Vorwärts in 3D: Überwinden Sie die Herausforderungen im 3D-Metalldruck

Servomotoren und Roboter verändern additive Anwendungen. Erfahren Sie die neuesten Tipps und Anwendungen bei der Implementierung von Roboterautomatisierung und fortschrittlicher Bewegungssteuerung für die additive und subtraktive Fertigung sowie was als nächstes kommt: Denken Sie an hybride additive/subtraktive Methoden.

FORTSCHRITTLICHE AUTOMATISIERUNG

Von Sarah Mellish und RoseMary Burns

Die Einführung von Stromrichtergeräten, Bewegungssteuerungstechnologie, extrem flexiblen Robotern und einer vielseitigen Mischung anderer fortschrittlicher Technologien sind treibende Faktoren für das schnelle Wachstum neuer Fertigungsprozesse in der gesamten Industrielandschaft. Die additive und subtraktive Fertigung revolutioniert die Art und Weise, wie Prototypen, Teile und Produkte hergestellt werden, und sind zwei Paradebeispiele, die Herstellern die Effizienz und Kosteneinsparungen ermöglicht haben, wettbewerbsfähig zu bleiben.

Die additive Fertigung (AM) wird als 3D-Druck bezeichnet und ist eine nicht-traditionelle Methode, die normalerweise digitale Konstruktionsdaten verwendet, um feste dreidimensionale Objekte zu erstellen, indem Materialien Schicht für Schicht von unten nach oben verschmolzen werden. Bei der Herstellung von Near-Net-Shape (NNS)-Teilen ohne Verschwendung durchdringt der Einsatz von AM sowohl für einfache als auch für komplexe Produktdesigns weiterhin Branchen wie Automobil, Luft- und Raumfahrt, Energie, Medizin, Transport und Konsumgüter. Im Gegensatz dazu beinhaltet der subtraktive Prozess das Entfernen von Abschnitten aus einem Materialblock durch hochpräzises Schneiden oder Bearbeiten, um ein 3D-Produkt zu erstellen.

Trotz wesentlicher Unterschiede schließen sich das additive und das subtraktive Verfahren nicht immer gegenseitig aus, da sie verschiedene Phasen der Produktentwicklung ergänzen können. Durch das additive Verfahren entsteht häufig ein frühes Konzeptmodell oder ein Prototyp. Sobald dieses Produkt fertiggestellt ist, können größere Chargen erforderlich sein, was die Tür zur subtraktiven Fertigung öffnet. In jüngerer Zeit, wo die Zeit knapp ist, werden hybride additive/subtraktive Methoden für Dinge wie die Reparatur beschädigter/abgenutzter Teile oder die Herstellung von Qualitätsteilen mit kürzerer Vorlaufzeit angewendet.

VORWÄRTS AUTOMATISIEREN

Um den strengen Kundenanforderungen gerecht zu werden, integrieren Hersteller eine Reihe von Drahtmaterialien wie Edelstahl, Nickel, Kobalt, Chrom, Titan, Aluminium und andere unähnliche Metalle in ihre Teilekonstruktion, beginnend mit einem weichen und dennoch starken Substrat bis hin zu einem harten, verschleißfesten -resistente Komponente. Dies hat zum Teil den Bedarf an Hochleistungslösungen für mehr Produktivität und Qualität sowohl in additiven als auch in subtraktiven Fertigungsumgebungen gezeigt, insbesondere wenn es um Prozesse wie die additive Drahtfertigung (WAAM), WAAM-subtraktiv, Laserauftragschweißen oder Dekoration geht. Zu den Highlights zählen:

