WO2019042872A1 - Verfahren und fertigungseinrichtung zum laserauftragsschweissen mittels zumindest zwei roboter - Google Patents

Abstract

Bei dem Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (WER) mittels Laserauftragsschweißens wird das Bauteil zeitgleich mittels zumindest zwei oder mehr jeweils zum Laserauftragsschweißen ausgebildeten Robotern (ROB1, ROB2) gefertigt.

Description

Beschreibung

VERFAHREN UND FERTIGUNGSEINRICHTUNG ZUM LASERAUFTRAGSSCHWEISSEN MITTELS ZUMINDEST ZWEI ROBOTER Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserauftragsschwei^¬ ßen sowie eine Laserauftragsschweißanlage .

Auf dem Gebiet der additiven Fertigung ist es bekannt, ein Werkstück mittels Laserauftragsschweißens generativ zu ferti- gen.

Dazu wird regelmäßig ein Konstruktionsmodell des Werkstücks herangezogen, welches mittels CAD (CAD = engl. „Computer Aided Design") kreiert wird und in digitaler Form vorliegt. Dieses Konstruktionsmodell enthält u.a. die geometrische Form des Werkstücks als Flächen- oder Volumenkörper.

Zur Vorbereitung des Laserauftragsschweißens (LMD = engl. „Laser Metal Opposition") selbst wird die geometrische Form des Werkstücks in einzelne Ebenen unterteilt, deren Abstand durch die Aufbauhöhe des Laserauftragsschweiß-Prozesses fest^¬ gelegt ist. Dieser Vorgang wird regelmäßig mittels CAM (CAM = engl. „Computer Aided Manufacturing") unterstützt. Mittels CAM werden abhängig von den für den Laserauftragsschweiß- Prozess maßgeblichen Parameter für jede einzelne Ebene Punkte bestimmt, an welchen die geometrische Form des Werkstücks die Ebene schneidet. An Stellen hingegen, an welchen die die Ebene schneidende Kontur ausgefüllt ist, werden zusätzlich Punk^¬ te entsprechend einem Füllmuster innerhalb der Kontur vorge- sehen. Soweit im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Laserauftragsschweißen die Rede ist, ist dieses synonym mit LMD zu verstehen .

Ein Mehrachssystem oder eine Werkzeugmaschine oder ein Robo- ter fährt diese Punkte entlang einer diese Punkte verbinden^¬ den Trajektorie oder Verfahrweges ab und schmilzt entlang dieses Verfahrweges mit einem Laser ein durch eine Düse zuge^¬ führtes Metallpulver auf. Das aufgeschmolzene Metallpulver wird auf den entlang tieferer Ebenen bereits prozessierten Teil des Werkstücks deponiert, wo das Metall rasch erstarrt. Der Punkt, an welchem das Mehrachssystem oder die Werkzeugmaschine oder der Roboter das Metall deponiert, wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als räumlicher Arbeitspunkt oder Tool-Center-Point (TCP) bezeichnet.

Wenngleich bei additiver Fertigung mittels Laserauftragsschweißens komplexe Werkstückgeometrien realisiert werden können, so bestehen nach wie vor einige Einschränkungen bei diesem Verfahren: So ist die Größe eines zu fertigenden Werkstücks durch den Arbeitsraum des Mehrachssystems, der Werkzeugmaschine oder des Roboters beschränkt. Ferner erfordert die Fertigung mittels Laserauftragsschweißens eine beträcht- liehe Zeitdauer.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens zu schaffen, mittels welchem insbesondere grundsätzlich be- liebig große Werkstücke herstellbar sind. Ferner ist es Auf^¬ gabe der Erfindung, eine verbesserte Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens zu schaffen, mittels welcher insbesondere beliebig große Werk^¬ stücke gefertigt werden können. Insbesondere soll mit dem er- findungsgemäßen Verfahren und mittels der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung eine raschere additive Fertigung möglich sein.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren zur ad- ditiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens mit den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur additi^¬ ven Fertigung eines Bauteils mittels Laserauftragsschweißens, bei welchem das Bauteil zeitgleich mittels zumindest zwei oder mehr jeweils zum Laserauftragsschweißen ausgebildeter Roboter gefertigt wird. Soweit im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von „Bauteil" die Rede ist, ist dieser Begriff gleichbedeutend mit „Werkstück" verwendet.

