„Dieses Projekt zeigt sehr anschaulich, was möglich ist, wenn Unternehmen, Forschung und regionale Netzwerke ihre Kompetenzen bündeln, um unbürokratisch und schnell praxisnahe Lösungsansätze zu validieren und zu entwickeln.“ Juri Boos, Geschäftsführer URBANMAKER
Ausgangssituation
Die Firma URBANMAKER aus Münster beschäftigt sich seit 8 Jahren mit der Technik und den Möglichkeiten des 3D-Drucks. Ihr neuer Service namens leanAM hat sich auf die wirtschaftliche Implementierung von 3D-Druck-fertigungsprozessen in Unternehmen spezialisiert und ist in der Automatisierung additiver Fertigung im Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren führend. Das Unternehmen setzt konsequent auf Innovation, kontinuierliche Optimierung und kundenspezifische Anpassungen, um seine Kund*innen stets mit bestmöglichen Lösungen im Wettbewerb stärken zu können. Um 3D-Druck maximal wirtschaftlich betreiben zu können, ist es wichtig die Drucker möglichst rund um die Uhr auszulasten. Hierfür entwickelte man vor vier Jahren das Automatisierungssystem JobOx.
Durch das Automatisierungssystem können fertige Druckobjekte samt Druckplatte automatisch nach vorne ausgeworfen werden, wodurch der nächste Druck auf einer neuen Druckplatte ohne händisches Eingreifen gestartet werden kann. Es besteht aus einem Magazin mit Druckplatten und einer sogenannten Clearance Unit. Sobald ein Druckjob abgeschlossen ist, wird die fertige Druckplatte automatisch ausgeworfen und eine neue, vorinstallierte Platte aus dem Magazin geladen. Damit entfällt das manuelle Entfernen der Platte und das Starten des nächsten Drucks. Das Magazin kann dabei je nach Druckermodell mit bis zu zehn Druckplatten bestückt werden.
Herausforderung
Mit dem JobOx-System schieben sich durch den mechanischen Vorschub neue Platten nach, während die zuvor fertigen Teile nach unten fallen. Dabei können die Druckplatten entweder in eine bereitgestellte Box fallen, wodurch die Platten samt Druckobjekt aufeinander geworfen werden. Alternativ wird das Clearance Unit mit ausgefahrenen Profilstangen erweitert, um die ausgeworfenen Druckerplatten auf die verlängerten Profile zu schieben. Dies benötigt jedoch viel Platz auf der Werkbank oder im Regal. Gerade in 3D-Druck-Farmen stehen die 3D-Drucker nebeneinander in Regalen, wodurch kein Platz für eine großartige Verlängerung bleibt.
Projektziele
- Automatisierung der Entnahme der Druckplatten mittels eines funktionierenden Demonstrators
- Einsatz von einem Roboterarm die fertige Druckplatten selbstständig entnehmen und ablegen kann
- Ermöglichung eines autonomen 3D-Druckprozesses
Methoden und Unterstützung
Für die Umsetzung des Projekts wurde ein 3DDrucker der Marke Prusa (Modell Prusa i3 MK3S) verwendet. Durch eine Kooperation des Mittelstand-Digital Zentrum Lingen.Münster. Osnabrück mit dem Digital Hub Münsterland konnte als Roboterarm ein Cobot von Universal Robots, der UR5, genutzt werden. Cobots (kurz für kollaborative Roboter) sind Roboter, die speziell für die direkte Zusammenarbeit mit Menschen entwickelt wurden.
Für die Planung des Projekts wurde zunächst im 3D-Produktentwicklungstool Fusion 360 ein digitales Modell erstellt, in dem der Roboterarm und der 3D-Drucker virtuell positioniert wurden. Dadurch konnte im CAD-Modell geprüft werden, ob der Bewegungsradius des UR5 ausreicht, um einen oder zwei Drucker
zu bedienen. Die Analyse des CAD-Modells zeigte, dass der UR5 prinzipiell in der Lage ist, zwei 3D-Drucker gleichzeitig zu bedienen. Voraussetzung dafür ist jedoch, dass die Drucker so angeordnet sind, dass ihre Auswurfseiten einander gegenüberliegen. Nur so kann der Bewegungsradius des Roboters optimal
genutzt werden.
In der Umsetzungsphase wurde nun ein einzelner Prusa 3D-Drucker nach Anleitung mit dem JobOx-System ausgestattet. Damit der Cobot weiß, wann ein Druck beendet und die fertige Druckplatte ausgeworfen wurde, wird eine Lichtschranke installiert, die das Objekt in der Clearance Unit erkennt. Nach dem
Auswurf der fertigen Druckplatte erkennt die Lichtschranke das Objekt und übermittelt das Signal an den Roboter. Daraufhin fährt der UR5 ein programmiertes Bewegungsmuster ab, entnimmt die Platte und legt sie am vorgesehenen Lagerort ab.
Ergebnisse und Ausblick
Das Ergebnis des Projekts demonstriert einen voll funktionsfähigen, reproduzierbaren Automatisierungsschritt, der die Entnahme und Ablage der fertigen Druckplatte vollständig übernimmt. Aufbauend auf diesem Proof-of-Concept lassen sich weitere Szenarien entwickeln, wie z. B. eine 3D-Drucker-Farm mit
Regalsystem, in der der Roboter fertige Druckplatten aus mehreren Druckern entnimmt und zentral ablegt. Hierdurch muss der Mensch nicht mehr in den Druckprozess eingreifen und kann die fertigen Druckplatten einem zentralen Ort entnehmen. Schätzungen zu Folge kann mit leichten Anpassungen auf die Betreuung von vier Druckern oder mit einem von URBANMAKER angedachten Schienensystem theoretisch auch auf 32 Druckern erweitert werden.
Auf Basis der gewonnenen Ergebnisse plant der Projektpartner nun, das Projekt aktiv bei seinen Kunden und Partnern zu präsentieren, um weitere anwendungsorientierte Automatisierungsprojekte anzustoßen und praktische Umsetzungsmöglichkeiten aufzuzeigen.
Das Projekt zeigt, dass die Kombination aus JobOx, Prusa 3D-Drucker und UR5-Roboter die Grundlage für einen vollautomatisierten 3D-Druckprozess bilden kann. Mit vergleichsweise geringem Aufwand konnte ein funktionierender Prototyp erstellt werden, der die manuelle Entnahme von Druckplatten überflüssig macht. Der Ansatz ist skalierbar und kann zukünftig in größeren Produktionsumgebungen, wie etwa einer Druckerfarm, eingesetzt werden.
Projektstatus
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