基于 PC 的控制技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)大型塑料零部件增材制造

3D 打印工藝已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)塑料零部件開發(fā)、原型制作和單件小批量生產(chǎn)創(chuàng)新的關(guān)鍵，可能精度、速度和物體尺寸會(huì)對(duì) 3D 打印造成限制。波蘭設(shè)備制造商 ATMAT 使用倍福的控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)突破了這些限制。

大約還在 10 多年前，3D 打印技術(shù)主要用于快速原型開發(fā)。但如今，3D 打印已逐漸成為批量生產(chǎn)的一部分。位于克拉科夫的設(shè)備制造商 ATMAT 很早就認(rèn)識(shí)到了 3D 打印的巨大潛力，并且在傳統(tǒng)機(jī)械工程的基礎(chǔ)上，專門制造工業(yè)級(jí) 3D 打印機(jī)，作為公司的第二大主力產(chǎn)品。ATMAT 公司目前通過新推出的 Saturn 和 Jupiter 大型打印機(jī)系列產(chǎn)品，在不犧牲精度、打印速度和操作便利性的情況下，將 3D 打印機(jī)的工作空間擴(kuò)大到一個(gè)新的水平。開發(fā)人員基于 PC 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，即采用 TwinCAT 3 軟件、適合控制柜安裝的“經(jīng)濟(jì)型”面板型 PC CP6700 以及 EtherCAT I/O 端子模塊和倍福的伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

專家們站在 Saturn 3D 打印機(jī)前（左起）：ATMAT 公司自動(dòng)化部經(jīng)理 Robert Grolik、高級(jí) PLC 程序員 Jacek Domański、倍福波蘭分公司大客戶經(jīng)理 Sebastian Aszklar 與當(dāng)?shù)劁N售經(jīng)理 Krzysztof Pulut，以及 ATMAT 公司首席運(yùn)營官 Mateusz Dyl?g。

大幅面 3D 打印機(jī)已經(jīng)涉及了汽車、航空等很多有趣的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，其中一個(gè)特別的項(xiàng)目是修復(fù)一架法國在二戰(zhàn)前研制的老式戰(zhàn)斗機(jī) Caudron CR.714。不僅機(jī)身在戰(zhàn)爭中受到嚴(yán)重?fù)p壞，飛機(jī)還缺少螺旋槳葉片、輪轂、螺旋槳蓋和電機(jī)外殼。這意味著使用傳統(tǒng)方法重建飛機(jī)將需要花費(fèi)大量的時(shí)間和成本。因此決定在 ATMAT 的支持下使用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)這些零部件。“該項(xiàng)目最重要的方面，同時(shí)也是最大的挑戰(zhàn)，包括盡可能精確地再現(xiàn)機(jī)身形狀和實(shí)際尺寸。”ATMAT 自動(dòng)化部門負(fù)責(zé)人 Robert Grolik 解釋道。“考慮到我們要修復(fù)的是一件博物館藏品，我們還必須規(guī)定好如何固化打印好的零部件，以確保在組裝時(shí)不會(huì)破壞歷史元素。”

高精度打印尺寸達(dá) 1.2 立方米的精細(xì)零部件

這類修復(fù)的前提是高精度的 3D 打印機(jī)有足夠大的工作空間，才能生產(chǎn)超大尺寸的飛機(jī)零部件以及復(fù)雜的幾何形狀。所有零部件都采用 FFF/FDM（熔融沉積成型技術(shù)）打印。在這個(gè)過程中，一臺(tái)擠出機(jī)用于加熱打印材料，直至熔化，送入打印頭，并精確地層層堆積在工作臺(tái)上，直至整個(gè)零部件打印完成。在此期間，工作臺(tái)用作 Z 軸，而定時(shí)皮帶傳動(dòng)的龍門軸則用作 X 和 Y 軸。一臺(tái) Saturn 3D 打印機(jī)被用于重建飛機(jī)零部件。它的工作空間為 1200 x 1000 x 1000 毫米，是 ATMAT 繼 Jupiter 之后制造的第二款 XXL 超大幅面 3D 打印機(jī)。“我們從一開始就同等重視客戶的特定項(xiàng)目和 3D 打印機(jī)本身。我們?cè)诰o湊型 3D 打印機(jī)方面積累了豐富的專業(yè)知識(shí)，在此基礎(chǔ)上，我們開發(fā)出了高效率的大幅面 3D 打印機(jī)，比如 Jupiter 和 Saturn 型號(hào)。”Robert Grolik 強(qiáng)調(diào)說道。

Jupiter 和 Saturn 不僅適用于制作功能性原型。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使得它可以直接集成到生產(chǎn)線上，從而優(yōu)化 3D 打印單件小批量生產(chǎn)。“跨·國公司，尤其是汽車整車制造企業(yè)，會(huì)很高興能夠利用這一優(yōu)勢(shì)。”Robert Grolik 解釋道。原因就是：除了眾多的設(shè)備選項(xiàng)之外，車輛個(gè)性化定制也越來越重要。“增材制造技術(shù)可以助力實(shí)現(xiàn)這些個(gè)性化設(shè)備選項(xiàng)的生產(chǎn)：制作時(shí)間短、方式簡單且成本也低。”不僅可以打印像輪轂蓋或方向盤元件這類簡單的零部件；現(xiàn)在還可以打印體積更大、形狀更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體，包括儀表盤和照明元件。

倍福 AM8121 伺服電機(jī)與 EL72xx 系列伺服電機(jī)端子模塊結(jié)合，助力實(shí)現(xiàn)高速、高精度的打印頭運(yùn)動(dòng)。