• Fortschrittliche Servotechnologie: Um die Time-to-Market-Ziele und die Designspezifikationen der Kunden in Bezug auf Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität besser zu erfüllen, wenden sich Endverbraucher an fortschrittliche 3D-Drucker mit Servosystemen (über Schrittmotoren) für eine optimale Bewegungssteuerung. Die Vorteile von Servomotoren, wie dem Sigma-7 von Yaskawa, stellen den additiven Prozess auf den Kopf und helfen Herstellern, häufige Probleme durch Drucker-Boosting-Funktionen zu überwinden:
  • Vibrationsunterdrückung: Robuste Servomotoren verfügen über Vibrationsunterdrückungsfilter sowie Anti-Resonanz- und Notch-Filter und sorgen für eine extrem sanfte Bewegung, die die optisch unangenehmen Stufenlinien, die durch die Drehmomentwelligkeit des Schrittmotors verursacht werden, beseitigen kann.
  • Geschwindigkeitssteigerung: Eine Druckgeschwindigkeit von 350 mm/s ist jetzt Realität, was die durchschnittliche Druckgeschwindigkeit eines 3D-Druckers mit Schrittmotor mehr als verdoppelt. Ebenso kann eine Verfahrgeschwindigkeit von bis zu 1.500 mm/sek mit rotativer oder bis zu 5 m/sek mit linearer Servotechnik erreicht werden. Die extrem schnelle Beschleunigung durch leistungsstarke Servos ermöglicht es, 3D-Druckköpfe schneller in die richtige Position zu bringen. Dies trägt wesentlich dazu bei, die Notwendigkeit zu verringern, ein ganzes System zu verlangsamen, um die gewünschte Oberflächenqualität zu erreichen. In der Folge bedeutet dieses Upgrade der Bewegungssteuerung auch, dass Endbenutzer mehr Teile pro Stunde herstellen können, ohne die Qualität zu beeinträchtigen.
  • Automatisches Tuning: Servosysteme können selbstständig ihre eigene individuelle Abstimmung durchführen, die es ermöglicht, sich an Änderungen in der Mechanik eines Druckers oder Abweichungen in einem Druckprozess anzupassen. 3D-Schrittmotoren verwenden kein Positionsfeedback, wodurch es nahezu unmöglich ist, Prozessänderungen oder Abweichungen in der Mechanik zu kompensieren.
  • Encoder-Feedback: Robuste Servosysteme mit Absolut-Encoder-Feedback müssen nur einmal eine Referenzfahrt durchführen, was zu einer höheren Betriebszeit und Kosteneinsparungen führt. 3D-Druckern, die Schrittmotortechnologie verwenden, fehlt diese Funktion und sie müssen jedes Mal referenziert werden, wenn sie eingeschaltet werden.
  • Feedback-Erkennung: Ein Extruder eines 3D-Druckers kann oft ein Engpass im Druckprozess sein, und ein Schrittmotor verfügt nicht über die Feedback-Erkennung, um einen Extruderstau zu erkennen – ein Defizit, das zum Ruin eines gesamten Druckauftrags führen kann. Vor diesem Hintergrund können Servosysteme Extruderstaus erkennen und Filament-Stripping verhindern. Der Schlüssel zu einer überragenden Druckleistung liegt in einem geschlossenen Regelkreis, der um einen hochauflösenden optischen Kodierer zentriert ist. Servomotoren mit einem hochauflösenden 24-Bit-Absolut-Encoder können 16.777.216 Bits an Closed-Loop-Feedback-Auflösung für höhere Achsen- und Extrudergenauigkeit sowie Synchronisation und Stauschutz bieten.
• Hochleistungsroboter: So wie robuste Servomotoren additive Anwendungen verändern, so auch Roboter. Ihre hervorragende Bahnleistung, ihre starre mechanische Struktur und ihre hohe Staubschutzklasse (IP) – kombiniert mit fortschrittlicher Antivibrationskontrolle und Mehrachsenfähigkeit – machen hochflexible Sechs-Achs-Roboter zu einer idealen Option für die anspruchsvollen Prozesse rund um den Einsatz von 3D Drucker sowie Leitaktionen für die subtraktive Fertigung und hybride additive/subtraktive Verfahren.
  Die robotergesteuerte Automatisierung, die 3D-Druckmaschinen ergänzt, beinhaltet weitgehend die Handhabung von gedruckten Teilen in Mehrmaschinenanlagen. Vom Entladen einzelner Teile aus der Druckmaschine bis hin zum Vereinzeln von Teilen nach einem mehrteiligen Druckzyklus optimieren hochflexible und effiziente Roboter den Betrieb für mehr Durchsatz und Produktivitätsgewinne.
