Serwosilniki i roboty zmieniają zastosowania addytywne. Poznaj najnowsze wskazówki i zastosowania dotyczące wdrażania automatyzacji robotów i zaawansowanego sterowania ruchem w produkcji addytywnej i subtraktywnej, a także przyszłość: rozważ hybrydowe metody addytywno-subtraktywne.
ROZWÓJ AUTOMATYZACJI
Autorstwa Sarah Mellish i RoseMary Burns
Wdrażanie urządzeń do konwersji energii, technologii sterowania ruchem, niezwykle elastycznych robotów i eklektycznego połączenia innych zaawansowanych technologii to czynniki napędzające szybki rozwój nowych procesów produkcyjnych w całym sektorze przemysłowym. Produkcja addytywna i subtraktywna, rewolucjonizując sposób wytwarzania prototypów, części i produktów, to dwa główne przykłady, które zapewniły producentom wydajność i oszczędności, niezbędne do utrzymania konkurencyjności.
Drukowanie 3D, zwane również wytwarzaniem addytywnym (AM), to niekonwencjonalna metoda, która zazwyczaj wykorzystuje cyfrowe dane projektowe do tworzenia solidnych, trójwymiarowych obiektów poprzez łączenie materiałów warstwa po warstwie, od dołu do góry. Często wytwarzając części o kształcie zbliżonym do kształtu gotowego produktu (NNS) bez odpadów, technologia AM jest wykorzystywana zarówno do podstawowych, jak i złożonych projektów produktów, a obecnie znajduje zastosowanie w takich branżach jak motoryzacja, lotnictwo, energetyka, medycyna, transport i dobra konsumpcyjne. Natomiast proces ubytkowy polega na usuwaniu fragmentów materiału z bloku poprzez precyzyjne cięcie lub obróbkę skrawaniem w celu stworzenia produktu 3D.
Pomimo kluczowych różnic, procesy addytywne i subtraktywne nie zawsze wykluczają się wzajemnie – ponieważ mogą być wykorzystywane do uzupełniania różnych etapów rozwoju produktu. W procesie addytywnym często powstaje wczesny model koncepcyjny lub prototyp. Po sfinalizowaniu produktu mogą być wymagane większe partie, co otwiera drogę do produkcji subtraktywnej. Ostatnio, gdy liczy się czas, hybrydowe metody addytywne/subtraktywne są stosowane na przykład do naprawy uszkodzonych/zużytych części lub tworzenia wysokiej jakości części z krótszym czasem realizacji.
AUTOMATYZACJA PRZESUWANIA DO PRZODU
Aby sprostać rygorystycznym wymaganiom klientów, producenci integrują w swoich elementach szereg materiałów drutowych, takich jak stal nierdzewna, nikiel, kobalt, chrom, tytan, aluminium i inne metale niejednorodne, zaczynając od miękkiego, ale wytrzymałego podłoża, a kończąc na twardym, odpornym na zużycie komponencie. Po części ujawniło to zapotrzebowanie na wysokowydajne rozwiązania zapewniające większą wydajność i jakość zarówno w środowiskach wytwarzania addytywnego, jak i subtraktywnego, zwłaszcza w procesach takich jak wytwarzanie addytywne łukiem elektrycznym (WAAM), WAAM-subtraktywne, napawanie laserowe-subtraktywne czy zdobienie. Najważniejsze z nich to:
- Zaawansowana technologia serwo:Aby lepiej sprostać celom czasowym wprowadzania produktów na rynek i specyfikacjom projektowym klientów, w zakresie precyzji wymiarowej i jakości wykończenia, użytkownicy końcowi sięgają po zaawansowane drukarki 3D z serwomechanizmami (zamiast silników krokowych), zapewniające optymalną kontrolę ruchu. Zalety serwosilników, takich jak Sigma-7 firmy Yaskawa, całkowicie zmieniają proces addytywny, pomagając producentom przezwyciężać typowe problemy dzięki możliwościom zwiększania wydajności drukarek:
- Tłumienie drgań: wytrzymałe silniki serwo wyposażone są w filtry tłumiące drgania, a także filtry antyrezonansowe i filtry wycinające, co zapewnia wyjątkowo płynny ruch, eliminujący nieprzyjemne wizualnie schodkowe linie spowodowane przez tętnienia momentu obrotowego silnika krokowego.
