Olvasztásmentes 3D fémnyomtatás – műszakilag egyszerűbb, jövőbiztos fejlesztés
Rugalmas PC-alapú vezérlés szilárd fémekkel történő 3D nyomtatáshoz
A Meld Manufacturing által kifejlesztett, szilárd fémanyagokra épülő 3D nyomtatási eljárás súrlódási és nyomóerő alkalmazásán alapul. Az olvasztásos eljárásokhoz képest az új módszer előnye többek között, hogy nagy méretű 3D nyomtatókon is alkalmazható, valamint nagyobb teherbírású alkatrészek készíthetők vele. Rendszereinek optimális vezérléséhez a vállalat a Beckhoff rugalmas EtherCAT rendszerét és PC-alapú vezérléstechnikáját választotta.
A Virginia államban, Christiansburg városában bejegyzett, Nanci Hardwick vezette vállalat számos különféle megrendelő igényét szolgálja ki védelmi, kutatási és gyártási területen. Dr. Chase Cox, a MELD technológiai igazgatója elmondta, a MELD 2018-ban vált ki anyavállalatából, az Aeroprobe-ból azzal a célkitűzéssel, hogy a keverő dörzshegesztési eljárást átültesse a 3D nyomtatásba. Keverő dörzshegesztés során fémek megolvasztása nélkül alakítják ki a munkadarabok közötti kötést.
A fenti módszeren alapul a MELD új additív eljárása, amellyel rétegeket lehet egymásra felvinni 3D nyomtatáshoz. A szabadalmaztatott módszer során egy tömör fémrudat forgatnak meg, amelyre az anyagfelvitel pontján meghatározott erőt fejtenek ki. A súrlódás hatására a fém képlékenyen deformálódik és rétegesen rakódik le. Amíg a rúd folyamatosan és a helyes sebességgel forog, az adiabatikus, tehát a környezettel hőcserét nem folytató melegítés hatására a fém továbbra is megfolyik.
Az előbbiekben ismertetett innovatív eljárással a végfelhasználók bármely fémből nyomtathatnak alkatrészeket, többek között olyan alumínium- és egyéb ötvözetekből is, amelyek más additív gyártórendszerekben általában problémákat okoznak. A legtöbb elterjedt 3D nyomtatási módszerrel ellentétben az új eljárás nem olvasztja meg a fémeket, tehát anyagtulajdonságaikat sem változtatja meg. A termék ezért szilárdabb lesz és kevésbé lesz hajlamos porozitásra, megszilárdulási krakkolásra vagy más, olvadékalapú eljárásoknál jelentkező meghibásodásokra. A szilárd fémet alkalmazó eljárás egyúttal legalább tízszer gyorsabb és energiaigénye is kisebb, mint a korábbi módszereké.
A MELD eljárásának további előnye: a nyomtatott fém szilárdabb marad, mint a fémolvadékos 3D nyomtatással készített alkatrészek (Fotó: © Foreword LLC, 2022)
Továbbfejlesztés rugalmas automatizálás révén
A MELD jelenlegi kínálatában szereplő L3, K2 és 3PO típusú gépekkel különféle méretű alkatrészek gyárthatók, a kb. 90 cm hosszú és 30 cm magas részegységektől a 4 m hosszú és 1 m magas alkatrészekig. Megrendelhető a CD-14 jelű csomag is, amely nagy, egyedi rendszerekbe építhető be. A csomag egy forgó felvivőszerszámmal ellátott orsóból, elektromos blokkból és egy kezelőfelületből áll. A továbbfejlesztéshez kulcsfontosságúnak bizonyultak a nyílt, igényekhez igazítható vezérléstechnikai megoldások.
A vállalat 2018-as kiválása után az eredeti vezérlési platform nem tudott lépést tartani az igényekkel, ezért Fred Lalande-nak, a MELD vezető automatizálási mérnökének egy G-kód interpretert (értelmezőt) kellett írnia. Szükség volt egy külön szoftvercsomagot futtató önálló PC-re is, a kezelőfelület futtatásához és a működési adatok átviteléhez. Végül azzal a problémával kellett szembenézni, hogy a platformhoz nehéz volt terepi eszközöket csatlakoztatni. Miközben Fred Lalande a platform és a Beckhoff EL70xx-sorozatú léptetőmotor-terminálja közötti kommunikáción dolgozott, kapcsolatba lépett a Beckhoff helyi csapatával, Chuck Padvorac regionális értékesítési mérnökkel és Jack Plyler alkalmazástechnikai mérnökkel is. A Beckhoff teljeskörűen integrált PC-alapú vezérlését megismerve arra a következtetésre jutott, hogy megtalálta a MELD rendszeréhez ideálisan illeszkedő platformot.
A MELD egy B8 típusú gépe előkészítve és nyomtatásra készen (Fotó: © Foreword LLC, 2022)
Ami végképp meggyőzte Lalande-t, az a TwinCAT 3 automatizálási szoftver volt. Az első gép kódját strukturált szövegként írta meg Codesys fejlesztőkörnyezetben, majd a TwinCAT Engineering platformon rövid idő alatt viszonylag könnyen konvertálni tudta ezt a kódot. Közben a TwinCAT NC I szoftverben megírt egy, a G-kódú fájlok PLC-n belüli futtatására képes programot, továbbá a TwinCAT HMI eszközkészlet használatával egy új, HTML5-alapú kezelőfelületet is. „Addig mindig két vagy három különböző szoftvercsomagot kellett futtatnom, ami kényelmetlen volt” – fejtette ki Lalande. – „A TwinCAT szoftverben most egyetlen programot indítok el, és minden ott van a kezem ügyében.”