  Beim traditionellen 3D-Druck helfen Roboter beim Pulvermanagement, beim Nachfüllen von Druckerpulver bei Bedarf und beim Entfernen von Pulver aus fertigen Teilen. Auch andere in der Metallverarbeitung beliebte Teilebearbeitungsaufgaben wie Schleifen, Polieren, Entgraten oder Trennen sind problemlos möglich. Qualitätsprüfung sowie Verpackungs- und Logistikanforderungen werden ebenfalls direkt mit Robotertechnologie erfüllt, sodass die Verarbeiter ihre Zeit auf höherwertige Arbeiten wie die kundenspezifische Fertigung konzentrieren können.
  Für größere Werkstücke werden Industrieroboter mit großer Reichweite so ausgerüstet, dass sie einen 3D-Drucker-Extrusionskopf direkt bewegen. In Verbindung mit peripheren Werkzeugen wie Drehtellern, Positionierern, Linearschienen, Portalen und mehr schafft dies den notwendigen Arbeitsraum, um räumliche Freiformstrukturen zu schaffen. Neben dem klassischen Rapid Prototyping werden Roboter für die Fertigung von großvolumigen Freiformteilen, Formformen, 3D-förmigen Fachwerkkonstruktionen und großformatigen Hybridteilen eingesetzt.
• Mehrachsige Maschinensteuerungen: Innovative Technologie zur Verbindung von bis zu 62 Bewegungsachsen in einer einzigen Umgebung ermöglicht jetzt die Multisynchronisation einer breiten Palette von Industrierobotern, Servosystemen und Frequenzumrichtern, die in additiven, subtraktiven und hybriden Prozessen eingesetzt werden. Eine ganze Gerätefamilie kann nun unter vollständiger Steuerung und Überwachung einer SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung) oder einer IEC-Maschinensteuerung wie dem MP3300iec nahtlos zusammenarbeiten. Häufig mit einem dynamischen 61131 IEC-Softwarepaket wie MotionWorks IEC programmiert, verwenden professionelle Plattformen wie diese bekannte Tools (dh RepRap-G-Codes, Funktionsblockdiagramm, strukturierter Text, Kontaktplan usw.). Um eine einfache Integration zu ermöglichen und die Maschinenverfügbarkeit zu optimieren, sind vorgefertigte Tools wie Bettnivellierungskompensation, Extruderdruckvorsteuerung, Mehrspindel- und Extrudersteuerung enthalten.
• Erweiterte Fertigungsbenutzeroberflächen: Von großem Nutzen für Anwendungen im 3D-Druck, Formschneiden, Werkzeugmaschinen und Robotik, können verschiedene Softwarepakete schnell eine einfach anpassbare grafische Maschinenoberfläche bereitstellen, die einen Weg zu größerer Vielseitigkeit bietet. Intuitive Plattformen wie Yaskawa Compass wurden mit Blick auf Kreativität und Optimierung entwickelt und ermöglichen es Herstellern, Bildschirme zu brandmarken und einfach anzupassen. Von der Einbeziehung der Kernattribute der Maschine bis hin zur Anpassung an Kundenanforderungen ist nur wenig Programmieraufwand erforderlich – da diese Tools eine umfangreiche Bibliothek vorgefertigter C#-Plug-Ins bereitstellen oder den Import benutzerdefinierter Plug-Ins ermöglichen.

ERHEBEN ÜBER

Während die einzelnen additiven und subtraktiven Verfahren weiterhin beliebt sind, wird es in den nächsten Jahren eine stärkere Verschiebung hin zur hybriden additiven/subtraktiven Methode geben. Voraussichtliches Wachstum mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 14,8 Prozent bis 2027¹, ist der Markt für hybride additive Fertigungsmaschinen bereit, den steigenden Kundenanforderungen gerecht zu werden. Um sich von der Konkurrenz abzuheben, sollten Hersteller die Vor- und Nachteile der Hybridmethode für ihren Betrieb abwägen. Mit der Möglichkeit, Teile nach Bedarf zu produzieren, um den CO2-Fußabdruck erheblich zu reduzieren, bietet das hybride additive/subtraktive Verfahren einige attraktive Vorteile. Unabhängig davon sollten die fortschrittlichen Technologien für diese Prozesse nicht übersehen und in den Produktionsstätten implementiert werden, um eine höhere Produktivität und Produktqualität zu ermöglichen.