- Zwiększenie prędkości: prędkość druku 350 mm/s jest już rzeczywistością, co stanowi ponad dwukrotność średniej prędkości druku drukarki 3D z silnikiem krokowym. Podobnie, prędkość ruchu do 1500 mm/s można osiągnąć przy użyciu technologii obrotowej, a do 5 m/s przy użyciu technologii serwoliniowej. Niezwykle szybkie przyspieszenie zapewniane przez wysokowydajne serwomechanizmy umożliwia szybsze przesuwanie głowic drukujących 3D do właściwych pozycji. To w znacznym stopniu eliminuje konieczność spowalniania całego systemu w celu uzyskania pożądanej jakości wykończenia. Co więcej, ta modernizacja sterowania ruchem oznacza również, że użytkownicy końcowi mogą wytwarzać więcej części na godzinę bez utraty jakości.
- Automatyczne dostrajanie: systemy serwomechanizmów mogą samodzielnie wykonywać własne, niestandardowe dostrajanie, co umożliwia dostosowanie się do zmian w mechanice drukarki lub odchyleń w procesie drukowania. Silniki krokowe 3D nie wykorzystują sprzężenia zwrotnego położenia, co sprawia, że kompensacja zmian w procesach lub rozbieżności w mechanice jest praktycznie niemożliwa.
- Sprzężenie zwrotne z enkodera: solidne systemy serwomechanizmów oferujące sprzężenie zwrotne z enkodera absolutnego wymagają tylko jednokrotnego wykonania procedury powrotu do pozycji wyjściowej, co przekłada się na dłuższy czas sprawności i niższe koszty. Drukarki 3D wykorzystujące technologię silników krokowych nie mają tej funkcji i muszą być przywracane do pozycji wyjściowej po każdym uruchomieniu.
- Czujnik sprzężenia zwrotnego: ekstruder drukarki 3D często stanowi wąskie gardło w procesie drukowania, a silnik krokowy nie posiada funkcji wykrywania zacięcia ekstrudera – niedobór, który może doprowadzić do zniweczenia całego wydruku. Mając to na uwadze, systemy serwo mogą wykrywać zacięcia ekstrudera i zapobiegać zdzieraniu filamentu. Kluczem do uzyskania najwyższej wydajności drukowania jest system pętli zamkniętej oparty na enkoderze optycznym o wysokiej rozdzielczości. Serwomotory z 24-bitowym enkoderem absolutnym o wysokiej rozdzielczości zapewniają rozdzielczość 16 777 216 bitów sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej, co zapewnia większą dokładność osi i ekstrudera, a także synchronizację i ochronę przed zacięciem.
- Roboty o wysokiej wydajności:Tak jak solidne serwosilniki zmieniają zastosowania addytywne, tak samo zmieniają się roboty. Ich doskonałe parametry trajektorii, sztywna konstrukcja mechaniczna i wysoki stopień ochrony przed pyłem (IP) – w połączeniu z zaawansowanym sterowaniem antywibracyjnym i możliwością pracy wieloosiowej – sprawiają, że wysoce elastyczne roboty sześcioosiowe stanowią idealne rozwiązanie dla wymagających procesów związanych z wykorzystaniem drukarek 3D, a także kluczowych działań w zakresie produkcji ubytkowej i hybrydowych metod addytywnych/ubytkowych.
Automatyzacja robotyczna, będąca uzupełnieniem drukarek 3D, obejmuje w dużej mierze obsługę wydrukowanych części w instalacjach wielomaszynowych. Od rozładowywania pojedynczych części z maszyny drukującej, po oddzielanie części po cyklu drukowania wieloczęściowego, wysoce elastyczne i wydajne roboty optymalizują operacje, zwiększając przepustowość i produktywność.
