PC-based控制技術助力實現3D列印大型塑膠零組件
3D 列印技術已成為實現塑膠零部件開發、原型製作和單件小批量生產創新的關鍵，但精度、速度和物體尺寸會對 3D 列印造成限制。波蘭設備製造商 ATMAT 使用倍福的控制和驅動技術突破了這些限制。
在 10 多年前，3D 列印技術主要用於快速原型開發。但如今，3D 列印已逐漸成為批量生產的一部分。位於克拉科夫的設備製造商 ATMAT 很早就發現3D 列印的無窮潛力，並且在傳統機械工程的基礎上，專門製造工業級 3D 印表機，作為公司的第二大主力產品。ATMAT 公司目前透過新推出的 Saturn 和 Jupiter 大型印表機系列產品，在不犧牲精度、列印速度和操作便利性的情況下，將 3D 印表機的工作空間擴大到一個新的水平。開發人員透過PC-based控制技術實現此目標，採用TwinCAT 3 軟體、適合控制櫃安裝的「經濟型」面板型 PC CP6700 以及 EtherCAT I/O 端子模組和倍福的伺服驅動技術。
大幅面 3D 印表機已涉及汽車、航空等很多有趣的應用領域。例如，其中一個特別的專案是修復一架法國在二戰前研製的老式戰鬥機 Caudron CR.714。機身不僅在戰爭中受到嚴重損壞，飛機還缺少螺旋槳葉片、輪轂、螺旋槳蓋和電機外殼。若採用傳統方法重建飛機將花費大量的時間和成本。因此決定在 ATMAT 的支持下使用 3D 列印技術生產這些零件。「該專案最重要的方面，同時也是最大的挑戰，在於盡可能精確地再現機身形狀和實際尺寸。」ATMAT 自動化部門負責人 Robert Grolik 解釋道。「考慮到我們要修復的是一件博物館藏品，我們還必須規定好如何固定列印好的零件，以確保在組裝時不會破壞歷史元素。」
高精度列印尺寸達 1.2 立方米的精細零部件
前提是需具有足夠大工作空間的高精度的 3D 印表機，才能生產超大尺寸的飛機零件以及複雜的幾何形狀。所有零件都採用 FFF/FDM（熔融沉積成型技術）列印。在這個過程中，一台擠出機用於加熱列印材料，直至熔化，送入打印頭，並精確地層層堆積在工作台上，直至整個零件列印完成。在此期間，工作台用作 Z 軸，而定時皮帶傳動的龍門軸則用作 X 和 Y 軸。一台 Saturn 3D 印表機被用於重建飛機零件。它的工作空間為 1200 x 1000 x 1000 毫米，是 ATMAT 繼 Jupiter 之後製造的第二款 XXL 超大尺寸 3D 印表機。「我們從一開始就同等重視客戶的特定專案和 3D 印表機本身。我們在緊湊型 3D 印表機方面積累了豐富的專業知識，在此基礎上，我們開發出了高效率的大尺寸 3D 印表機，比如 Jupiter 和 Saturn 型號。」Robert Grolik 強調道。
Jupiter 和 Saturn 不僅適用於製作功能性原型。系統設計使得它可以直接整合到生產線上，從而優化 3D 列印單件小批量生產。「跨國公司，尤其是汽車製造商，會很高興能夠利用這一優勢。」Robert Grolik 解釋道。原因就是：除了眾多的設備選項之外，車輛客製化也越來越重要。「積層製造技術可以助力實現這些個性化設備選項的生產：製作時間短、方式簡單且成本也低。」不僅可以列印像輪轂蓋或方向盤元件這類簡單的零件，現在還可以列印體積更大、形狀更複雜的結構體，包括儀錶盤和照明組件。
