Fogászati termékek gyártása felhőhöz csatlakoztatott ipari számítógépek segítségével

Precíziós marás vezérlése
EtherCAT és PC segítségével fogprotézisek gyártásában

A fogászatban a 2000-es évek elején végbement „CAD-forradalmat” követően az észak-amerikai Glidewell Dental protézisgyártó gyors ütemben fejlesztette fel műszaki hátterét a jelenlegi, rendkívüli mértékben automatizált szintre. A Beckhoff rugalmas automatizálási megoldásai segítették a fogprotézisgyártó cég korszerűsítését. A gyár esetében egy C6015 típusú ultrakompakt, IoT-kapuátjáróként működő ipari PC tölti le a felhőből a páciensekre egyedileg testreszabott NC-programokat, és két másodpercenként küldi elemzésre összesen 40 marógép gyártási adatait.

Jim Glidewell 1970-ben alapította vállalatát a kaliforniai Irvine városában lévő lakásában. A cég ma már világszerte 4300 alkalmazottal működik, fogpótlási és fogtechnikai termékek széles választékát kínálva. A helyreállító fogászatban minden terméket egyedi tételként kell legyártani a koronák, hidak, műfogsorok és más fogpótlások készítésekor. A heti több tízezer egyedi eszköz legyártását a Glidewell Dental vállalat óriási műszaki erőfeszítések árán képes biztosítani. „Évente mintegy 60 000 fogorvosnak szállítunk, ez az Egyesült Államokban fogászati helyreállítással foglalkozó összes fogorvosnak közel a fele” – nyilatkozta David Leeson, a Glidewell műszaki elnökhelyettese.
A fogorvosok a páciensek „harapásait” vagy fizikai lenyomatként küldik el postán a Glidewell vállalatnak, vagy háromdimenziós digitális lenyomatképeket olvasnak be és küldenek el a cég Amazon Web Services (AWS) felhőn alapuló digitális felületére. Egy saját fejlesztésű, mesterséges intelligenciát használó rendszer ezután minden egyes lenyomathoz mérethelyes tervet készít, és a CAD-adatokból páciensspecifikus egyedi NC-projektet állít elő. A Glidewell korszerű BruxZir^® gyára minden egyes megrendeléshez hozzárendeli az előírt jellemzőket, például a fog méretét, árnyalatát és vastagságát, majd kiválaszt egy alkalmas méretű, alakú és színű megmunkálatlan cirkónium-oxid tömböt. Ezt a nyersanyagot egy robot a részletes anatómiai megformázáshoz átadja egy marótoronynak. Ezután a protézist fényezik, természetesebb hatású felület kialakítása végett. Az adott rendelés teljes folyamatát vonalkód-leolvasókkal és egy kamerás ellenőrző-alkalmazással követik nyomon.

1. ábra A Glidewell vállalat BruxZir^® gyárában előállított minden termék egyedi:
a megmunkálandó tömböt a páciens jellemzői alapján választják ki, és a marás egyedi NC-projektek szerint történik

„A szabályozási ciklus zárásához optikai leolvasókkal létrehozzuk a késztermék háromdimenziós geometriáját, amelyet egy algoritmus összehasonlít a CAD-adatokkal. A legyártott fogprotézist akkor fogadja el a minőségellenőrzés, ha az eltérés 50 μm-en belül van – és többnyire 20 μm-en belül szokott lenni” – tette hozzá Kunal Patil, a Glidewell automatizálási vezetője. „Ha csak a fényezést kézileg végeznénk, ez egymagában akár 150 μm-es eltéréseket eredményezhetne. A PC-alapú automatizálással sokkal nagyobb pontosságot tudunk elérni.”