Der Einsatz mehrerer Roboter bei der additiven Fertigung von Bauteilen ermöglicht vorteilhaft zum einen die Fertigung von Bauteilen mit größeren Abmaßen und zum anderen die Reduzierung der Fertigungszeit: Insbesondere sind Bauteile hinsicht^¬ lich ihrer Größe nicht wie im Stand der Technik üblich auf den Arbeitsraum einer Fertigungsmaschine, etwa eines einzel- nen Roboters, beschränkt. Je nach Erfordernis lassen sich stattdessen mehrere und grundsätzlich beliebig viele Roboter zum Laserauftragsschweißen anordnen. Zudem ist erfindungsgemäß mittels des Einsatzes mehrerer Roboter eine deutlich grö^¬ ßere Aufbaurate möglich.

Vorteilhaft wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Bauteil in aufeinanderfolgenden Schichten gefertigt, wobei jede Schicht zeitgleich mittels der zumindest zwei Roboter gefer^¬ tigt wird. Grundsätzlich fügt sich das erfindungsgemäße Ver- fahren in die etablierten Verfahrensweisen in der additiven Fertigung, wie insbesondere in den schichtartigen Aufbau, ein .

Zweckmäßig wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Men- ge an Laserauftragsschweißpunkten, insbesondere einer Laserauftragsschweißtraj ektorie, zur Fertigung des Bauteils be^¬ stimmt. Dabei wird in dieser Weiterbildung der Erfindung jeder Laserauftragsschweißpunkt dieser Menge einem, insbesonde^¬ re ausschließlich einem, bestimmten Roboter zugeordnet.

Geeigneterweise ist bei dem Verfahren gemäß der Erfindung je^¬ dem der Roboter ein Arbeitsraum zugeordnet, innerhalb dem der Roboter Laserauftragsschweißpunkte laserauftragsschweißen kann. Geeigneterweise ist der Arbeitsraum etwa durch eine Reichweite eines einen Laser und eine Pulverdüse tragenden Gelenkarms des Roboters festgelegt. In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist jeder der Roboter einen räumlichen Arbeitspunkt auf, wobei jedem der Roboter eine Exklusivitätsumgebung um diesen Arbeitspunkt zugeordnet wird, wobei keinem Roboter ein Laserauftragsschweißpunkt innerhalb der Exklusivitätsumgebung eines anderen der Roboter zugeordnet wird. Eine solche Exklu^¬ sivitätsumgebung wird herangezogen, um einen Bereich um den TCP (also dem räumlichen Arbeitspunkt) eines Roboters für den Eintritt anderer Roboter zu sperren, um Kollisionen und zu enge Bearbeitungsabstände zu vermeiden.

Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedem der Roboter jeweils ein initialer Laserauftragsschweißpunkt zuge^¬ ordnet . Geeigneterweise wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung jedem der Roboter ausgehend von einem jeweils zugeordneten Laserauftragsschweißpunkt ein solcher hinreichend gering oder möglichst gering beabstandeter nachfolgender Laserauftragsschweißpunkt zugeordnet, welcher innerhalb des Arbeitsraums des Roboters angeordnet ist und nicht bereits einem der Robo^¬ ter zugeordnet ist und nicht innerhalb der Exklusivitätsumge^¬ bung eines der anderen Roboter angeordnet ist. Zweckmäßig ist der möglichst gering beabstandete nachfolgende Laserauftrags^¬ schweißpunkt tatsächlich der nächstbenachbarte Laserauftrags- schweißpunkt.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für jeden der Roboter für einen zugeordneten nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt geprüft, ob der Roboter zum Laserauf- tragsschweißen an dem nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt neu ansetzen muss. Ein solches Ansetzen (etwa des Lasers oder der Düse oder eines Gelenkarms des Roboters) bedingt Verzöge^¬ rungen im Fertigungsprozess und sollte nach Möglichkeit ver- mieden werden. Zweckmäßig buchhält das erfindungsgemäße Ver^¬ fahren daher den unerwünschten Vorgang des erneuten Anset- zens . In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei dem Verfahren die Menge an Laserauftragsschweißpunkten zumindest einer Schicht oder des gesamten Bauteils derart Robotern zugeordnet, dass möglichst selten ein Roboter zum Laserauf^¬ tragsschweißen an dem nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt neu ansetzen muss. Idealerweise wird ein Gütekriterium für das möglichst seltene Neuansetzen des Roboters herangezogen. Zweckmäßig ist ein solches Gütekriterium die Häufigkeit des Erfordernisses eines Roboters, zum Laserauftragsschweißen an dem nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt neu ansetzen zu müssen. Vorteilhafterweise wird/werden bei dem Verfahren einer oder mehrere Parameter variiert, sodass eine Zuordnung von Laserauftragsschweißpunkten zu Robotern anhand des Gütekriteriums erfolgen kann, geeigneterweise derart, dass das Neuansetzen in seiner Häufigkeit möglichst minimiert wird. Vorzugsweise bilden die initialen Laserauftragsschweißpunkte einen solchen Parameter.

