Roboterbasierte multidirektionale additive Fertigung für das Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung

Schmitz, Markus; Reisgen, Uwe; Hüsing, Mathias

doi:HT030042637

Roboterbasierte multidirektionale additive Fertigung für das Lichtbogenschweißen mit Drahtzuführung = Robotic multidirectional additive manufacturing for Wire Arc welding

Schmitz, Markus^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Markus Schmitz

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hüsing, Mathias (Thesis advisor)^RWTH* ; Reisgen, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04994
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/957828/files/957828.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Getriebetechnik, Maschinendynamik und Robotik (411910)

Projekte

DFG project 442454814 - Kinematische Schmelzbadbeherrschung für die additive Fertigung mit Hochleistungswerkstoffen im Lichtbogenschweißverfahren (442454814) (442454814)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Pfadplanung (frei) ; Slicing (frei) ; Trajektorienplanung (frei) ; WAAM (frei) ; additive Fertigung (frei) ; additive Manufacturing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Steigende Komplexität von Bauteilen bei gleichzeitig steigender Relevanz eines nachhaltigen Materialeinsatzes, motivieren zur endkonturnahen Additiven Fertigung von kostenintensiven Legierungen. Zum Einsatz kommt dabei auch das Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM). Die notwendige Prozesshardware (Schweißkopf mit exzentrischer Drahtzuführung, Massekabel, Substratplatte und Sensorik) schränken die mögliche Bewegung des Schweißkopfes stark ein. Insbesondere die Rotation um die Hochachse des Schweißkopfes, die für eine exzentrische Drahtzuführung oder ein geeignetes Monitoring durch Sensoren notwendig wird, kann bei komplexen Pfaden nicht ermöglicht werden. Die Nachteile und Herausforderungen motivieren zum Einsatz der Multidirektionalen Additiven Fertigung mit reiner Objektmanipulation (MDAF). Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Prozesskette entwickelt, welche insbesondere die robotische Ausführbarkeit eines multidirektionalen Schweißprozesses sicherstellt. Die Prozesskette hängt von dem spezifischen Roboter und der Position des Schweißkopfes im Arbeitsraum des Roboters ab. Um bereits vor Beginn des Prozesses eine Aussage über das druckbare Volumen treffen zu können und auf dessen Basis die Schweißkopf-Position zu optimieren, wird eine entsprechende Methode entwickelt, implementiert und vorgestellt. Es konnte gezeigt werden, dass spezifische Konfigurationen aus Roboter, Substratplatte und Schweißkopf Auswirkungen auf das druckbare Volumen haben. Dabei ist nicht ausschließlich das reine Volumen relevant, sondern auch die Manipulierbarkeit des Roboters. Steht die Konfiguration fest, kann die Prozessvorbereitung, bestehend aus Slicer, Fertigungsplanung, Pfadplaner und Trajektorienplaner, durchgeführt werden. Ziel der Pfadplanung ist das Befüllen des Slices mit Pfaden, die für den Roboter ausführbar sind. Die Ausführbarkeit lässt sich in die reine Erreichbarkeit der notwendigen Roboterposen und die Manipulierbarkeit in den Geschwindigkeitsgrenzen des Roboters zerlegen. Um erreichbare Pfade zu generieren, wird eine Clustered Hamilton Path (CHP) Suche eingesetzt. Diese basiert auf einer Graphensuche. Die entwickelte Pfadplanung approximiert und expandiert dazu das Polygon, welches den Slice beschreibt. Das Polygon wird anschließend in konvexe Teilpolygone zerlegt. Für jedes Teilpolygon können verschiedene Infill-Strukturen erzeugt werden. Das Ergebnis ist ein Pfad, welcher den Slice mit Infills befüllt, die für den spezifischen Roboter erreichbar sind. Neben der reinen Erreichbarkeit lassen sich auch Prozesseinflüsse über die Gewichtungen im Graphen einbinden. Weiterhin wird im Rahmen dieser Arbeit eine Trajektorien-Optimierung entwickelt, die zugeschnitten auf die MDAF ausführbare Trajektorien generiert. Eine Ausführbarkeit konnte dabei durch die lokale Anpassung der Pfadgeschwindigkeit und der Abweichung von den vorgegebenen Rotationen erzielt werden. Diese Anpassung der kinematischen Parameter kann durch gleichzeitige Variation der Schweißparameter realisiert werden. Die Entwicklungen dieser Arbeit ermöglichen schlussendlich die Ausführung komplexer Schweißprozesse innerhalb der MDAF von Seiten des Roboters.

Increasing complexity of components and at the same time increasing relevance of sustainable material usage motivate to near-net shape additive manufacturing of cost-intensive alloys. Wire-Arc Additive Manufacturing (WAAM) is also used in this context. The necessary process hardware (welding head with eccentric wire feed, ground cable, substrate plate and sensors) strongly limit the possible movement of the welding head. Rotation around the vertical axis of the welding head, which is necessary for eccentric wire feeding or suitable monitoring by sensors, cannot be enabled for complex paths. The drawbacks and challenges motivate the use of multidirectional additive manufacturing with pure object manipulation (MDAM). In this work, a process chain is developed that specifically ensures the robotic feasibility of a multidirectional welding process. The process chain depends on the specific robot and the position of the welding head in the robot's workspace. To be able to decide about the printable volume before the process starts and to optimize the welding head position on this basis, a corresponding method is developed, implemented and presented. It was shown that specific configurations of robot, substrate plate and welding head influence the printable volume. Not only the pure volume is relevant, but also the manipulability of the robot. Once the configuration has been determined, the process preparation, consisting of slicer, production planning, path planner and trajectory planner, can be carried out. The goal of path planning is to fill the slice with paths that are executable by the robot. The executability can be decomposed into the pure reachability of the necessary robot poses and the manipulability in the speed limits of the robot. To generate reachable paths, a Clustered Hamilton Path (CHP) search is used. This is based on a graph search. For this purpose, the developed path planning approximates and expands the polygon describing the slice. The polygon is then decomposed into convex partial polygons. For each partial polygon different infill structures can be generated. The result is a path that fills the slice with infills that are reachable for the specific robot. In addition to the pure reachability, process influences can also be incorporated via the weights in the graph. Furthermore, a trajectory optimization is developed in the context of this work, which generates executable trajectories tailored to the MDAM. An executability could be achieved by the local adaptation of the path velocity and the deviation from the given rotations. This adaptation of the kinematic parameters can be realized by simultaneous variation of the welding parameters. The developments of this work finally enable the execution of complex welding processes within the MDAM on the part of the robot.

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