XPlanar verkürzt Produktionsvorlauf von Wochen auf Stunden

Die Universität Aalborg gehört nach eigener Aussage weltweit zu den Ersten, die das intelligente Transportsystem XPlanar von Beckhoff in fortschrittlichen Laserprozessen erproben. Ziel ist es, den Anforderungen der Industrie nach einer flexibleren und nachhaltigeren Produktion gerecht zu werden. Das Ergebnis ist ein schnelles, präzises und softwaregesteuertes Produktionskonzept, das die Entwicklung und Herstellung von Metallteilen verändern kann.

Am Institut für Werkstoffe und Produktion der Aalborg University (AAU) forscht Dozent Dr. Morten Kristiansen seit mehr als 15 Jahren an Laserprozessen. Seine Mission ist es, neue Methoden für die schnellere Formgebung von Metallteilen in kleinen und mittleren Serien unter Einsatz von Lasern zu entwickeln: „Lasertechnologie steht für eine völlig neue Art, Produktion zu denken – präzise, flexibel und von der ersten Sekunde an digital gesteuert. Während die klassische Fertigung große Pressen, komplexe Werkzeuge und lange Einrichtzeiten erfordert, können Laserprozesse die gleichen – oder sogar noch fortschrittlichere – Komponenten ohne physische Werkzeuge herstellen.“

In der intelligenten Fabrik der Zukunft werden Flexibilität, weniger Ausschuss und deutlich reduzierte Produktionskosten entscheidend sein. Deshalb arbeitet das Forscherteam an der AAU daran, traditionelle, werkzeugbasierte Prozesse durch digitale Methoden zu ersetzen, die Zeit und Kapital freisetzen sowie eine schnelle Anpassung an die Marktbedürfnisse ermöglichen.

Rotation mit Mikrometerpräzision

Mit dem Planarmotorantriebssystem XPlanar hat die AAU einen neuen Schritt gewagt und kann damit nun ein modulares Transportsystem nutzen, das die Werkstücke mithilfe von Movern über den XPlanar-Kacheln als hochkompakte, vollintegrierte Antriebseinheiten schwebend und mit Mikrometerpräzision in sechs Freiheitsgraden positionieren und drehen kann.

In der AAU-Anlage ist eine kleine Metallplatte über einen Werkstückträger auf dem XPlanar-Mover befestigt, der mit schnellen Bewegungen unter den Laser bewegt wird. Dieser biegt, formt und graviert das Metall. Dazu Dr. Morten Kristiansen: „Als wir XPlanar zum ersten Mal sahen, haben wir sofort das Potenzial erkannt. Anstatt den Laserkopf mit einem teuren Roboter zu bewegen, können wir einfach den XPlanar-Mover so steuern, dass er das Werkstück bewegt. Das sorgt für weitaus höhere Präzision, Flexibilität und einen reibungsloseren Prozess. Gleichzeitig können wir mehrere Prozesse in einer Maschine vereinen.“

Präzision ist entscheidend und mit einer Wiederholgenauigkeit von ±5 µm ist XPlanar laut Dr. Morten Kristiansen präziser als selbst die modernsten Roboter. Dadurch lässt sich XPlanar direkt in ein Gesamtproduktionssystem integrieren, in dem die Werkstücke automatisch zwischen den Stationen transportiert werden. „Wo eine herkömmliche Produktion separate Maschinen und manuelle Handhabung erfordert, kann unsere Anlage alles bewältigen – schnell, präzise und softwaregesteuert“, sagt er. Das System lässt sich leicht um weitere Stationen erweitern, und jeder Mover kann auf ein bestimmtes Produkt abgestimmt werden. So können mehrere individuelle Produkte parallel gestaltet werden. „Es ist, als hätte man ein digitales Produktionslabor, in dem wir mehrere verschiedene Produkte gleichzeitig testen und die Unterschiede in Echtzeit sehen können“, so der Dozent weiter.

