Zwei Roboter, die synchron an einem einzigen Metallbauteil arbeiten - gesteuert über 16 Achsen, koordiniert nach dem Master-Slave-Prinzip. Was sich nach einem Zukunftsszenario anhört, ist in Cottbus bereits Realität. Die ALOtec Dresden GmbH hat für das Fachgebiet Füge- und Schweißtechnik der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg (BTU) eine stationäre Forschungsanlage für Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) gebaut und in Betrieb genommen - eine der technisch anspruchsvollsten Konfigurationen, die derzeit im deutschsprachigen Hochschulumfeld zu finden ist.
Was WAAM kann - und warum es gerade jetzt relevant ist
Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) ist ein drahtbasiertes Verfahren der additiven Fertigung, bei dem ein Metalldraht im Lichtbogen aufgeschmolzen und Schicht für Schicht auf ein Werkstück aufgetragen wird. Das Verfahren gehört zur Gruppe der Direct-Energy-Deposition-Technologien (DED) und gilt als besonders geeignet für große, metallische Bauteile mit mittlerer bis hoher Komplexität.
Der entscheidende Vorteil gegenüber pulverbettbasierten Verfahren wie LPBF liegt in der Skalierbarkeit: WAAM ist gegenüber pulverbettbasiertem Metall-3D-Druck vor allem bei großen, eher einfachen Bauteilen kostengünstiger und schneller. Hinzu kommt die Materialeffizienz: Die WAAM-Technologie eröffnet Möglichkeiten von der schnellen Verfügbarkeit großer Metallbauteile über die Fertigung komplexer Prototypen bis hin zur Ersatzteilproduktion unabhängig von Lieferketten.
Für die Industrie bedeutet das: Bauteile, die bisher gegossen oder gefräst wurden, lassen sich additiv und ressourcenschonend herstellen - näher an der finalen Bauteilform, mit weniger Materialverschnitt.
Photo: Simon Kadula / UnsplashDie Anlage im Detail: Kollaboration als Konstruktionsprinzip
Das Herzstück der neuen BTU-Anlage ist die Koordination zweier Roboter, die nicht nebeneinander, sondern miteinander arbeiten. Das Herzstück der stationären WAAM-Anlage sind 16 synchronisierte Achsen. Zwei kollaborierende 6-Achs-Roboter vom Typ KR120 R3100 mit 3.100 Millimeter Reichweite und 120 Kilogramm Belastbarkeit werden über KRC Robotstar gesteuert.
Möglich macht das Zusammenspiel ein Master-Slave-Prinzip: Ein Roboter gibt die Bewegung vor, der zweite folgt exakt darauf abgestimmt. So lassen sich auch komplexe, großvolumige Geometrien in einem Aufbau bearbeiten, was mit zwei Brennern gleichzeitig und entsprechend höherer Produktivität geschieht.
Ergänzt wird das Ganze durch zwei Lineareinheiten und einen Dreh-Kipp-Tisch. Damit verfügt die Anlage über eine Bewegungsfreiheit, die es erlaubt, Werkstücke in nahezu jede Raumposition zu bringen - eine Voraussetzung für die Erforschung komplexer Aufbaustrategien.
Technische Eckdaten der WAAM-Anlage (BTU Cottbus)
- Robotertyp: 2× KUKA KR120 R3100 (6-Achs)
- Reichweite: je 3.100 mm
- Traglast: je 120 kg
- Synchronisierte Achsen: 16 gesamt
- Positionierer: 2× Lineareinheit + 1× Dreh-Kipp-Tisch
- Steuerung: Master-Slave-Prinzip via ROBOTstar VII
- Schweißtechnologie: Fronius iWave + TPS/i TWIN (PMC & CMT)
Fronius-Technologie für zwei Prozessstrategien
Die Schweißtechnik stammt vollständig von Fronius. Ausgestattet ist die Anlage mit modernster Technik vom Schweißsystemspezialisten Fronius - darunter zwei iWave-Systeme sowie ein TPS/i TWIN-System mit den Prozessen PMC (Pulse Multi Control) und CMT (Cold Metal Transfer).
Das TPS/i TWIN-System ist dabei besonders bemerkenswert: Es ermöglicht Lichtbogenschweißen mit zwei Drahtzuführungen und zwei Stromquellen gleichzeitig. Das erlaubt höhere Auftragsraten - ideal für großvolumige Bauteile oder das schnelle Aufbringen von Schichten. PMC und CMT decken dabei zwei unterschiedliche Prozessregimes ab: PMC für hohe Schweißgeschwindigkeiten bei guter Nahtqualität, CMT für den kontrollierten Kaltdrahtauftrag mit minimalem Wärmeeintrag.
Für den sicheren Betrieb im Forschungsalltag wurde zudem ein Schnellwechselsystem für die Schweißbrenner installiert. Die CrashBox von Fronius ist eine Sicherheitseinrichtung für den Roboterbetrieb: Im Falle einer Kollision gibt sie ein Signal an die Robotersteuerung aus, worauf der Roboter sofort stoppt. Auf Grund der Schweißbrenner-Aufnahme der CrashBox wird der Schweißbrenner im Falle einer Kollision vor Schäden geschützt.
Von Dresden nach Cottbus: Schlüsselfertig aus einer Hand
Die Anlage wurde zunächst vollständig am ALOtec-Standort in Dresden-Kesselsdorf aufgebaut, in Betrieb genommen und vorab abgenommen. Konzipiert und aufgebaut, in Betrieb genommen sowie vorab abgenommen wurde die WAAM-Anlage zunächst am ALOtec-Standort in Dresden-Kesselsdorf. Anschließend wurde sie wieder abgebaut und nach Cottbus transportiert, wo ALOtec den Aufbau vor Ort übernimmt - schlüsselfertiger Anlagenbau aus einer Hand, von der Konstruktion über die Inbetriebnahme bis zur Installation beim Anwender.
