Digitale Photonische Produktion

  Ein mobiles System zur Lasermaterialbearbeitung großer Bleche. Urheberrecht: © Thomas Kaster Ein mobiles System zur Lasermaterialbearbeitung großer Bleche.

Die Gruppe Digitale Photonische Produktion DPP forscht im Bereich der roboterbasierten Lasermaterialbearbeitung (engl. Laser Material Processing; LMP). Der Fokus der Gruppe liegt im Bereich der Robotik auf kosteneffizienten Systemen, bspw. kollaborative Roboter (engl. collaborative robot; cobot) und eigenen, experimentellen Kinematik-Aufbauten (vgl. Bild 1), und im Bereich des LMP auf den Prozessen Laserschneiden, -schweißen und -strukturieren. Die Ergebnisse der Gruppe lassen sich jedoch auch auf andere LMP-Prozesse und kinematische Systeme transferieren.

  Kosten eines roboterbasierten Lasermaterialvearbeitungssystems. Urheberrecht: © Leon Gorissen Kosten eines roboterbasierten Lasermaterialvearbeitungssystems.

Motivation

Kosteneffiziente robotische Systeme als Handhabungssysteme für LMP bieten die Möglichkeit neue Anwender des LMP zu erschließen: Das Handwerk und kleine Unternehmen. In den letzten fünf Jahren sind die Anschaffungskosten für Strahlquellen stark – von etwa 30 USD / W auf 10 USD / W – gesunken [1].

Kosten

Die Kosten für ein 6D-LMP-System basieren hauptsächlich auf folgenden Komponenten:

  • ein 1kW Faserlaser, circa 10.000 USD [1]

  • ein cobot, circa 30.000 USD [2, 3]

  • ein Bearbeitungskopf, circa 15.000 USD

  • ein Kühlsystem, circa 12.000 USD.

Somit liegen die Gesamtkosten für 6D-LMP-System in einer Größenordnung von 67.000 USD.

  Process and application diversity of the laser as a tool. Urheberrecht: © Philipp Walderich Prozess- und Anwendungsdiversität des Lasers als Werkzeug.

Laserprozesse

Die Systemgesamtkosten, die im Vergleich zu bspw. 5-Achs-Fräsmaschinen hoch sind, relativieren sich vor allem durch die laserspezifische Prozessvielfalt und Nachhaltigkeit. Das Werkzeug Laser erlaubt verschiedenste Prozesse: Schneiden, Schweißen, Bohren, … [4]. Somit kann ein LMP-System nicht nur eine, sondern gleich mehrere Bearbeitungsanlagen ersetzen (vgl. Bild 3). Auch erlauben laserbasierte Bearbeitungsprozesse eine hohe Vielfalt an bearbeitbaren Materialien, die zum Teil konventionell nicht bearbeitet werden können.

Ein weiterer Vorteil von LMP ist das hohe Potenzial für nachhaltige Produktion. Zusatzmediumfreie laserbasierte Prozesse, z. B. Laserstrukturieren, benötigen neben dem Werkstück nur Strom für die Bearbeitung. Somit bietet die LMP die Möglichkeit CO2-neutraler Materialbearbeitung. Durch geometrische und prozessbedingte Freiheitsgrade robotischer LMP-Systeme bietet sich weiterhin das Potenzial, die Prozesse hinsichtlich Nachhaltigkeit – bspw. Minimierung des Systemenergieverbrauches – zu optimieren.

  Ist-Bahn eines Universal Robot UR5e, verglichen mit der intendierten Bahn (links) und dem daraus resultierenden lasergeschnittenen Werkstück (rechts). Urheberrecht: © Philipp Walderich Ist-Bahn eines Universal Robot UR5e, verglichen mit der intendierten Bahn (links) und dem daraus resultierenden lasergeschnittenen Werkstück (rechts).

