Integrierte FDM/Fräs-Hybridfertigungszelle zur effizienten Herstellung großformatiger Formwerkzeuge (SuperTooler)

Problemlage
Großformatige, schalenförmige Faserkunststoffverbund-Leichtbauteile, etwa für Schienenfahrzeuge, Schiffe oder Windenergieanlagen, werden in Kleinserien- bzw. Einzelstückproduktion hergestellt. Dabei wird das verwendete Verbundmaterial bislang in ein Formwerkzeug aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) eingelegt, welches die spätere Form des Bauteils vorgibt, und darin ausgehärtet. Für die Herstellung dieses Formwerkzeugs ist wiederum ein sogenanntes Master-Modell erforderlich, welches die gewünschte Bauteilkontur aufweist und als Negativ für die Form dient. Die Kosten für die Herstellung dieses Modells übersteigen die Kosten für die Herstellung des eigentlichen Formwerkzeugs um ein Vielfaches.

Zielstellung
Ziel des Forschungsprojekts SuperTooler ist die Entwicklung und prototypische Realisierung einer vollintegrierten roboterbasierten Hybridfertigungszelle zur direkten Herstellung einsatzfähiger Formwerkzeuge ohne Verwendung eines Master-Modells. Möglich wird dies durch die Kombination von auftragenden (additiven) und abtragenden Fertigungsprozessen. Letztere sind erforderlich, um die geforderten Oberflächenqualitäten zu erzielen. Zusammen mit dem angestrebten Einsatz von recyceltem Kunststoff als Baumaterial für das Formwerkzeug sollen die Herstellkosten für derartige Formwerkzeuge damit insgesamt um bis zu 80 v. H. reduziert werden.

Vorgehensweise
Im Vorhaben wird ein schneller und robuster additiver Bauprozess unter Verwendung thermoplastischer, recycelter Kunststoffe mit einer flexiblen Fräsbearbeitung mit nur einem Roboter kombiniert und entwickelt. Neben selbst adaptierenden Steuerungs- und Regelungskonzepten sowie modifizierten Antrieben sind für diese Roboter-Fertigungszelle auch Werkzeugaufnahmen für den wahlweisen Einsatz eines Kunststoff auftragenden Aggregats oder von Fräswerkzeugen zu entwickeln. Als Antrieb sowohl der Fräswerkzeuge als auch des Aggregats für die Kunststoffausbringung soll die Frässpindel eingesetzt werden. Angestrebt wird zunächst eine Austragsleistung von ca. 20 kg Kunststoffschmelze pro Stunde. Damit soll prototypisch ein würfelförmiges Formwerkzeug mit 100 cm Kantenlänge und 5 cm Wandstärke in circa 12 Stunden erstellt und fertig bearbeitet werden.

Ergebnisverwertung
Aus den Vorhabenergebnissen erwächst eine innovative Fertigungsanlage, in der additive und abtragende Fertigungsverfahren für mittlere und große Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen integriert sind. Neben der beschriebenen Anwendung kann ein solches Fertigungssystem generell für die Herstellung von großformatigen Bauteilen in anderen Anwendungsbereichen genutzt werden. Insbesondere bieten sich hier die Gießereitechnik, der Allgemeine Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik an. Eine weitere mögliche Anwendung könnte im Bereich Architektur die Herstellung von Fassadenverkleidungen und Inneneinrichtungen sein.

• Collin Lab & Pilot Solutions GmbH
• Leichtbau-Systemtechnologien KORROPOL GmbH
• robot-machining GmbH
• Technische Universität Dresden