Magasabb szintű vezérlési képességek a gyártás bővítéséhez

A Glidewell műszaki csapata a BruxZir^® gyár megépítésének első percétől tisztában volt vele, hogy az összes automatizálási technológiának rugalmasnak, bővíthetőnek és ipari környezethez illeszkedőnek kell lennie. Ezenfelül a vállalatnak egyetlen, négy marógépből álló marótoronyból álló kapacitását kellett felbővítenie öt marótornyot tartalmazó rendszerré, később pedig még egy további, öt toronyból álló bővítést kellett végrehajtania, összesen 40 marógépre emelve kapacitását. Mindezeket tetézi, hogy az alkatrészeknek jelentős mennyiségű cirkóniumport kell elviselniük.

2. ábra A Glidewell cirkónium-oxid fogpótlásokat készítő BruxZir^® gyárában jelenleg két teljes, egyenként húsz marógépet, azaz összesen 40 marógépet üzemeltető gyártósor működik. A vállalat most épít fel egy harmadik gyártósort, amellyel 60-ra növeli marógépeinek számát

Amikor a Glidewell 2018-ban elkezdte felépíteni az első marótornyot, a műszaki csapat hamar megállapította, hogy hagyományos gépvezérlési technológiáik nem alkalmasak a feladatra. „Az eddigi vezérlőrendszereinknél számos problémát okozott a robotok és a többféle vezérlő összeszinkronizálása, továbbá a hibaelhárítás és valós idejű adatkommunikáció általunk már ismert vezérlővel történő biztosítása” – fejtette ki Kunal Patil. – „Több automatizálási felület felmérését követően a Beckhoff platformja mellett döntöttünk.”

Hatékony, IoT-képességekkel felvértezett ipari PC-k

A BruxZir^® gyárban kialakított rendszer a Beckhoff többféle ipari PC-jén és TwinCAT 3 automatizálási szoftverén alapul. Az IoT kapuátjáró egy C6015 típusú, AWS-tanúsítvánnyal rendelkező ultrakompakt ipari számítógép, amely letölti a felhőből az NC-programokat. Egy C6930 típusú, nagy teljesítőképességű, vezérlőszekrénybe épített ipari PC kommunikál a robotokkal, gépi látású rendszerekkel, terepi eszközökkel, valamint a marótornyok gépvezérlőivel. Mindegyik marótorony négy marógépének 4-tengelyes vezérlését egy TwinCAT NC I szoftvert futtató, CX5140 típusú beágyazott PC végzi, amely így 16 tengelyt kezel. Az egymással együttműködő PC-alapú vezérlők a 80 mozgástengellyel rendelkező húsz marógép egységes rendszerben megvalósított automatizálásához optimális csatlakoztathatóságot, feldolgozási kapacitást és bővíthetőséget biztosítanak. Kunal Patil állítása szerint a vezérlők teljesítik a költséghatékonysággal és élettartammal kapcsolatos elvárásokat is.
A BruxZir^® gyárnak eleget kellett tennie Kalifornia állam 2020-ban életbe léptetett IoT-előírásainak is. Ezzel kapcsolatban Davis Leeson a következőket fejtette ki: „A Beckhoff ipari PC-in Windows-környezetben futtathatjuk a jóváhagyott vírusvédelmi szoftvert. Lenyűgöző, hogy ez a megoldás a teljesítőképesség megtartása mellett képes teljesíteni a kiberbiztonsági követelményeket.” Kunal Patil elmondása szerint csapata kihasználta, hogy a szabványos gépvezérlési logikát, a korszerű CNC-kódokat és az alkalmazásprogramozási felületeket (API-kat) egyazon szoftverkörnyezetben lehet C# és .NET nyelven programozni.
A TwinCAT IoT szoftver és a C6015 típusú ipari PC az AWS környezetben futó Greengrass nyílt forráskódú edge runtime és felhőszolgáltatási IoT-rendszerre csatlakozva két másodpercenként küldi elemzésre az értékes gyártási adatokat. Ezzel egyszerűsíthető a hibakeresés és prediktív karbantartás, valamint fokozható a gépek teljesítőképessége, és javítható a termékek minősége is.