Die erfindungsgemäße Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens weist zumindest zwei oder mehr Roboter auf. Die Fertigungseinrichtung ist zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet und weist insbesondere ei^¬ ne Steuereinheit auf, die zur Ausführung des Verfahrens aus^¬ gebildet ist. Geeigneterweise sind bei der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung die Roboter und/oder die Steuereinheit miteinander signalverbunden .

Infolge der Signalverbindung von Steuereinheit und/oder Robo- tern lassen sich die Roboter synchron aufeinander abstimmen. Insbesondere kann mittels der Signalverbindung sichergestellt werden, dass das Verfahren im Fehlerfall eines der Roboter unterbrochen wird. Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung darge^¬ stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfin^¬ dungsgemäßen Verfahrens zur additiven Fertigung durchgeführt mittels eines Ausführungsbeispiels ei- ner erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens schematisch in einer diagrammatischen Darstellung,

Fig. 2 die Fertigungseinrichtung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gem. Fig. 1 schematisch in einer perspektivischen Darstellung,

Fig. 3 einen Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gem. Fig. 1 zur Zuordnung von Schweißpunk- ten zu einem Roboter der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung schematisch in einer diagrammatischen Darstellung sowie

Fig. 4 eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens er- folgte Zuordnung von Schweißpunkten zu zwei Robotern der erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung schematisch in einer Draufsicht.

Das in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Verfahren zur ad- ditiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens wird mit^¬ tels einer erfindungsgemäßen Fertigungseinrichtung (Fig. 2) zur additiven Fertigung eines Werkstücks durchgeführt.

Dazu wird zunächst in einem ersten Verfahrensschritt PCAD ein CAD-Modell eines Werkstücks WER herangezogen. Das CAD-Modell enthält die vollständige räumliche Geometrie des zu fertigen^¬ den Werkstücks WER. In einem zweiten Verfahrensschritt PCAM wird die räumliche Geometrie des CAD-Modells des Werkstücks WER mittels CAM in mit Ziffern von 1 bis k und weiter bis n nummerierte Ebenen L unterteilt. Dazu wird vorab mittels CAM die Orientierung des Werkstücks WER relativ zu diesen Ebenen derart optimiert, dass das Werkstück WER effizient zu fertigen ist. In diesem Verfahrensschritt werden dann diejenigen Punkte, entlang wel^¬ cher mittels Laserauftragsschweißens das Werkstück WER ge^¬ schweißt werden soll, festgelegt.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt PALG wird das Werk^¬ stück WER entlang dieser Ebenen mittels zweier Roboter ROBl, ROB2 gefertigt (Fig. 1 und Fig. 2) . In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen können anstelle zweier Roboter ROBl, ROB2 grundsätzlich auch mehr als zwei Roboter, beispielsweise drei oder vier Roboter, zur Fertigung des Werkstücks WER Einsatz finden.

Jeder der Roboter ROBl, ROB2 weist einen Arbeitsraum WOSP1, WOSP2 auf, innerhalb welchem der Roboter ROBl, ROB2 an den Punkten mittels seines jeweiligen räumlichen Arbeitspunktes TCP1, TCP2 laserauftragsschweißen kann. Die Arbeitsräume WOSP1, WOSP2 überlappen sich zweckmäßigerweise zumindest par^¬ tiell am Ort des Werkstücks WER. Ferner weisen die Roboter ROBl, ROB2 erfindungsgemäß jeweils einen Prozessbereich PB1, PB2 auf, welcher für den jeweils anderen der Roboter ROBl, ROB2 als gesperrt betrachtet wird, um Kollisionen und zu enge Bearbeitungsabstände zwischen den räumlichen Arbeitspunkten TCP1, TCP2 zu vermeiden.

