In der Industrie, in der Energietechnik oder bei großen Nutzfahrzeugen – wenn massive, schwere Bauteile kaputtgehen, kann das teuer werden. Ein Tausch verursacht hohe Materialkosten. Oft würde sich eine Reparatur lohnen, doch das passende Reparaturverfahren fehlt.
An der TU Wien wurde nun ein wegweisender Prototyp für solche Fälle entwickelt: In einem handelsüblichen 20-Fuß-Container installierte der Projektpartner igm eine Roboteranlage für Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM). Dieses additive Fertigungsverfahren basiert auf dem Lichtbogenschweißen und trägt Material Schicht für Schicht auf – ähnlich, wie es viele von 3D-Druckern zuhause kennen, in diesem Fall jedoch mit Metall.
Das Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien (IFT) der TU Wien erweiterte die Anlage im Zuge des Projekts um Sensorik und Algorithmik. Dies ermöglicht nun das automatisierte Scannen des beschädigten Bauteils, den Abgleich mit dem entsprechenden „Gutteil“ und die Berechnung des daraus resultierenden Differenzvolumens, welches mit der Anlage direkt wieder hinzugefügt werden kann. Finanziert wurden die Forschungsprojekte (2ARMY I + II) vom BMF, über die FFG, mit dem BMLV als Bedarfsträger.
Metallische Bauteile einfach reparieren
„Unser Ausgangspunkt war ein simples Szenario: Angenommen, bei einem großen Nutzfahrzeug, etwa beim Militär, bricht die Anhängerkupplung. Wie kann man sie wiederherstellen, ohne tagelang auf ein Ersatzteil warten zu müssen?“, sagt Željko Šarić vom IFT, der das Forschungsprojekt leitete. „Aber natürlich kann dieses Problem überall auftreten, wo große, schwere Bauteile im Einsatz sind – etwa bei einem Kraftwerk, wenn eine Turbine beschädigt wird, oder in großen Industrieanlagen.“ Eine neue Turbine einzubauen, kostet nicht nur viel Geld und verbraucht viel Material. Die Lieferung dauert auch lange; währenddessen steht die Anlage still.
„Unsere Vision war, eine mobile Anlage zu bauen, die man mit einem LKW transportieren kann, um damit direkt vor Ort Reparaturen durchzuführen“, sagt Željko Šarić. Zunächst wird die beschädigte Komponente automatisch gescannt, um ein 3D-Modell davon zu generieren. Verbogene Teile oder unregelmäßige Bruchflächen werden vorher entfernt. Das Ergebnis des Scans wird dann am Computer mit der Geometrie verglichen, die das Bauteil eigentlich haben sollte.
„Das ist der heikle Teil der Aufgabe“, sagt Željko Šarić. „Wir müssen die exakte Differenzgeometrie berechnen – das dreidimensionale Volumen, das wir hinzufügen müssen, um wieder die gewünschte Ausgangsform zu bekommen.“ Das Differenzvolumen muss dann in einen für den Roboter lesbaren Code, der alle Werkzeugbahnen beinhaltet, überführt werden.
Der Materialauftrag funktioniert analog zum Lichtbogenschweißen: Ein abschmelzender Draht dient dabei gleichzeitig als Elektrode und als Zusatzwerkstoff. Durch einen starken Stromfluss wird er für einen winzigen Augenblick extrem erhitzt. Dadurch löst sich am Ende des Drahtes ein kleiner Metalltropfen, der auf das Bauteil fällt und dort erstarrt. Bei diesem Verfahren geschieht das fast 200-mal pro Sekunde. Durch die präzise Steuerung des Roboterarms im Einklang mit der Drahtbewegung und den passenden elektrischen Parametern lässt sich auf diese Weise Punkt für Punkt und Schicht für Schicht die gewünschte 3D-Form erzeugen – fast so wie bei einem 3D-Drucker für zuhause.
Viel Interesse am Prototyp
Die Technologie der TU Wien sorgt bereits für internationale Aufmerksamkeit: Die wissenschaftlichen Prinzipien dahinter hat man auf Fachkonferenzen publiziert, beim „AM Village“ in Spanien, einem europäischen messeartigen Workshop für Additive Technologien, wurde die Containeranlage der TU Wien vorgeführt. Erst kürzlich nahm das Team am „WAAMathon“ in Berlin teil, einer Veranstaltung, in der es speziell um die Weiterentwicklung und Industrialisierung des WAAM-Verfahrens geht.
Originalpublikationen
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Rückfragehinweis
Dipl.-Ing. Željko Šarić
Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien
Technische Universität Wien
+43 1 58801 311388
zeljko.saric@tuwien.ac.at
Prof. Friedrich Bleicher
Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien
Technische Universität Wien
+43 1 58801 31100
friedrich.bleicher@tuwien.ac.at
Aussender:
Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
+43 664 60588 4127
florian.aigner@tuwien.ac.at