3. ábra A marási folyamatok magasabb fokú képi megjelenítésére a Beckhoff többérintéses kezelőpaneljeit használják

Pontosság és hatékonyság a TwinSAFE szoftver
és szervotechnika segítségével

Az EtherCAT a magas színvonalú gyártáshoz szükséges valós idejű adatátvitelt biztosítja, a TwinSAFE révén pedig a működési biztonság is a rendszer szerves részévé válik. „Ilyen sok párhuzamos folyamat mellett nem szeretnénk, ha az összes marógép leállna, amikor valaki az egyiken megnyomja a vészleállító gombot. A TwinSAFE lehetővé teszi bizonyos marógépek és biztonsági zónák szelektív leállítását, és ezt a logikát teljeskörűen egy adott projekten belül határozhatjuk meg” – fejtette ki Kunal Patil.
Az adagoló robotokat – amelyek a nyers tömböket a marótornyokba helyezik – a Beckhoff egykábeles technológiájú (OCT), AX5000 típusú szervohajtásai és AM8000 típusú szervomotorjai működtetik. A marógépekbe OCT-vel ötvözött, helytakarékos kompakt hajtástechnika került, azaz AM8100 típusú soros szervomotorok és EL7211 típusú szervomotor-terminálok. Az AM8100 típusú szervomotorok az állandó irányváltások miatt fellépő nagy igénybevétel mellett tartósnak, megbízhatónak és rendkívül precíznek bizonyultak. „Ha a motorok akár csak kismértékben is pontatlanok lennének, akkor a végtermék nem felelne meg a terveknek, továbbá minimális rezgések is az anyag elpattanását okozhatják, és termékhibákat eredményezhetnek” – világított rá Kunal Patil a rendkívül szigorú követelményekre.

4. ábra A Beckhoff csapata – John Helfrich alkalmazásfejlesztési mérnök, Charles Usher területi értékesítési mérnök és Lauren de Rosset alkalmazástechnikai mérnök – szorosan együttműködik a Glidewell Dental munkatársaival, Kunal Patil automatizálási vezetővel és David Leeson műszaki elnökhelyettessel

Az alkatrészek számának és költségeinek mérséklése
PC-alapú vezérléssel

A BruxZir^® gyár a Beckhoff PC-alapú vezérléstechnikájára való átállás után nagy pontosságú gyártást és adatgyűjtést volt képes elérni. Mindegyik marógép mintegy tíz perc alatt készít el egy-egy terméket, és a termelés napi 24 órában folyamatos. A vállalat most épít fel egy harmadik gyártósort, 60-ra növelve a marógépek számát. David Leeson nyilatkozata szerint a PC-alapú automatizálással sikerült csökkenteni a szükséges alkatrészek számát: „Korábban mindegyik vezérlőnk csak egy marógépet tudott kezelni, míg a Beckhoff gyártmányú vezérlők egyenként négyet. Ezenfelül a korábbi eszközök esetén a mostanival azonos funkcionalitású adatgyűjtéshez és felhő-adatkapcsolathoz vezérlőnként kellett volna egy-egy PC-t üzembe állítani.” Kunal Patil hozzátette még, hogy a vállalat által számításba vett más lehetőségek közel kétszer többe kerültek volna. Rendszereinek továbbfejlesztése érdekében a Glidewell folyamatosan felméri a Beckhoff új technológiáit, beleértve az EtherCAT G vezérlőrendszerrel és TwinCAT HMI megjelenítő szoftverrel megvalósított gigabites adatátvitelt is. „A Glidewell és a Beckhoff története hasonló: mindkét cég egyetlen tulajdonossal indult, és az innováció iránti szenvedélyük révén értek el gyors növekedést” – magyarázta Kunal Patil. – „A Beckhoff vállalatra nem mint beszállítónkra, hanem mint partnerünkre tekintünk.”

BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Gubacsi út 6.
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.beckhoff.com