此外，汽車製造商正在認真思考將 3D 列印用於整車製造的可行性，不僅針對一些限定版車輛，而且還可用於製作功能原型，以便能夠在開始批量生產之前，以全尺寸 1:1 的比例展示新車型的真實外觀。這種趨勢不僅出現在汽車行業。「我們在異常訂單和小批量生產訂單份額的成長也看到這點。」Robert Grolik 指出。這是因為 3D 列印不僅能夠在正式生產前測試創新的解決方案，3D 列印也簡化公司小批量生產的組織工作。人們不再需要提前訂購和準備零件，只需根據具體的需求進行列印即可。
Saturn 大幅面印表機就是能夠帶來這些好處的典型產品。該設備專為複雜（即高精度）應用而開發，它有一個巨大的大理石工作台、一根龍門軸以及兩個列印單元（主打印頭和輔助打印頭），可以實現高速列印。主打印頭由兩個擠出機組成，可以配備一到兩個列印噴頭。這樣可以顯著加快列印速度，即使是列印複雜的幾何形狀。巨型工作台中內置的四區加熱系統可以保障工作平台的正確溫度。其獨立的溫度控制不僅能夠降低能耗，而且還能夠更快達到設定的工作溫度。巨大的列印範圍安裝在一個帶隔熱的加熱室中，以保持恆溫。
緊湊型驅動技術助力實現高精度運動控制
ATMAT 為大幅面印表機配備了倍福的 AM8121 緊湊型伺服馬達。它們與巨大的結構體一起，確保 50 μm（X/Y 軸）和 10 μm（Z 軸）的定位精度。對於 ATMAT 來說，以前使用 Jupiter 系列累積的經驗，對選擇驅動產品起了決定性作用。「AM8121緊湊型伺服馬達的其中一個優勢是，它們可以透過 EL72xx 伺服馬達端子模組驅動。」倍福區域銷售經理 Krzysztof Pulut 說道。「由於標準 EtherCAT 端子模組的體積非常小，與傳統的伺服驅動器相比，它們可以節省控制櫃中的大量空間。此外，單電纜技術（OCT）將動力和回饋系統整合在一根電纜上，顯著減少印表機的佈線工作。OCT 不僅能夠減少佈線出錯的風險，而且還能夠減少設備製造商需要保留的系統元件數量。」Z 軸的運動透過一個由 EL7031 EtherCAT 端子模組驅動的步進馬達執行。
倍福還提供了所有 I/O 模組，包括安全模組。安全要求透過 EL6900、EL1904 和 EL2904 TwinSAFE 端子模組實現。用於監測擠出機頭、工作台和腔體溫度的特殊感測器也使用了相應的 EtherCAT 端子模組。「溫度調節對 FDM 印表機的熔融分層具有決定性意義，因為它能夠確保列印件的品質。」Robert Grolik 在解釋端子模組對列印過程的重要性時說道。ATMAT 的自動化專家們還想到了另一個對確保良好列印效果至關重要的解決方案：他們使用鐳射感測器測量打印頭和工作台之間的距離，進而提高列印品質，尤其是在列印第一層材料時。
透過 TwinCAT HMI 進行直觀操作
3D 印表機透過 TwinCAT 3 和適合控制櫃安裝的經濟型面板型 PC CP6700 自動控制。「即使是複雜的 3D 列印訂單，Intel Atom® 處理器（雙核）和 4 GB 記憶體也完全夠用。」Robert Grolik 強調說道。在系統完整性保護方面，專家們使用 30 GB 的快閃記憶體作為外部存儲介質，並配有倍福的 1 秒鐘 UPS。控制硬體能夠在惡劣的生產條件下工作，並整合 TwinCAT HMI 視覺化軟體，這些都是選擇倍福的決定性因素。「TwinCAT HMI 視覺化軟體提供多種佈局，回應時間短，並支援遠端存取和二維碼掃描器。」Robert Grolik 說道。
「倍福的開放創新堅定我們與他合作的決心。倍福每年都堅持開發和實施新的解決方案，這在控制系統製造商中實屬罕見。從我們的角度來看，最重要的還有 OCT、先進的 HMI 開發環境，以及安裝 Windows 10 作業系統的面板型 PC，它們都有利於我們將 3D 印表機整合到更高級別的系統中。」