Geeignet als All-in-One-Laserplattform

Die XPlanar-Technologie wurde zwölf Monate lang getestet und ist Gegenstand einer Abschlussarbeit von Mads Holm Andersen und Mads Augustinus Frøhlich unter der Betreuung von Dr. Morten Kristiansen. Diese Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die Magnetschwebetechnologie in laserbasierten Prozessen ein großes industrielles Potenzial birgt und die Grundlage für eine integrierte All-in-One-Laserplattform für die Blechindustrie bilden kann. „Die Bearbeitungszeit pro Werkstück wird gering gehalten, da XPlanar Werkstücke zum Abkühlen beiseite schieben kann, während andere Werkstücke vom Laser bearbeitet werden. Bei den von uns hergestellten Werkstücken betragen die Bearbeitungszeiten fünf Minuten; die Gesamtzeit vom Entwurf bis zum fertigen Werkstück dauert aufgrund der Abkühlzeit ein bis zwei Stunden. Diese Fertigungszeit ist mit traditionellen Fertigungstechniken zu vergleichen, die eine Vorlaufzeit von vier bis sechs Wochen haben können, wenn zunächst Werkzeuge zur Herstellung des Werkstücks gefertigt werden müssen“, erklärt Mads Augustinus Frøhlich, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffe und Produktion der AAU.

„XPlanar ist ideal für Prototypen, kleine und mittlere Stückzahlen sowie die On-demand-Produktion. Man produziert nur die erforderliche Anzahl an Werkstücken und kann den Werkstückabfall um mindestens 10 % reduzieren. Das entspricht in etwa der Menge, die man typischerweise bei einer Abkantpresse mit einer konventionellen Produktionslinie überproduziert“, erklärt Mads Augustinus Frøhlich weiter.

Vom Experiment zum industriellen Potenzial

„Die Industrie hat das volle Potenzial des Lasers noch nicht ausgeschöpft. Mit XPlanar können wir vielleicht einen neuen Industriestandard für digitale, präzise und modulare Produktion in einem durchgängigen Arbeitsablauf setzen. Das ist ziemlich einzigartig“, verdeutlicht Dr. Morten Kristiansen. Die AAU arbeitet bereits mit Industriepartnern zusammen, um die Technologie zur Marktreife zu bringen. Ziel ist es, die Lösung innerhalb weniger Jahre in realen Produktionsumgebungen zu testen – beispielsweise in der Metall-, Elektronik- und Medizintechnikindustrie, wo mit kleinen Präzisionskomponenten und häufigen Designänderungen gearbeitet wird.

Laut Dr. Morten Kristiansen sind TwinCAT als offene Softwareplattform und die enge technische Zusammenarbeit mit Beckhoff die eigentliche Voraussetzung dafür, experimentell denken und Neues entwickeln zu können. Die offenen Standards, die flexible Software und die vielen Schnittstellen ermöglichen es, alles von Sensoren und Bildverarbeitung bis hin zu Lasersystemen zu integrieren – ohne an einen Hersteller gebunden zu sein. „Die Technologie von Beckhoff ist äußerst zugänglich. Wir können die Software herunterladen, die Lösungen testen und uns an ein riesiges Ökosystem von Komponenten anschließen. Das bedeutet, dass sowohl Forscher als auch Studierende Ideen in der Praxis ausprobieren und darauf aufbauen können, ohne von vorne anfangen zu müssen. Die Kombination aus Präzision, Geschwindigkeit und Softwarefreiheit macht Beckhoff zu einem idealen Partner für Forschungsumgebungen, in denen Innovation durch Experimente entsteht“, erklärt er.

Die Zusammenarbeit zwischen der AAU und Beckhoff reicht mehr als 15 Jahre zurück – und basiert auf einer gemeinsamen Neugierde, die Grenzen der Automatisierung auszuloten. Die Experten von Beckhoff waren vom ersten Proof-of-Concept an direkt involviert und haben schnellen, persönlichen Support geleistet, wenn neue Ideen umgesetzt werden sollten. „Sie melden sich immer schnell zurück, teilen ihr Wissen und helfen uns, die Lösung zu verstehen, anstatt nur eine Korrektur zu liefern. Das macht uns besser“, sagt Dr. Morten Kristiansen.