Zur Fertigung des Werkstücks WER wird im Verfahrensschritt PALG zunächst festgelegt, welche Punkte von welchem der Robo^¬ ter ROBl, ROB2 geschweißt werden: Dazu wird zunächst für jeden der einzelnen der Roboter ROBl, ROB2 wie folgt vorgegangen (s. Fig. 3) : Der Roboter weist einen räumlichen Arbeitspunkt oder TCP auf, an welchem der Roboter Metall mittels Laserauftragsschweißens deponiert. Dieser TCP wird mittels des Verfahrensschritts IP auf einen ersten Punkt, an welchem das Werkstück gefertigt werden soll, festgelegt.

Ausgehend von diesem einen Startpunkt bildenden Punkt P(kO) des Roboters wird, sofern noch nicht bereits alle Punkte der Ebene L allokiert sind (d.h. Fall N in der Verzweigung zwi- sehen IP und FCP in Fig. 2), für diesen Roboter jeweils mittels eines Verfahrensschritts FCP der innerhalb der Ebene L nächstbenachbarte Punkt P(k+1), an welchem laserauftragsge- schweißt werden soll, bestimmt. Liegt dieser nächstbenachbarte Punkt P(k+1) im Arbeitsraum des jeweiligen Roboters und wurde dieser nächstbenachbarte Punkt P(k+1) noch nicht durch den Roboter selbst oder den jeweils anderen der Roboter ROB1, ROB2 allokiert und ist dieser nächstbenachbarte Punkt P(k+1) nicht durch die Nähe zu einem anderen der Roboter gesperrt (tritt also Fall Y in der Verzweigung nach FCP ein), wird dieser Punkt P(k+1) durch den Roboter mittels des Verfahrensschritts AP allokiert (ansons^¬ ten tritt der Fall N ein und es wird ein neuer neuer zulässi^¬ ger nächstbenachbarter Punkt gesucht, d.h. ein neuer Punkt, für welchen der Fall Y eintritt) .

Darauffolgend wird der euklidische Abstand des neu allokier- ten Punktes P(k+1) zum vorherigen allokierten Punkt P(k) mittels des Verfahrensschritts CD berechnet. Liegt der euklidi- sehe A stand innerhalb eines Normbereichs (vorgegeben durch eine CAM-Software) (Fall N in der Verzweigung zwischen CD und DSTOP) , erfolgt die Ermittlung des nächsten Punktes P(k+2) und die Prozedur beginnt von Neuem. Übersteigt die Distanz den Normbereich zwischen zwei Bearbeitungspunkten (Fall Y in der Verzweigung zwischen CD und

DSTOP), so wird der Punkt P(k) mittels des Verfahrensschritts DSTOP als Laser-Stopp-Punkt und der Punkt P(k+1) mittels des Verfahrensschritts DSTART als Laser-Start-Punkt definiert und als Startpunkt mittels des Verfahrensschritts ASTART allo- kiert . Anschließend erfolgt ebenfalls die Ermittlung des nächsten Punktes P(k+2) und die Fortführung der Prozedur. Der Vorgang wird beendet, wenn jeweils alle Punkte einer Ebene L allo- kiert sind (Fall Y in der Verzweigung zwischen IP und FCP) . Dabei können die Punkte jeweils separat für jede Ebene L den jeweiligen Robotern ROB1, ROB2 zugeordnet werden oder es können die Ebenen L parallel verarbeitet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird im Verfahrensschritt PALG die Anzahl der Laser-Startpunkte und der Laser-Endpunkte bestimmt und als Maß für die Qualität der Zuordnung der Punk^¬ te, an denen laserauftragsgeschweißt werden soll zu den je^¬ weiligen Robotern ROB1, ROB2 herangezogen. Diese Zuordnung wird im Verfahrensschritt PALG optimiert, im gezeigten Aus- führungsbeispiel derart, dass die Startpunkte P(k0) der ein^¬ zelnen Roboter ROB1, ROB2 variiert werden, beispielsweise derart, dass die Zahl der Laser-Startpunkte minimiert wird.

