Onderdeel van onze Complete gids voor draadboog-additieve productie →
Bij robotgestuurd 3D-printen wordt een industriële robotarm, doorgaans een 6-assige manipulator, gebruikt als bewegingsplatform voor additive manufacturing. Deze aanpak verschilt aanzienlijk van de portaal- of Cartesiaanse systemen die in conventionele 3D-printers worden toegepast. Het gebruik van een industriële arm verandert de productiemogelijkheden fundamenteel door grootschalige productie van onderdelen van meerdere meters mogelijk te maken, een groot bereik te bieden met bouwvolumes die geschikt zijn voor vrijwel elke afmeting, en meerassige bewegingen mogelijk te maken voor niet-vlakke printpaden die portaalconstructies simpelweg niet kunnen evenaren.
In deze gids wordt ingegaan op de werking van robotgestuurd 3D-metaalprinten, wordt deze technologie vergeleken met traditionele portaalsystemen, wordt het proces van additieve fabricage met draadboog uitgebreid beschreven, wordt de essentiële softwarestack uitgelegd en wordt duidelijk gemaakt wanneer het economisch gezien zinvol is om deze technologie in te zetten.
Wat is 3D-printen met industriële robotica voor metaal?
Robotgestuurd 3D-printen is een additieve productiemethode waarbij een industriële robotarm met meerdere assen een aanbrenginstrument – meestal een lasbrander, extruder of laserkop – langs een geprogrammeerd traject beweegt. De meest voorkomende toepassing voor metaal bij deze opstelling is additieve productie met booglassen.
- Een standaard robotgestuurde 3D-metaalprinter bestaat uit verschillende kernonderdelen:
- Een 6-assige robotarm die als het belangrijkste bewegingsplatform fungeert.
- Een afzettingsinstrument, zoals een lasbrander voor additieve fabricage met draadboog, een extruder voor polymeren of een laserkop voor Directed Energy Deposition.
- Een positioneringstafel die vaak dienst doet als een zevende of achtste as om het werkstuk tijdens het printproces soepel te draaien.
- Besturingssoftware en een reeks sensoren die fungeren als het digitale brein en zorgen voor routebepaling en realtime monitoring.
De sector is sterk afhankelijk van gevestigde robotfabrikanten; systemen worden doorgaans gebouwd met robotarmen van KUKA en ABB. Het is belangrijk om op te merken dat robotgestuurd 3D-printen geen op zichzelf staand productieproces is, maar veeleer een uiterst veelzijdig bewegingsplatform waarop diverse additieve technologieën kunnen worden toegepast.
Robotgestuurd 3D-printen versus portaalsystemen
Bij het beoordelen van grootformaat additive manufacturing is de keuze tussen een robotarm en een portaalsysteem een van de belangrijkste technische beslissingen. Hieronder volgt een vergelijking van beide opties op basis van de belangrijkste factoren:
| Factor | Robotarm | Portaal- en Cartesiaans |
| Gebouwschil | Wordt bepaald door het bereik van de robot en de positioneerder; kan zeer groot zijn | Vast, beperkt door het frame |
| Assen | 6 of meer, meestal 7 tot 9 met een positioneerder | 3 tot 5 |
| Complexiteit van het pad | Meervlakkig, niet-vlakkig, ondersnijding | Overwegend vlakke lagen |
| Voetafdruk versus bouwvolume | Uitstekende verhouding | Slechte verhouding voor grote onderdelen |
| Kosten per omvang van de bouwschil | Goedkoper voor grote onderdelen | Lager voor kleine precisie |
| Oppervlakteafwerking zoals afgedrukt | Afhankelijk van het proces | Afhankelijk van het proces |
| Integratie met proces-I/O | Standaard industriële robot-I/O, eenvoudig | Vaak op maat |
| De beste keuze | Grote constructiedelen, complexe geometrieën | Kleine precisieonderdelen, serieproductie |
Robots domineren de grootschalige additive manufacturing van metaal, voornamelijk om economische redenen. Het bouwen van een 6 meter lang portaalsysteem vereist omvangrijke en kostbare bouwtechnische werkzaamheden. Een 6-assige robot kan echter hetzelfde werkgebied bestrijken tegen een fractie van de kosten.
Bovendien stelt het voordeel van de meerassige opbouw robotsystemen in staat om niet-vlakke lagen te printen, materiaal rechtstreeks op gebogen of schuine oppervlakken aan te brengen en de omslachtige ondersteuningsstructuren die bij portaalsystemen nodig zijn, grotendeels te vermijden.