此外，汽車制造商正在認(rèn)真思考將 3D 打印用于整車制造的可行性（不僅針對(duì)一些限定版車輛，而且還可用于制作功能原型），以便能夠在開始批量生產(chǎn)之前，以全尺寸 1:1 的比例展示新車型的真實(shí)外觀。這種趨勢(shì)不僅體現(xiàn)在汽車行業(yè)。“異常訂單和小批量生產(chǎn)訂單份額的增長很好地說明了這一點(diǎn)。”Robert Grolik 指出。這是因?yàn)?3D 打印不僅能夠在正式生產(chǎn)前測(cè)試創(chuàng)新的解決方案；3D 打印也簡化了公司小批量生產(chǎn)的組織工作。人們不再需要提前訂購和儲(chǔ)備零部件，只需根據(jù)具體的需求進(jìn)行打印即可。

Saturn 大幅面打印機(jī)就是能夠帶來這些好處的典型產(chǎn)品。該設(shè)備專為復(fù)雜（即高精度）應(yīng)用而開發(fā)，它有一個(gè)巨大的大理石工作臺(tái)、一根龍門軸以及兩個(gè)打印單元（主打印頭和輔助打印頭），可以實(shí)現(xiàn)高速打印。主打印頭由兩個(gè)擠出機(jī)組成，可以配備一到兩個(gè)打印噴頭。這樣可以顯著加快打印速度，即使是打印復(fù)雜的幾何形狀。巨型工作臺(tái)中內(nèi)置的四區(qū)加熱系統(tǒng)可以保障工作平臺(tái)的正確溫度。其獨(dú)立的溫度控制不僅能夠降低能耗，而且還能夠更快達(dá)到設(shè)定的工作溫度。巨型打印區(qū)域安裝在一個(gè)帶隔熱的加熱室中，以保持溫度恒定。

緊湊型驅(qū)動(dòng)技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)控制

ATMAT 為大幅面打印機(jī)配備了倍福的 AM8121緊湊型伺服電機(jī)。它們與巨大的結(jié)構(gòu)體一起，確保 50 μm（X/Y 軸）和 10 μm（Z 軸）的定位精度。對(duì)于 ATMAT 來說，以前使用 Jupiter 系列積累的積極經(jīng)驗(yàn)對(duì)選擇驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品起了決定性作用。“AM8121緊湊型伺服電機(jī)的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，它們可以通過 EL72xx 伺服電機(jī)端子模塊驅(qū)動(dòng)。”倍福區(qū)域銷售經(jīng)理 Krzysztof Pulut 說道。“由于標(biāo)準(zhǔn) EtherCAT 端子模塊的體積非常小，與傳統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器相比，它們可以節(jié)省控制柜中的大量空間。此外，單電纜技術(shù)（OCT）將動(dòng)力和反饋系統(tǒng)整合在一根電纜上，大大減少了打印機(jī)的布線工作。OCT 不僅能夠減少布線出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)，而且還能夠減少設(shè)備制造商需要保留的系統(tǒng)組件數(shù)量。”Z 軸的運(yùn)動(dòng)通過一個(gè)由 EL7031 EtherCAT 端子模塊驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行。

集成有 TwinCAT HMI 的 CP6700 面板型 PC 簡化了 3D 打印機(jī)的操作。

倍福還提供了所有 I/O 模塊，包括安全模塊。安全要求通過 EL6900、EL1904 和 EL2904 TwinSAFE 端子模塊實(shí)現(xiàn)。用于監(jiān)測(cè)擠出機(jī)頭、工作臺(tái)和腔體溫度的特殊傳感器也使用了相應(yīng)的 EtherCAT 端子模塊。“溫度調(diào)節(jié)對(duì) FDM 打印機(jī)的熔融分層具有決定性意義，因?yàn)樗軌虼_保打印件的質(zhì)量。”Robert Grolik 在解釋端子模塊對(duì)打印過程的重要性時(shí)說道。ATMAT 的自動(dòng)化專家們還想到了另一個(gè)對(duì)確保良好打印效果至關(guān)重要的解決方案：他們使用激光傳感器測(cè)量打印頭和工作臺(tái)之間的距離，從而提高打印質(zhì)量，尤其是在打印第一層材料時(shí)。

通過 TwinCAT HMI 進(jìn)行直觀操作

3D 打印機(jī)通過 TwinCAT 3 和適合控制柜安裝的經(jīng)濟(jì)型面板型 PC CP6700 自動(dòng)控制。“即使對(duì)于復(fù)雜的 3D 打印訂單，Intel Atom? 處理器（雙核）和 4 GB 內(nèi)存也完全夠用。”Robert Grolik 強(qiáng)調(diào)說道。在系統(tǒng)完整性保護(hù)方面，專家們使用 30 GB 的閃存作為外部存儲(chǔ)介質(zhì)，并配備了倍福的 1 秒鐘 UPS。控制硬件能夠在惡劣的生產(chǎn)條件下工作，并集成 TwinCAT HMI 可視化軟件，這些都是選擇倍福的決定性因素。“TwinCAT HMI 可視化軟件提供多種布局，響應(yīng)時(shí)間短，并支持遠(yuǎn)程訪問和二維碼掃描儀。”Robert Grolik 說道。

“倍福的開放創(chuàng)新堅(jiān)定了我們與其合作的決心。倍福每年都堅(jiān)持開發(fā)和實(shí)施新的解決方案，這在控制系統(tǒng)制造商中實(shí)屬罕見。從我們的角度來看，最重要的還有 OCT、先進(jìn)的 HMI 開發(fā)環(huán)境，以及安裝 Windows 10 操作系統(tǒng)的面板型 PC，它們都有利于我們將 3D 打印機(jī)集成到更高級(jí)別的系統(tǒng)中。”