Nachfolgend werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die zugeordneten Punkte in Steuerbefehle für die einzelnen Robo^¬ ter ROB1, ROB2 übersetzt und an die Roboter ROB1, ROB2 übertragen, sodass die Roboter ROB1, ROB2 das laserauftrags- schweißen tatsächlich ausführen können. Bei dem Verfahren ist sind sämtliche Roboter ROB1, ROB23 über ein Bussystem (nicht in der Zeichnung dargestellt) miteinander verbunden. Mittels dieses Bussystems kann jeder der Robo^¬ ter ROB1, ROB2 den Betriebs zustand der übrigen Roboter ROB1, ROB2 abfragen. Denn zur Vermeidung von Kollisionen ist nur die gleichzeitige Fertigung des Werkstücks WER mit sämtlichen der Roboter ROB1, ROB2 einer Ebene L zulässig. Im Fehlerfall eines der Roboter ROB1, ROB2 ist ein Pausieren der übrigen der Roboter ROB1, ROB2 erforderlich. Die Roboter ROB1, ROB2 bilden gemeinsam mit dem Bussystem eine erfindungsgemäße Fertigungsanlage. Die in Figur 4 beispielsweise durch Kreuze und Kreise gekenn^¬ zeichneten Punkte PI oben links sind dem Roboter ROB1 zugeordnet, während die Punkte P2 unten rechts dem Roboter ROB2 zugeordnet sind. Die Punkte erstrecken sich über eine räumli^¬ che Abmessung von horizontal und vertikal jeweils 300 Milli- metern.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur additiven Fertigung eines Bauteils (WER) mittels Laserauftragsschweißens, bei welchem das Bauteil zeitgleich mittels zumindest zwei oder mehr jeweils zum La^¬ serauftragsschweißen ausgebildete Roboter (ROB1, ROB2) gefertigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bauteil (WER) in aufeinanderfolgenden Schichten (L) gefertigt wird, wobei jede Schicht (L) zeitgleich mittels der zumindest zwei Robo^¬ ter (ROB1, ROB2) gefertigt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine Menge an Laserauftragsschweißpunkten (P(k),

P(k+1), P(k+2)), insbesondere einer Laserauftragsschweißtra- jektorie, zur Fertigung des Bauteils bestimmt wird, wobei je^¬ der Laserauftragsschweißpunkt (P(k), P(k+1), P(k+2)) dieser Menge einem, insbesondere nur einem, bestimmten Roboter zuge- ordnet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jedem der Roboter (ROB1, ROB2) ein Arbeitsraum zugeordnet ist, innerhalb welchem der Roboter Laserauftrags- schweißpunkte (P(k), P(k+1), P(k+2)) laserauftragsschweißen kann .

5. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem jeder der Roboter (ROB1, ROB2) einen räumlichen Arbeitspunkt (TCP1, TCP2) aufweist, wobei jedem der Roboter (ROB1, ROB2) eine Exklusivitätsumgebung um diesen Arbeitspunkt (TCP1, TCP2) zugeordnet wird, wobei keinem Roboter (ROB1, ROB2) ein Laserauftragsschweißpunkt (P(k), P(k+1), P(k+2)) innerhalb der Exklusivitätsumgebung eines anderen der Roboter (ROB1, ROB2) zugeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jedem der Roboter jeweils ein initialer Laserauf- tragsschweißpunkt zugeordnet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jedem der Roboter ausgehend von einem jeweils zugeordneten Laserauftragsschweißpunkt ein solcher hinreichend gering oder möglichst gering beabstandeter nachfolgender Laserauftragsschweißpunkt zugeordnet wird, welcher innerhalb des Arbeitsraums des Roboters angeordnet ist und nicht be^¬ reits einem der Roboter zugeordnet ist und nicht innerhalb der Exklusivitätsumgebung eines der anderen Roboter angeordnet ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem für jeden der Roboter für einen zugeordneten nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt geprüft wird, ob der Roboter zum Laserauftragsschweißen an dem nachfolgenden Laserauf- tragsschweißpunkt neu ansetzen muss.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Menge an Laserauftragsschweißpunkten (P(k), P(k+1), P(k+2)) zumindest einer Schicht oder des gesamten Bauteils derart Roboter zugeordnet wird, dass möglichst sel- ten ein Roboter zum Laserauftragsschweißen an dem nachfolgenden Laserauftragsschweißpunkt neu ansetzen muss.

10. Fertigungseinrichtung zur additiven Fertigung mittels Laserauftragsschweißens mit zumindest zwei oder mehr Robotern (ROB1, ROB2), welche zu Ausführung des Verfahrens ausgebildet ist, und insbesondere eine Steuereinheit aufweist, welche zur Ausführung des Verfahrens ausgebildet ist.

11. Fertigungseinrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem die Roboter (ROB1, ROB2) und/oder die Steuereinheit miteinander signalverbunden sind.