De belangrijkste afweging betreft de absolute precisie. Een robotsysteem levert enigszins in op de ruwe positionele nauwkeurigheid in vergelijking met een zeer stijve en degelijk gebouwde portaalconstructie. Voor de meeste toepassingen van additive manufacturing met metaal is echter toch al nabewerking nodig om de uiteindelijke toleranties te halen, waardoor deze beperking niet echt van belang is.
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)
Hoewel robots voor tal van processen kunnen worden ingezet, worden ze bij de productie van metaal meestal gecombineerd met booglas-additieve fabricage.
Deze combinatie is een logische keuze, aangezien de onderliggende lasapparatuur oorspronkelijk is ontworpen voor integratie met robots. Deze combinatie biedt hoge afzettingssnelheden die bij uitstek geschikt zijn voor grote formaten, terwijl er gebruik wordt gemaakt van voordelige en gestandaardiseerde lasdraad. Tot de belangrijkste kenmerken van dit robotproces behoren afzettingssnelheden van 2 tot 8 kilogram per uur, de mogelijkheid om volumes van meer dan 6 meter te bouwen en het naadloze gebruik van gecertificeerde materialen.
Andere opmerkelijke robotprocessen die het vermelden waard zijn, zijn onder meer:
- Robotgestuurde LP DED, waarbij gebruik wordt gemaakt van een laser-poedersysteem op een robot.
- Robotgestuurde polymeerextrusie lijkt op het printen van grootformaat polymeer.
- Het 3D-printen van beton met behulp van robots wordt op grote schaal toegepast in de bouwsector.
De softwarestack voor robotgestuurd 3D-printen
Bij moderne robotgestuurde additive manufacturing vormt de software de echte bottleneck, niet de hardware. Industriële robots zijn volwassen en robuuste machines; de planning van bewerkingsbanen, realtime monitoring en ondersteuning bij certificering die nodig zijn voor 3D-printen zijn echter zeer gespecialiseerd.
Een complete softwarestack voor robotica vereist:
- CAM-software voor het maken van plakken, het plannen van trajecten in meerdere vlakken en buiten vlakken, en het uitvoeren van haalbaarheidscontroles.
- Live procescontrole voor realtime sensorgegevensintegratie, het beheren van dynamische tussentijden en het activeren van waarschuwingen.
- Visualisatie- (VIZ) en analysetools voor het creëren van een digitale tweeling van het bouwwerk, het uitvoeren van analyses na het printen en het genereren van datalogboeken voor certificering.
MX3D MetalXL WAAM-software is een uitstekend voorbeeld van een complete en hardware-onafhankelijke stack. Het maakt gebruik van een aanpak met drie modules, bestaande uit CAM, LIVE en VIZ, en werkt naadloos samen met grote robotmerken zoals KUKA en ABB.
Wat kan er met een robotarm in 3D worden geprint?
Robotgestuurd 3D-printen wordt in tal van zware industrieën toegepast:
- Toepassingen in de scheepvaart omvatten onder meer de productie van schroeven, roerbeslag en onderdelen voor boegschroeven.
- Toepassingen in de energiesector omvatten de productie van kleppen, verdeelstukken, waaiers en cruciale drukcomponenten.
- Architectuur en bouw Toepassingen richten zich op het vervaardigen van constructieknooppunten, brugelementen en op maat gemaakte gevelelementen.
- Defensie en lucht- en ruimtevaart maken gebruik van de technologie voor het vervaardigen van structurele beugels en vervangingsonderdelen op aanvraag voor oudere platforms.
- Toepassingen op het gebied van gereedschappen omvatten het vervaardigen van zware smeedmatrijzen, gietkernen en mallen of opspanningen.
Een robotgestuurd 3D-printsysteem kiezen
Houd bij het bepalen of een robotsysteem de juiste keuze is rekening met het volgende kader:
Kies voor een robotsysteem wanneer:
- Het onderdeel is groter dan 500 millimeter.
- Het benodigde materiaal is staal, roestvrij staal, duplex, Inconel, aluminium of brons.
- De doorlooptijd is van cruciaal belang en wordt gemeten in dagen tot weken in plaats van maanden.
- Het productievolume is klein tot middelgroot, doorgaans 1 tot 100 stuks.
- De geometrie omvat overhangen, vertakkingen of niet-vlakke elementen.
Kies een ander proces wanneer:
- Het onderdeel is klein, minder dan 300 millimeter, en moet direct na het printen al uiterst nauwkeurig zijn.
- Het volume is erg groot, waardoor traditioneel gieten of smeden veel voordeliger is.
- Het materiaal is zeer reactief, waardoor het wellicht nodig is om het in een vacuümkamer met een elektronenstraal te smelten.