W tradycyjnym druku 3D roboty pomagają w zarządzaniu proszkiem, uzupełniając go w razie potrzeby i usuwając proszek z gotowych elementów. Podobnie, inne zadania związane z wykańczaniem części, popularne w obróbce metali, takie jak szlifowanie, polerowanie, gratowanie czy cięcie, są z łatwością realizowane. Kontrola jakości, a także potrzeby związane z pakowaniem i logistyką są również zaspokajane dzięki technologii robotycznej, co pozwala producentom skupić się na pracach o wyższej wartości dodanej, takich jak produkcja na zamówienie.
W przypadku większych detali, roboty przemysłowe o dużym zasięgu są wyposażane w narzędzia do bezpośredniego poruszania głowicą wytłaczarki 3D. W połączeniu z narzędziami peryferyjnymi, takimi jak podstawy obrotowe, pozycjonery, tory liniowe, suwnice i inne, zapewniają one przestrzeń roboczą niezbędną do tworzenia przestrzennych, swobodnych struktur. Poza klasycznym szybkim prototypowaniem, roboty są wykorzystywane do wytwarzania wielkogabarytowych, swobodnych elementów, form, kratownic 3D oraz wielkoformatowych elementów hybrydowych. - Kontrolery maszyn wieloosiowych:Innowacyjna technologia łączenia do 62 osi ruchu w jednym środowisku umożliwia obecnie wielokrotną synchronizację szerokiej gamy robotów przemysłowych, serwomechanizmów i napędów o zmiennej częstotliwości wykorzystywanych w procesach addytywnych, subtraktywnych i hybrydowych. Cała rodzina urządzeń może teraz bezproblemowo współpracować pod pełną kontrolą i monitorowaniem sterownika PLC (Programmable Logic Controller) lub sterownika maszyny IEC, takiego jak MP3300iec. Często programowane za pomocą dynamicznego pakietu oprogramowania 61131 IEC, takiego jak MotionWorks IEC, profesjonalne platformy tego typu wykorzystują znane narzędzia (np. kody G RepRap, diagramy bloków funkcyjnych, tekst strukturalny, diagramy drabinkowe itp.). Aby ułatwić integrację i zoptymalizować czas pracy maszyny, dołączone są gotowe narzędzia, takie jak kompensacja poziomowania stołu, sterowanie ciśnieniem posuwu wytłaczarki, sterowanie wieloma wrzecionami i wytłaczarką.
- Zaawansowane interfejsy użytkownika produkcyjne:Zróżnicowane pakiety oprogramowania, niezwykle przydatne w zastosowaniach w druku 3D, cięciu kształtowym, obrabiarkach i robotyce, pozwalają szybko stworzyć łatwy w personalizacji graficzny interfejs maszyny, otwierając drogę do większej wszechstronności. Zaprojektowane z myślą o kreatywności i optymalizacji, intuicyjne platformy, takie jak Yaskawa Compass, umożliwiają producentom branding i łatwą personalizację ekranów. Od uwzględniania podstawowych atrybutów maszyny po dostosowywanie się do potrzeb klienta, wymagana jest niewielka ilość programowania — narzędzia te oferują obszerną bibliotekę gotowych wtyczek C# lub umożliwiają importowanie własnych wtyczek.
WZNIEŚĆ SIĘ PONAD
Choć metody addytywno-subtraktywne (pojedyncze) pozostają popularne, w ciągu najbliższych kilku lat nastąpi większe przejście w kierunku hybrydowej metody addytywno-subtraktywnej. Oczekuje się, że do 2027 roku skumulowana roczna stopa wzrostu (CAGR) wyniesie 14,8%.1Rynek hybrydowych maszyn do produkcji addytywnej jest gotowy sprostać rosnącym wymaganiom klientów. Aby wyprzedzić konkurencję, producenci powinni rozważyć zalety i wady metody hybrydowej w swoich działaniach. Dzięki możliwości produkcji części w razie potrzeby, a co za tym idzie znacznej redukcji śladu węglowego, hybrydowy proces addytywno-subtraktywny oferuje atrakcyjne korzyści. Niezależnie od tego, zaawansowane technologie wykorzystywane w tych procesach nie powinny być pomijane i powinny być wdrażane w halach produkcyjnych, aby zwiększyć wydajność i jakość produktów.
Czas publikacji: 13 sierpnia 2021 r.