Dass ALOtec für eine Hochschule baut, hat eine gewisse innere Logik: Seit über 25 Jahren entwickelt und baut die ALOtec Dresden GmbH kundenindividuelle, schlüsselfertige Roboteranlagen für Laserhärten, Laserauftragschweißen und Additive Fertigung. Das Unternehmen wurde 1998 selbst aus dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden ausgegründet. Die Verbindung zwischen angewandter Forschung und industriellem Anlagenbau ist damit Teil der Unternehmens-DNA.
Eingebettet in den Lausitzer Strukturwandel
Die Anlage steht nicht für sich allein. Eingesetzt wird sie am Fachgebiet Füge- und Schweißtechnik - einem Partner im Forschungscluster "SpreeTec neXt". Das Cluster entwickelt neue Fertigungsmöglichkeiten für die dezentrale Energietechnik und ist zugleich ein Baustein des Strukturwandels in der Lausitz. Denn in der vom Braunkohle-Bergbau geprägten Region sollen aus den traditionellen Branchen der Produktion und Lohnfertigung heraus Zukunftstechnologien wachsen.
Im Verbundvorhaben SpreeTec neXt entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BTU Cottbus-Senftenberg und der Fraunhofer-Institute für Angewandte Polymerforschung IAP und für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit einem interdisziplinären Partnernetzwerk Lösungen für die vielfältigen Herausforderungen entlang der Wertschöpfungskette. Das Verbundvorhaben SpreeTec neXt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit über 52 Millionen Euro gefördert.
Die additive Fertigung mittels WAAM passt genau in dieses Bild: Sie ist ressourcenschonend, flexibel und schafft Komponenten, die schon nahe an der realen Bauteilform dran sind. Für die metall- und kunststoffverarbeitenden KMU der Region, die bislang stark von der Energiewirtschaft abhängig waren, eröffnet die Forschungsinfrastruktur an der BTU direkten Zugang zu Technologien, die für neue Wertschöpfungsketten - etwa in der dezentralen Energietechnik - benötigt werden.
Was die Anlage für die Forschung bedeutet
Die Anlage wird in einem wissenschaftlichen Umfeld eingesetzt - für die Entwicklung neuer Anwendungen und Prozesse in der additiven Fertigung und im Beschichtungsbereich mittels WAAM. Dabei entstehen innovative Lösungen für Industrie und Forschung direkt an realen Bauteilen.
Die Kombination aus zwei kollaborierenden Robotern, unterschiedlichen Schweißprozessen und einem vollständig synchronisierten Achssystem erlaubt es, Fragestellungen zu untersuchen, die mit einer Einzelroboter-Anlage nicht zugänglich wären: Wie verhalten sich Eigenspannungen, wenn zwei Brenner gleichzeitig Material auftragen? Welche Aufbaustrategien minimieren Verzug bei großvolumigen Bauteilen? Wie lassen sich Beschichtung und additiver Aufbau in einem Prozessschritt kombinieren?
WAAM gilt gegenüber pulverbettbasierten Metall-3D-Druckverfahren als besonders wirtschaftlich für große Metallbauteile, da es nicht durch kleine Baukammergrößen limitiert ist und mit kostengünstigem Draht als Ausgangsmaterial arbeitet.
Die Antworten auf solche Fragen sind nicht nur akademisch interessant. Sie sind die Grundlage dafür, dass das Verfahren den Weg aus dem Labor in die Serienfertigung findet - und dass die Lausitz dabei nicht Zuschauer, sondern Mitgestalter ist.
Was ist WAAM und wie unterscheidet es sich von anderen additiven Fertigungsverfahren?
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) ist ein drahtbasiertes Verfahren der additiven Fertigung, bei dem Metall mittels Lichtbogenschweißen Schicht für Schicht aufgetragen wird. Im Gegensatz zu pulverbettbasierten Verfahren wie LPBF ist WAAM besonders für große Metallbauteile geeignet – kostengünstiger, schneller und nicht durch Baukammergrößen limitiert.
Was bedeutet das Master-Slave-Prinzip bei der Alotec-Anlage?
Bei der BTU-Anlage gibt ein Roboter (Master) die Bewegungsabläufe vor, während der zweite Roboter (Slave) diese exakt synchronisiert nachvollzieht. So können beide Schweißroboter gleichzeitig am selben Werkstück arbeiten, ohne sich gegenseitig zu behindern – was höhere Auftragsraten und die Bearbeitung komplexer Geometrien ermöglicht.
Welche Rolle spielt die Anlage im Forschungscluster SpreeTec neXt?
SpreeTec neXt ist ein vom BMBF gefördertes Verbundvorhaben, das neue Fertigungstechnologien für die dezentrale Energietechnik entwickelt und den Strukturwandel in der Lausitz unterstützt. Die WAAM-Anlage an der BTU Cottbus dient als Forschungsplattform, um neue Prozesse und Anwendungen zu erproben, die für Komponenten der Energietechnik relevant sind.
Warum hat Alotec die Anlage zuerst in Dresden aufgebaut?
ALOtec hat die Anlage zunächst vollständig am eigenen Standort in Dresden-Kesselsdorf konzipiert, aufgebaut, in Betrieb genommen und vorab abgenommen. Erst danach wurde sie demontiert, nach Cottbus transportiert und dort wieder installiert. Dieses Vorgehen sichert Qualität und Funktionsfähigkeit vor der endgültigen Übergabe an den Kunden.
