern darin, ob der daraus resultierende Prozess dokumentiert, wiederholt und für kritische Anwendungen qualifiziert werden kann. In Branchen wie der Schifffahrt, der Energieversorgung, der Verteidigung und der Infrastruktur hängt die Zertifizierungsreife im robotergestützten 3D-Druck von weit mehr als nur den Maschinenspezifikationen ab. Käufer müssen die Prozessstabilität, die Rückverfolgbarkeit der Fertigung, die Inspektionsabläufe und die Verfügbarkeit von Produktionsdaten bewerten, die die Qualifizierung unterstützen. Ein leistungsstarker Software-Stack für die robotergestützte additive Fertigung spielt hier eine wichtige Rolle, indem er Prozessparameter aufzeichnet, die digitale Rückverfolgbarkeit unterstützt und die für die Qualitätssicherung und Compliance erforderlichen Unterlagen erstellt.
Hier wird spezielle WAAM-Software zu einem strategischen Wettbewerbsvorteil im industriellen Roboter-3D-Druck. Mehrachsige Bahnplanung, Live-Prozessüberwachung und Analysen nach dem Druck sind nicht nur Werkzeuge zur Steigerung der Produktivität, sondern auch unverzichtbar für die Reproduzierbarkeit und die Unterstützung bei der Zertifizierung.
Häufig gestellte Fragen
Was ist robotergestützter 3D-Druck?
Beim robotergestützten 3D-Druck wird ein mehrachsiger Industrieroboterarm eingesetzt, um ein Auftragswerkzeug – beispielsweise einen Schweißbrenner oder einen Extruder – entlang einer programmierten Bahn zu bewegen. Es handelt sich um eine Bewegungsplattform, die die additive Fertigung in großem Maßstab ermöglicht.
Wie funktioniert ein 3D-Drucker mit Roboterarm?
Das System koordiniert einen 6-Achsen-Roboterarm mit einem Beschichtungswerkzeug. Eine spezielle Software zerlegt ein 3D-Modell in Schichten, generiert Bewegungsanweisungen und steuert Echtzeit-Sensoren, um das Material Schicht für Schicht aufzutragen, wobei häufig ein Drehtisch zum Einsatz kommt, um das Werkstück während des Bauprozesses zu drehen.
Warum sollte man beim 3D-Druck einen Roboterarm anstelle eines Portalrahmens verwenden?
Roboterarme bieten deutlich größere Arbeitsbereiche zu geringeren Kosten als große Portalsysteme. Darüber hinaus verfügen sie über umfassende Bewegungsmöglichkeiten ermöglichen mehrdimensionale und nicht-planare Werkzeugwege, wodurch komplexe Geometrien ohne aufwendige Stützkonstruktionen realisiert werden können.
Was lässt sich mit einem Roboterarm im 3D-Druck herstellen?
Sie werden vor allem für großformatige Metallbauteile verwendet. Zu den gängigen Anwendungsbereichen zählen Schiffsschrauben, Laufräder und Ventile für die Energiewirtschaft, architektonische Knotenpunkte, Halterungen für die Luft- und Raumfahrt sowie hochbelastbare industrielle Werkzeuge.
Welche Software wird zur Steuerung eines robotergesteuerten 3D-Druckers verwendet?
Ein vollständiges System umfasst CAM für die Bahnplanung, Live-Software für die Echtzeit-Sensorsteuerung sowie Visualisierungstools für die Analyse nach dem Druck. MX3D MetalXL ist eine führende hardwareunabhängige Plattform, die diesen gesamten Workflow für alle gängigen Roboterhersteller verwaltet.