A megoldások továbbfejlesztése során a kód idővel egyre összetettebbé vált, de mivel a TwinCAT környezetben írt program hordozható, egy gép kódját könnyen hozzá lehet igazítani a következő kifejlesztendő gép igényeihez. Ezenfelül az additív gyártás terén döntő fontosságú a szellemi tulajdon védelme, különösen egy ilyen speciális, szabadalmaztatott eljárás esetében. Chuck Padvorac, a Beckhoff munkatársa kiemelte, hogy a TwinCAT ezen a területen is többféle előnnyel rendelkezik. – „A Beckhoff szoftverplatformjának >>OEM tanúsítvány<< funkciójával az ügyfél megvédheti az értékes kódot. Minden jelszó által védett és titkosított, tehát senki sem tudja lemásolni a MELD fejlesztéseit.”
A MELD által kifejlesztett additív gyártási folyamattal bármilyen fém nyomtatható (Fotó: © Foreword LLC, 2022)
„Ebben a 3D folyamatban a folytonos nyomtatáshoz szükséges hőmérséklet fenntartása érdekében minden egyes anyagnál pontosan kell modulálni az orsó sebességét” – adta tudtunkra Chase Cox. Ebből a célból, a MELD egyedülálló technológiájának sikeres megvalósítása végett a TwinCAT szabályozástechnikai eszközkészletének (TwinCAT Controller Toolbox) egy PID-szabályozója kéthurkos visszacsatolással állítja be a tengely működését.
A TwinCAT központi vezérlőplatformként fut a Beckhoff vezérlőszekrénybe szerelt, C6920 típusú ipari PC-jén. A kezelőfelületet a Beckhoff CP2924 típusú többérintéses kezelőpanelje adja, amely egyedi nyomógombbővítményeket és további funkciókat biztosít a kezelő számára.
A CP2924 típusú többérintéses kezelőpanel (itt álló helyzetben) és a TwinCAT HMI szoftver kényelmes, intuitív, interneten keresztül programozható kezelőfelületet alkot (Fotó: © Foreword LLC, 2022)
Mozgásvezérlés és működésbiztonság
Az L3, K2 és 3PO típusú gépek mozgásvezérlését a Beckhoff szervomegoldásai biztosítják. Az X-, Y- és Z-tengely menti mozgatásokat AX5000 típusú szervohajtások és megfelelő erőátviteli blokkokkal ellátott, AM8000 típusú szervomotorok kezelik. Fred Lalande kifejtette, hogy a folytonos adagolórendszert EL72xx típusú szervomotor-terminálok vezérlik: „Az adagolórendszerrel a kezelő egyszerre nyolc órára elegendő alapanyagot tölthet be, amelyet a Beckhoff kompakt mozgatórendszerei önműködően, igény szerint juttatnak a forgótárcsához.” A hajtásrendszer elemeit összekötő egykábeles technológia (OCT) révén az energiaellátás és a visszacsatoló jelek elvezetése egyetlen kábelen belül történik, egyszerűsítve a telepítést és üzembe helyezést.
Mindegyik gép forgó anyagfelvivő szerszámát egy külső beszállítótól származó, változtatható frekvenciájú hajtás (VFD) és orsós motor forgatja. Mivel a VFD kompatibilis az EtherCAT-rendszerrel, Lalande szerint az integrálás egyszerű volt. Mint kifejtette, az EtherCAT-eszközök csatlakoztatás után azonnal használható („plug-and-play”) rendszert alkotnak, legyen szó a Beckhoff, vagy akár más gyártók egységeiről.
A MELD a Beckhoff TwinSAFE beépített üzembiztonsági rendszerét is alkalmazza, így ugyanabban a TwinCAT Engineering környezetben programozhatók a hajtások elektronikus vészleállítói, a biztonsági ajtók és a TwinSAFE mozgatási funkciói. „A TwinSAFE kezelése rendkívül egyszerű” – jelentette ki Lalande. – „Ezzel a megoldással a gépeink biztonságát PLe szintre, azaz a legmagasabbra emelhettük.”
Balról jobbra: Jack Plyler és Chuck Padvorac (Beckhoff), valamint Chase Cox és Fred Lalande (MELD) (Fotó: © Foreword LLC, 2022)
Jövőbiztos technológiák a 3D nyomtatásban
A MELD folyamatosan továbbfejleszti additív gyártását, amihez a PC-alapú vezérlés szilárd alapot nyújt. Az EtherCAT és OCT technológia segítségével lerövidíthető az üzembe helyezés ideje, míg a TwinCAT összefogja a kezelőfelületi, mozgásvezérlési és PLC-funkciókat, valamint az egyéb gépvezérlési funkciókat is. Az automatizálási platform többek között az OPC UA protokoll, a LabVIEW™, a MATLAB®/Simulink® és egyéb alkalmazások használatát is megkönnyíti.
A TwinCAT nyújtotta fejlesztőeszközökkel biztosítható az összes gép kódbázisának egységessége, így fenntartható a vállalat fejlesztéseinek lendülete. A TwinCAT előnyei közé tartozik, hogy a forráskód-kezelő eszközök – például a Git – zökkenőmentesen integrált a TwinCAT Engineering környezetbe és a TwinCAT Project Compare eszközbe. „Ezekkel az eszközökkel könnyebb kezelni a béta-tesztjeinket” – szögezte le Fred Lalande.
BECKHOFF Automation Kft.
1097 Budapest, Táblás utca 36-38.
G épület 2. emelet
Tel.: + 36 1 501 99 40
E-mail:
www.beckhoff.com
