Roboterbasierte multidirektionale additive Fertigung für das Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung

• Robotic multidirectional additive manufacturing for Wire Arc welding

Schmitz, Markus; Hüsing, Mathias (Thesis advisor); Reisgen, Uwe (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Steigende Komplexität von Bauteilen bei gleichzeitig steigender Relevanz eines nachhaltigen Materialeinsatzes, motivieren zur endkonturnahen Additiven Fertigung von kostenintensiven Legierungen. Zum Einsatz kommt dabei auch das Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM). Die notwendige Prozesshardware (Schweißkopf mit exzentrischer Drahtzuführung, Massekabel, Substratplatte und Sensorik) schränken die mögliche Bewegung des Schweißkopfes stark ein. Insbesondere die Rotation um die Hochachse des Schweißkopfes, die für eine exzentrische Drahtzuführung oder ein geeignetes Monitoring durch Sensoren notwendig wird, kann bei komplexen Pfaden nicht ermöglicht werden. Die Nachteile und Herausforderungen motivieren zum Einsatz der Multidirektionalen Additiven Fertigung mit reiner Objektmanipulation (MDAF). Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozesskette entwickelt, welche insbesondere die robotische Ausführbarkeit eines multidirektionalen Schweißprozesses sicherstellt. Die Prozesskette hängt von dem spezifischen Roboter und der Position des Schweißkopfes im Arbeitsraum des Roboters ab. Um bereits vor Beginn des Prozesses eine Aussage über das druckbare Volumen treffen zu können und auf dessen Basis die Schweißkopf-Position zu optimieren, wird eine entsprechende Methode entwickelt, implementiert und vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass spezifische Konfigurationen aus Roboter, Substratplatte und Schweißkopf Auswirkungen auf das druckbare Volumen haben. Dabei ist nicht ausschließlich das reine Volumen relevant, sondern auch die Manipulierbarkeit des Roboters. Steht die Konfiguration fest, kann die Prozessvorbereitung, bestehend aus Slicer, Fertigungsplanung, Pfadplaner und Trajektorienplaner, durchgeführt werden. Ziel der Pfadplanung ist das Befüllen des Slices mit Pfaden, die für den Roboter ausführbar sind. Die Ausführbarkeit lässt sich in die reine Erreichbarkeit der notwendigen Roboterposen und die Manipulierbarkeit in den Geschwindigkeitsgrenzen des Roboters zerlegen. Um erreichbare Pfade zu generieren, wird eine Clustered Hamilton Path (CHP) Suche eingesetzt. Diese basiert auf einer Graphensuche. Die entwickelte Pfadplanung approximiert und expandiert dazu das Polygon, welches den Slice beschreibt. Das Polygon wird anschließend in konvexe Teilpolygone zerlegt. Für jedes Teilpolygon können verschiedene Infill-Strukturen erzeugt werden. Das Ergebnis ist ein Pfad, welcher den Slice mit Infills befüllt, die für den spezifischen Roboter erreichbar sind. Neben der reinen Erreichbarkeit lassen sich auch Prozesseinflüsse über die Gewichtungen im Graphen einbinden. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit eine Trajektorien-Optimierung entwickelt, die zugeschnitten auf die MDAF ausführbare Trajektorien generiert. Eine Ausführbarkeit konnte dabei durch die lokale Anpassung der Pfadgeschwindigkeit und der Abweichung von den vorgegebenen Rotationen erzielt werden. Diese Anpassung der kinematischen Parameter kann durch gleichzeitige Variation der Schweißparameter realisiert werden. Die Entwicklungen dieser Arbeit ermöglichen schlussendlich die Ausführung komplexer Schweißprozesse innerhalb der MDAF von Seiten des Roboters.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik [411910]