TY - THES A1 - Neumann, Till T1 - Automatisierte Integration von Sensoren in mittels Laser-Strahlschmelzen gefertigte Metallbauteile N2 - In dieser Arbeit wurde eine Kinematik zur automatisierten Sensorintegration während des Laserstrahlschmelzens realisiert. Diese bietet wesentliche Vorteile im Vergleich zur Vorgängerkinematik. Um dies zu erreichen wurden zu Beginn der Arbeit einige vorausgehende Untersuchungen wie z. B. zur Fertigung von Testbauteilen mit der Vorgängerkinematik (Kapitel 4.1), der Analyse der Prozesskette einer Sensorintegration (Kapitel 4.2), sowie zu daraus hervorgehenden Optimierungsanforderungen (Kapitel 4.3) an ein optimiertes System, durchgeführt. Diese Voruntersuchungen galten der Ermittlung von Schwachpunkten im System. Außerdem wurde die Realisierung eines ganzheitlich neuen Kinematikkonzepts, welches die vorrausgehende Kinematik nicht zum Vorbild hatte, erwogen (siehe Kapitel 4.5). Resultierend daraus wurde die Entscheidung gegen eine solche Neuentwicklung getroffen, da diese keine Verwendung von standardisierten Kinematikbauteilen zuließ. Somit ging es nun um die Optimierungsmöglichkeiten der bereits bestehenden Kinematik. Die Voruntersuchungen ergaben diesbezüglich im Grunde drei Gebiete mit signifikantem Verbesserungspotential. Bessere Hardware (Sensorik), einfachere Ansteuerung der Kinematik und mathematische Berechnung der benötigten Koordinaten anstatt experimenteller Ermittlung. Der Optimierung dieser drei Punkte wurde sich in jeweils einem eigenen Kapitel gewidmet. In Kapitel 5.1 wurden die Linearachsen mit Encodern an allen antreibenden Elektromotoren ausgestattet um die gesamte kinematische Genauigkeit in allen Aspekten zu verbessern (sowohl Absolut- als auch Wiederholgenauigkeit). Dies wurde durch die anschließende Messung der Anfahrgenauigkeit und der Gegenüberstellung dieser Ergebnisse mit den Genauigkeitswerten der Ausgangskinematik verifiziert. So wurden sowohl die mittlere als auch die maximale Positionstreubreite, welche zuvor bei mehreren Millimetern lagen, auf Null reduziert (Messunsicherheit: +/- 0, 1 mm). Um die Ansteuerung der Kinematik zu vereinfachen wurde in Kapitel 5.2.1 die bis dahin verwendete Beckhoff SPS durch eine neue Steuerungseinheit der Firma IGUS ersetzt. Diese bringt eine eigene Programmierumgebung mit sich (sog. IGUS Robot Control), welche durch eine graphische Benutzeroberfläche Übersichtlichkeit schafft und keine besonders tiefen Programmierkenntnisse erfordert. Im Zuge dessen wurde der Integrationsprozess softwareseitig auf Basis eines Zustandsautomaten neu entwickelt. Wichtiger Bestandteil davon ist die Kommunikation der Laserstrahlschmelzanlage (AconityOne) mit dem Beschichtermodul, welches die restlichen Achsen und die Pneumatik für die beiden Endeffektoren beherbergt. Um die benötigten Koordinaten für die Befehle der Kinematik mit möglichst geringem Aufwand erhalten zu können, wurde in Kapitel 5.2.2 ein Berechnungstool in Microsoft Excel entwickelt. Dieses benötigt als Dateninput nur die maximalen Außenmaße eines Bauteils, in das es einen Sensor zu integrieren gilt, die Positionseigenschaften der Sensorkavität in diesem Bauteil und die Position an welche das Bauteil auf der Bauplattform angeordnet wurde. Dann können mittels Multiplikation von Transformationsmatrizen die relevanten Koordinaten für die Integrationskinematik ausgerechnet und in das Steuerungsprogramm eingefügt werden. Mit welcher Genauigkeit diese berechneten Koordinaten mit der Realität übereinstimmen wurde in Kapitel 6.3 überprüft. Diese Ergebnisse zeigen eine Transformationsgenauigkeit von 2, 78mm +/- 2, 68mm. Das Excel-Tool ist damit ein Kompromiss, welcher die größtmöglichen Positionsfehler vermeidet (Augenmaß bei experimentellen Vorversuchen) und eine einigermaßen benutzerfreundliche Bedienung erlaubt. Eine nahezu hundertprozentige Übereinstimmung wird mit dieser Art Rechen-Tool kaum erreichbar sein, da Anteile der Toleranzkette zwischen Realität und mathematischem Modell noch nicht beachtet werden bzw. auch schwer in der jetzigen Form realisierbar sind. So z. B. die Verzerrung der Bauteildimensionen durch die Laseroptik oder das Schrumpfen der Bauteile durch das Aufschmelzen und Aushärten zu extrem dichten Materialgebilden. Um die Genauigkeit weiter zu steigern, müsste man diese Toleranzkette noch genauer untersuchen und z. B. in umfangreicheren Simulationstools nachbilden. Um weitere Vergleichswerte zu den hier erzielten Daten zu erhalten, wird empfohlen mit der optimierten Kinematikkonfiguration erneut Proben mit integrierten Sensoren zu produzieren. Diese Proben können dann mit denen, die in dieser Arbeit untersucht wurden, direkt verglichen werden. Potential zur Eröffnung weiterer Möglichkeiten bietet evtl. die Erweiterung der Kinematik um eine rotatorische Achse am Ende der kinematischen Kette (an den Endeffektoren) an. Somit könnten Sensoren auch in verschiedenen Orientierungsrichtungen in Bauteile integriert werden. Schaut man auf die in Kapitel 4.3 gestellten Pflichtanforderungen zurück, so werden diese alle erfüllt. Die Kinematik kann zwei Endeffektoren frei über der Bauplattform positionieren ohne dabei den LBM-Prozess zu behindern. Der Arbeitsraum der Kinematik reicht auch aus um über die Bauplattform hinaus ein, in der Prozesskammer positioniertes, Komponentenmagazin mit enthaltenen Sensoren zu erreichen. Die kontinuierliche Überwachung und die damit einhergehende Positionsbestimmung des Systems sorgen für eine stark verbesserte Wiederholgenauigkeit. Das Zusammenspiel zwischen Laserstrahlschmelzprozess und Sensorintegrationsprozess ist durch die Kommunikation über eine Schnittstelle von High- und Low-Signalen gewährleistet. Was die Standhaftigkeit des Systems gegenüber den harten Umwelteinflüssen innerhalb der Prozesskammer angeht müssen diesbezüglich noch Versuche unter eben diesen Prozessbedingungen durchgeführt werden, damit dahingehend genauere Aussagen getroffen werden können. Was die Wunsch- und Anregungsanforderungen (Punkt 4.3.2 und 4.3.3) angeht so sind diese realistische Ziele um in, auf dieser Arbeit aufbauenden weiteren Entwicklungen, erreicht werden zu können. Y1 - 2021 UR - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:573-32666 CY - Ingolstadt ER -