Automatisierung eines robotergeführten Reparaturprozesses durch subtraktive und additive Fertigung auf Basis von Kaltgasspritzen
Publication date
2026-03-20
Document type
Dissertation
Author
Advisor
Referee
Granting institution
Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Exam date
2026-03-06
Organisational unit
Publisher
Universitätsbibliothek der HSU/UniBw H
Part of the university bibliography
✅
File(s)
Language
German
DDC Class
620 Ingenieurwissenschaften
Keyword
Reparatur
Kaltgasspritzen
Robotik
Sensorik
Maschinelle Vorbereitung
Trajektorie
Abstract
Durch eine effiziente und nachhaltige Ressourcennutzung im produzierenden Sektor der Industrie können Treibhausgasemissionen reduziert und damit klimarelevante Umweltbelastungen gesenkt werden. Der Einsatz von Reparaturverfahren ermöglicht es, beschädigte Bauteile zu reparieren, und stellt damit eine ressourceneffiziente Alternative zur Neuproduktion dar. Additive Fertigungsverfahren wie das Kaltgasspritzen ermöglichen dabei durch einen gezielten Materialauftrag die Reparatur lokal beschädigter Bauteile. Beim Kaltgasspritzen erfolgt der Materialauftrag des Ausgangsmaterials im festen Zustand bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunkts und ermöglicht damit die Reparatur oxidationsempfindlicher Materialien. Um neben ökologischen Herausforderungen zusätzlich dem Mangel an erfahrenen Fachkräften zu begegnen, die hohe Arbeitsintensität manueller Bauteilreparaturen zu vermeiden und die Durchgängigkeit eines ganzheitlichen Reparaturprozesses zu gewährleisten, bietet sich die Automatisierung mithilfe eines Industrieroboters an.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Automatisierung eines robotergeführten Reparaturprozesses auf Basis von Kaltgasspritzen vorgestellt. Dazu wird in der Methode mithilfe eines Industrieroboters zunächst die lokale Schadstelle des beschädigten Bauteils sensorisch erfasst und für die weitere Modellierung und Simulation in eine digitale Prozesskette integriert: Dies beinhaltet sowohl die maschinelle Vorbereitung der Schadstelle, um die Voraussetzungen für den anschließenden Materialauftrag mittels Kaltgasspritzen zu schaffen, als auch die Trajektorienplanung für den Materialauftrag mittels robotergeführten Kaltgasspritzens, um den Spritzstrahl mit den erforderlichen sekundären Prozessparametern des Kaltgasspritzens zu handhaben. Anschließend werden die erzeugten Anwenderprogramme der maschinellen Vorbereitung und des Materialauftrags auf die Steuerung des Industrieroboters übertragen und auf das beschädigte Bauteil angewendet. Der resultierende Materialauftrag wird abschließend sensorisch überprüft. Die entwickelte Methode wird anhand von zwei Anwendungsbeispielen sowohl simulativ als auch experimentell evaluiert und zeigt die erfolgreiche Automatisierung des robotergeführten Reparaturprozesses.
Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Methode zur Automatisierung eines robotergeführten Reparaturprozesses auf Basis von Kaltgasspritzen vorgestellt. Dazu wird in der Methode mithilfe eines Industrieroboters zunächst die lokale Schadstelle des beschädigten Bauteils sensorisch erfasst und für die weitere Modellierung und Simulation in eine digitale Prozesskette integriert: Dies beinhaltet sowohl die maschinelle Vorbereitung der Schadstelle, um die Voraussetzungen für den anschließenden Materialauftrag mittels Kaltgasspritzen zu schaffen, als auch die Trajektorienplanung für den Materialauftrag mittels robotergeführten Kaltgasspritzens, um den Spritzstrahl mit den erforderlichen sekundären Prozessparametern des Kaltgasspritzens zu handhaben. Anschließend werden die erzeugten Anwenderprogramme der maschinellen Vorbereitung und des Materialauftrags auf die Steuerung des Industrieroboters übertragen und auf das beschädigte Bauteil angewendet. Der resultierende Materialauftrag wird abschließend sensorisch überprüft. Die entwickelte Methode wird anhand von zwei Anwendungsbeispielen sowohl simulativ als auch experimentell evaluiert und zeigt die erfolgreiche Automatisierung des robotergeführten Reparaturprozesses.
Efficient and sustainable use of resources in the manufacturing sector of industry can reduce greenhouse gas emissions and thus lower climate-relevant environmental pollution. The use of repair techniques offers a resource-efficient alternative to new production by enabling damaged components to be repaired. Additive manufacturing processes, such as cold spray, enable the targeted deposition of material to repair locally damaged components. In cold spray, the material is deposited in a solid state at temperatures below the melting point, thus enabling the repair of oxidation-sensitive materials. In addition to ecological challenges, automation using an industrial robot offers a suitable approach to address the shortage of experienced specialists, avoid the high labor intensity of manual component repairs, and ensure the consistency of a comprehensive repair process.
This work presents a method for automating a robot-guided repair process based on cold spray. First, the method uses an industrial robot to detect the locally damaged area of the damaged component using a sensor and integrates it into a digital process chain for further modeling and simulation: This includes both the mechanical pre-machining of the damaged area in order to create the conditions for the subsequent material deposition using cold spray, as well as the trajectory planning for the material deposition using robot-guided cold spray in order to handle the spray jet with the required secondary process parameters of cold spray. Subsequently, the generated programs for pre-machining and material deposition are transferred to the control of the industrial robot and applied to the damaged component. Finally, the deposited material is checked using the sensor. The developed method is evaluated both simulatively and experimentally using two application examples and demonstrates the successful automation of the robot-guided repair process.
This work presents a method for automating a robot-guided repair process based on cold spray. First, the method uses an industrial robot to detect the locally damaged area of the damaged component using a sensor and integrates it into a digital process chain for further modeling and simulation: This includes both the mechanical pre-machining of the damaged area in order to create the conditions for the subsequent material deposition using cold spray, as well as the trajectory planning for the material deposition using robot-guided cold spray in order to handle the spray jet with the required secondary process parameters of cold spray. Subsequently, the generated programs for pre-machining and material deposition are transferred to the control of the industrial robot and applied to the damaged component. Finally, the deposited material is checked using the sensor. The developed method is evaluated both simulatively and experimentally using two application examples and demonstrates the successful automation of the robot-guided repair process.
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