Vor- und Nachteile robotischer LMP-Systeme

Vorteile kosteneffizienter robotischer LMP-Systeme sind dementsprechend: ein großer Bearbeitungsraum, eine hohe geometrische Flexibilität, geringe Anschaffungskosten im Vergleich mit anderen LMP-Systemen. Nachteile dieser Systeme sind: geringe Steifigkeit, anisotropes Verhalten der Kinematiken und Einschränkungen der Steuerungsmöglichkeiten. Diese Nachteile resultieren unter anderem in einem besonders relevanten Problem: Geringe Bahngenauigkeit (vgl. Bild 4). Die Gruppe Digitale Photonische Produktion untersucht unter anderem Möglichkeiten, die Bahngenauigkeit kosteneffizienter roboterbasierter LMP-Systeme zu erhöhen.

Forschungsfelder

Die Forschungsfelder der Gruppe Digitale Photonische Produktion unterteilen sich in angewandte Forschung und strategische Forschung.

In der angewandten Forschung werden, die von der Gruppe identifizierten, vier Befähiger der Digitalen Photonischen Produktion für das roboterbasierte LMP untersucht: robotische Systeme, prozessspezifische Sensorik, system- und prozessspezifische Algorithmik sowie Regelungstechnik (vgl. Bild 5).

In der strategischen Forschung werden Geschäftsmodelle, die aus der Digitalen Photonischen Produktion resultieren, sowie das Thema Künstliche Intelligenz und ihre Auswirkungen auf und Möglichkeiten für die Lasertechnik erforscht.

  Enabler der Digitalen Photonischen Produktion. Urheberrecht: © Leon Gorissen Enabler der Digitalen Photonischen Produktion.

Forschungsprojekte

Die Gruppe Digitale Photonische Produktion ist in unterschiedlichen, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) oder der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten, Forschungsprojekten und -vorhaben aktiv:

  • Exzellenzcluster Internet of Production (IoP): Die Vision des IoP besteht darin, eine neue Ebene der Crossdomain-Zusammenarbeit zu ermöglichen, indem semantisch adäquate und kontextabhängige Daten aus Produktion, Entwicklung und Nutzung in Echtzeit auf einer angemessenen Granularität bereitgestellt werden.

  • Forschungscampus Digital Photonic Production DPP: Wir glauben an das Potenzial der Lasertechnik für die Zukunft der digitalen Industrie. Deshalb bilden wir eine neuartige Form der Forschungskooperation und stärken gemeinsam die Innovationskraft Deutschlands.

  • WIR! – LASER.region.AACHEN: Das WIR!-Bündnis LASER.region.AACHEN ist ein Förderprojekt des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF), das den Strukturwandel in der Region vorantreibt. Durch die Herstellung und Nutzung neuer laserbasierter Produktionslösungen werden nachhaltig Arbeitsplätze und wirtschaftliche Erfolgsfaktoren für die LASER.region.AACHEN geschaffen.

Referenzen

[1] Optech-consulting GmbH, 2020 Laser Market Data – Optech Consulting. [Online]. Available: https://​optech-consulting.com​/​2020_​laser_​market_​data/​ (accessed: May 8 2022).

[2] Universal Robots UR5 & UR5e | MYBOTSHOP.DE, Universal Robots UR5 & UR5e | MYBOTSHOP.DE. [Online]. Available: https://​www.mybotshop.de​/​Universal-​Robots-​UR5e-​CB5-​OEM-​not-​incl-​Teach-​Pendent-​DC (accessed: Jul. 4 2022).

[3] FRANKA EMIKA PANDA | MYBOTSHOP.DE, 24.900,00 €, FRANKA EMIKA PANDA | MYBOTSHOP.DE, 24.900,00 €. [Online]. Available: https://​www.mybotshop.de​/​FE-​PANDA (accessed: Jul. 4 2022).

[4] J. Bliedtner, H. Müller, and A. Barz, Lasermaterialbearbeitung: Grundlagen – Verfahren – Anwendungen – Beispiele. München: Hanser, 2013. [Online]. Available: http://​www.hanser-elibrary.com​/​doi/​book/​10.3139/​9783446429291