Bij het overwegen van een aankoop moeten kopers zorgvuldig letten op het merk en het bereik van de robot, de specifieke stroombron, de noodzaak van positioneerinrichtingen of externe assen, de veiligheidseisen voor de cel, de softwarestack en de algehele certificeringsgereedheid van het systeem.
MX3D-robotgestuurde 3D-printsystemen
MX3D levert de M1- en MX Metal AM-systemen, plug-and-play industriële robotcellen met een uitgebreide en hardware-onafhankelijke softwaresuite die bekend staat als MetalXL. Dit zorgt ervoor dat klanten die hun eigen robots integreren toegang hebben tot robuuste procesbesturing. Het systeem beschikt over een typegoedkeuring van Lloyd’s Register en wordt actief gebruikt door marktleiders zoals Framatome, BMWen TRIDIAM.
Hoewel beide platforms gebruikmaken van de MetalXL-softwaresuite om hoogwaardige Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) te realiseren, zijn ze afgestemd op verschillende productieschalen. Het M1-systeem fungeert als een gestandaardiseerde, kant-en-klare oplossing die is ontworpen voor middelgrote tot grote complexe onderdelen, met een vast bouwvolume en geoptimaliseerde 8-assige robotica voor snelle installatie. Het MX-systeem daarentegen is een uitgebreid, heavy-duty platform dat is gebouwd voor extreme productie; het biedt een volledig aanpasbare bouwruimte, ondersteunt continue 24/7 autonome werking met meerdere bouwplaten en is ontworpen om enorme industriële laadvermogens aan te kunnen.
Systeemvergelijking: M1 versus MX Metal AM-systemen
| Functie | M1 Metaal AM-systeem | MX Metaal AM-systeem |
| Type toepassing | Complexe middelgrote tot grote onderdelen | Zware onderdelen voor grootschalige toepassingen |
| Bouwvolume | 2200 x 1400 x 1700 mm | Op maat te maken (>2000 mm) |
| Productieschaal | Tot 750 kg | 1.000 tot 20.000 kg |
| Robotica | Middelgroot tot groot, flexibel, 8-assig | Grootschalig, 24/7 industrieel gebruik, geschikt voor zware ladingen |
| Software-integratie | Volledig geïntegreerd met MetalXL | Volledig geïntegreerd met MetalXL |
Wanneer 3D-printen met metaal via robotica economisch rendabel is
Robotgestuurd 3D-printen met metaal komt het meest tot zijn recht wanneer fabrikanten grote, hoogwaardige metalen onderdelen in kleine tot middelgrote series nodig hebben en de kosten voor het maken van matrijzen of de lange doorlooptijden van gieten of smeden niet kunnen rechtvaardigen. In dergelijke gevallen kan robotgestuurde Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) met een industriële robot de doorlooptijd tot het eindproduct verkorten, de materiaalefficiëntie verbeteren en snellere ontwerpiteraties mogelijk maken.
Dit geldt met name voor sectoren zoals de maritieme sector, energie, lucht- en ruimtevaart en zware apparatuur, waar onderdelen vaak op maat gemaakt, extra groot of moeilijk snel te verkrijgen zijn via traditionele toeleveringsketens. Voor bedrijven die robotgestuurd 3D-printen voor metalen onderdelen overwegen, komt het economische voordeel meestal niet voort uit het elimineren van verspanende bewerkingen, maar uit het verminderen van materiaalverspilling, het verkorten van inkooptermijnen en het vereenvoudigen van de productie van complexe geometrieën.
In vergelijking met subtractieve productie uit staafmateriaal biedt robotgestuurde WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) een beter materiaalbenuttingsprofiel voor grote onderdelen met een hoge buy-to-fly-verhouding. In vergelijking met gieten of smeden kunnen hiermee investeringen in gereedschap worden vermeden en wordt de afhankelijkheid van lange externe productiecycli verminderd. De meest geschikte toepassingen voor robotgestuurde Wire Arc Additive Manufacturing zijn dan ook onderdelen die te groot, te specifiek of te tijdgevoelig zijn om met conventionele methoden efficiënt te kunnen worden geproduceerd.
Belangrijkste uitdagingen op het gebied van WAAM en robotgestuurd 3D-printen
Hoewel robotgestuurd 3D-printen grote voordelen biedt op het gebied van bouwgrootte, flexibiliteit en afzettingssnelheid, brengt het ook uitdagingen op het gebied van procesbeheersing met zich mee, waarvan kopers zich in een vroeg stadium bewust moeten zijn. Bij robotgestuurde WAAM hangt de uiteindelijke kwaliteit van het onderdeel sterk af van variabelen zoals warmte-inbreng, draadaanvoersnelheid, toortsoriëntatie, lasnaadgeometrie en tussentemperatuur. Als deze niet zorgvuldig worden geregeld, kan het proces leiden tot vervorming, restspanning, inconsistente laagvorming, porositeit of defecten door onvolledige versmelting.
