HYBDED | Hybride Fertigung mechatronischer Komponenten

Das Video zeigt die Kaltgaszelle des Fraunhofer IGCV, die um einen zusätzlichen Mehrachsroboter erweitert wurde. Während der Unterbrechung des Kaltgasspritzprozesses entnimmt der Roboter mit dem HYBDED-Frontend einen Temperatursensor aus dem Komponentenmagazin und legt diesen auf der Bauplatte ab.

In diesem Video ist die Implementierung von PT100 Temperaturfühlern zu sehen. Die Sensoren werden in einer Aluminiumplatte platziert und anschließend mit der Kupferlegierung CuCr1Zr mittels Kaltgasspritzen überspritzt und dadurch in die Platte integriert. Die Handhabung erfolgt dabei mit einem Mehrachsroboter samt neu entwickelten Frontend. Die Positionierung des Sensors wird mit einem Kamerasystem überprüft. Zur Fixierung und zum Schutz der Sensorlitzen wird das am Fraunhofer IGCV entwickelte Insertkonzept genutzt: hierbei wird der Sensor in ein Insert gesteckt und anschließend in der Kavität platziert. Im Video sind zwei unterschiedliche Entwicklungsstufen (V2 & V3) der Inserts zu sehen. Der Unterschied in der Auftragsqualität ist deutlich erkennbar. Die neueste Version V3 ermöglicht das Aufbringen einer geschlossenen Deckschicht und somit eine einwandfreie Integration der Komponenten in kaltgasgespritzte Bauteile.

Direct Energy Deposition-(DED)-Verfahren zeichnen sich gegenüber pulverbettbasierten Verfahren (z. B. Laser-Strahlschmelzen) durch eine höhere Auftragsrate und größere realisierbare Bauteildimensionen aus. Vertreter dieser Verfahren sind beispielsweise das Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) oder die Additive Fertigung mittels Kaltgasspritzen (Cold Spray Additive Manufacturing – CSAM).

Für Unternehmen, insbesondere aus der Automotive-, Luftfahrt- und Medizinbranche, verspricht die Additive Fertigung eine Vielzahl neuer Einsatzmöglichkeiten und insbesondere Ersatzteile können schnell und einfach reproduziert werden.

Mit der Integration von Sensoren in Bauteile können Daten an bisher nicht oder nur sehr schwer zugänglichen Positionen erfasst werden. Derzeit wird am Fraunhofer IGCV an der Integration von PT100-Temperatursensoren in die kaltgasgespritzten Bauteile geforscht. Der Fokus liegt neben der optimalen Anbindung der Sensoren auf der späteren Automatisierbarkeit des Integrationsprozesses (siehe Video).

Das Teilprojekt HYBDED fokussiert die Additive Fertigung mittels Kaltgasspritzen, wodurch eine hohe Auftragsrate und damit kurze Fertigungszeiten ermöglicht werden. Das Ziel des Forschungsprojekts ist es, Sensoren und andere mechatronische Komponenten automatisiert und prozesssicher in kaltgasgespritzte Bauteile In-Process einzulegen. Hierfür wird die Kaltgaszelle aus dem Schwesterprojekt FASTMULT um einen weiteren Industrieroboter erweitert. Mit diesem können mechatronische Komponenten in die Bauteile eingelegt und überspritzt werden. Das Modul verfügt neben dem Greifer und Überwachungstechnik auch über eine Frässpindel zur Vorbereitung der benötigten Kavitäten, um die Komponenten prozesssicher in das Bauteil einbringen zu können.

Eine Hürde bei der In-Process Integration mechatronischer Komponenten beim Kaltgasspritzen stellt die große mechanische Belastung der Komponenten durch den Spritzstrahl dar. Zur erfolgreichen Integration der Komponenten ist eine Vorbereitung dieser notwendig. Hierfür wurde ein Ablaufkonzept (siehe Abbildung 3) erarbeitet, das derzeit am Fraunhofer IGCV qualifiziert wird.