Daarom hangt het succes van robotgestuurde additive manufacturing met metaal niet alleen af van de robot en de lasapparatuur, maar ook van de kwaliteit van de software, de integratie van sensoren en de monitoringstrategie die tijdens het bouwproces wordt toegepast.
Ook de nabewerking vormt een cruciaal onderdeel van de workflow. De meeste 3D-geprinte metalen onderdelen die met robotgestuurde WAAM worden geproduceerd, zijn near-net-shape onderdelen die nog steeds bewerking, inspectie en in sommige gevallen een warmtebehandeling vereisen voordat ze definitief kunnen worden gebruikt. Dit doet niets af aan de waarde van het proces; het geeft juist weer hoe grootformaat additive manufacturing van metaal in de praktijk in industriële omgevingen wordt ingezet.
Als je meer wilt weten, bekijk dan onze volledige vergelijking van WAAM versus smeden versus gieten
Kwalificatie, traceerbaarheid en gereedheid voor certificering
Voor veel industriële gebruikers is de echte drempel voor de invoering niet de vraag of een robotsysteem metaal kan aanbrengen, maar of het resulterende proces kan worden gedocumenteerd, herhaald en gekwalificeerd voor kritieke toepassingen. In sectoren als de scheepvaart, energie, defensie en infrastructuur hangt de gereedheid voor certificering bij robotgestuurd 3D-printen van veel meer af dan alleen de specificaties van de machine. Kopers moeten de processtabiliteit, de traceerbaarheid van de bouw, inspectieworkflows en de beschikbaarheid van productiegegevens die de kwalificatie ondersteunen, evalueren. Een sterke softwarestack voor robotgestuurde additive manufacturing speelt hierbij een belangrijke rol door procesparameters te registreren, digitale traceerbaarheid te ondersteunen en de documentatie te genereren die nodig is voor kwaliteitsborging en naleving.
Hier wordt gespecialiseerde WAAM-software een strategisch onderscheidend kenmerk binnen het 3D-printen met industriële robots. Meerassige routeplanning, realtime procesbewaking en analyses na het printen zijn niet alleen hulpmiddelen om de productiviteit te verhogen; ze zijn essentieel voor de herhaalbaarheid en ter ondersteuning van certificering.
Veelgestelde vragen
Wat is robotgestuurd 3D-printen?
Bij robotgestuurd 3D-printen wordt een industriële robotarm met meerdere assen gebruikt om een afzettingsgereedschap, zoals een lasbrander of een extruder, langs een geprogrammeerd traject te bewegen. Het is een bewegingsplatform dat grootschalige additive manufacturing mogelijk maakt.
Hoe werkt een 3D-printer met robotarm?
Het systeem coördineert een 6-assige robotarm met een afzettingsapparaat. Gespecialiseerde software verdeelt een 3D-model in plakjes, genereert baaninstructies en stuurt realtime sensoren aan om materiaal laag voor laag aan te brengen, waarbij vaak gebruik wordt gemaakt van een draaitafel om het onderdeel tijdens het bouwproces te draaien.
Waarom zou je voor 3D-printen een robotarm gebruiken in plaats van een portaal?
Robotarmen bieden aanzienlijk grotere werkgebieden tegen lagere kosten dan grote portaalsystemen. Bovendien beschikken ze over uitgebreide bewegingsmogelijkheden maken gereedschapspaden in meerdere vlakken en niet-vlakke gereedschapspaden mogelijk, waardoor complexe geometrieën kunnen worden gerealiseerd zonder dat er uitgebreide ondersteuningsstructuren nodig zijn.
Wat kan er met een robotarm in 3D worden geprint?
Ze worden voornamelijk gebruikt voor grootschalige metalen constructiedelen. Veelvoorkomende toepassingen zijn onder meer scheepsschroeven, waaiers en kleppen voor de energiesector, bouwkundige verbindingsstukken, beugels voor de lucht- en ruimtevaart en zware industriële gereedschappen.
Welke software wordt gebruikt om een robot-3D-printer aan te sturen?
Een complete oplossing omvat CAM voor routeplanning, Live-software voor realtime sensorbesturing en visualisatietools voor analyse na het printen. MX3D MetalXL is een toonaangevend, hardware-onafhankelijk platform dat deze volledige workflow beheert voor alle grote robotmerken.
