Servomotorer och robotar förändrar additiva tillämpningar. Lär dig de senaste tipsen och tillämpningarna när du implementerar robotautomation och avancerad rörelsekontroll för additiv och subtraktiv tillverkning, samt vad som händer härnäst: tänk hybrida additiva/subtraktiva metoder.
AVANCERA AUTOMATISERINGEN
Av Sarah Mellish och RoseMary Burns
Implementeringen av kraftomvandlingsenheter, rörelsestyrningsteknik, extremt flexibla robotar och en eklektisk blandning av andra avancerade tekniker är drivande faktorer för den snabba tillväxten av nya tillverkningsprocesser inom industrilandskapet. Additiv och subtraktiv tillverkning, som revolutionerar hur prototyper, delar och produkter tillverkas, är två utmärkta exempel som har gett den effektivitet och de kostnadsbesparingar som tillverkare strävar efter för att förbli konkurrenskraftiga.
Additiv tillverkning (AM), även kallad 3D-utskrift, är en icke-traditionell metod som vanligtvis använder digital designdata för att skapa solida tredimensionella objekt genom att sammanfoga material lager för lager nerifrån och upp. Genom att ofta tillverka nästan-netto-formade (NNS) delar utan spill fortsätter användningen av AM för både grundläggande och komplexa produktdesigner att genomsyra industrier som fordonsindustrin, flyg-, energi-, medicin-, transport- och konsumentprodukter. Tvärtom innebär den subtraktiva processen att sektioner tas bort från ett materialblock genom högprecisionsskärning eller bearbetning för att skapa en 3D-produkt.
Trots viktiga skillnader utesluter additiva och subtraktiva processer inte alltid varandra – eftersom de kan användas för att komplettera olika steg i produktutvecklingen. En tidig konceptmodell eller prototyp skapas ofta genom den additiva processen. När produkten är färdigställd kan större partier krävas, vilket öppnar dörren för subtraktiv tillverkning. På senare tid, där tid är av avgörande betydelse, tillämpas hybrida additiva/subtraktiva metoder för saker som att reparera skadade/slitna delar eller skapa kvalitetsdelar med kortare ledtid.
AUTOMATISERA VIDAREBEFORDRAN
För att möta högt ställda kundkrav integrerar tillverkare en rad olika trådmaterial som rostfritt stål, nickel, kobolt, krom, titan, aluminium och andra olika metaller i sin komponentkonstruktion, med början i ett mjukt men starkt substrat och avslutande med en hård, slitstark komponent. Detta har delvis avslöjat behovet av högpresterande lösningar för högre produktivitet och kvalitet i både additiva och subtraktiva tillverkningsmiljöer, särskilt när det gäller processer som trådbågsadditiv tillverkning (WAAM), WAAM-subtraktiv, lasercladding-subtraktiv eller dekoration. Höjdpunkter inkluderar:
- Avancerad servoteknik:För att bättre kunna möta time-to-market-mål och kunddesignspecifikationer, vad gäller dimensionell precision och finishkvalitet, vänder sig slutanvändare till avancerade 3D-skrivare med servosystem (över stegmotorer) för optimal rörelsekontroll. Fördelarna med servomotorer, som Yaskawas Sigma-7, vänder den additiva processen upp och ner och hjälper tillverkare att övervinna vanliga problem genom skrivarförstärkande funktioner:
- Vibrationsdämpning: Robusta servomotorer har vibrationsdämpningsfilter, såväl som antiresonans- och hackfilter, vilket ger extremt jämn rörelse som kan eliminera de visuellt obehagliga steglinjerna som orsakas av stegmotorns momentrippel.
- Hastighetsförbättring: en utskriftshastighet på 350 mm/sek är nu verklighet, vilket mer än fördubblar den genomsnittliga utskriftshastigheten för en 3D-skrivare med en stegmotor. På liknande sätt kan en förflyttningshastighet på upp till 1 500 mm/sek uppnås med roterande motor eller upp till 5 meter/sek med linjär servoteknik. Den extremt snabba accelerationsförmågan som tillhandahålls av högpresterande servon gör att 3D-skrivhuvuden kan flyttas till sina rätta positioner snabbare. Detta bidrar i hög grad till att minska behovet av att sakta ner ett helt system för att uppnå önskad finishkvalitet. Denna uppgradering av rörelsekontrollen innebär också att slutanvändare kan tillverka fler delar per timme utan att offra kvaliteten.
- Automatisk finjustering: servosystem kan oberoende utföra sin egen anpassade finjustering, vilket gör det möjligt att anpassa sig till förändringar i skrivarens mekanik eller avvikelser i en tryckprocess. 3D-stegmotorer använder inte positionsåterkoppling, vilket gör det nästan omöjligt att kompensera för förändringar i processer eller avvikelser i mekaniken.
- Givaråterkoppling: Robusta servosystem som erbjuder absolut givaråterkoppling behöver bara utföra en referensinställning en gång, vilket resulterar i större drifttid och kostnadsbesparingar. 3D-skrivare som använder stegmotorteknik saknar denna funktion och måste referensinställas varje gång de startas.
- Återkopplingsavkänning: en extruder i en 3D-skrivare kan ofta vara en flaskhals i utskriftsprocessen, och en stegmotor har inte den återkopplingsförmåga som krävs för att upptäcka pappersstopp i extrudern – ett underskott som kan leda till att ett helt utskriftsjobb förstörs. Med detta i åtanke kan servosystem upptäcka pappersstopp i extrudern och förhindra filamentavskalling. Nyckeln till överlägsen utskriftsprestanda är att ha ett slutet system centrerat kring en högupplöst optisk kodare. Servomotorer med en 24-bitars absolut högupplöst kodare kan ge 16 777 216 bitars återkopplingsupplösning för större axel- och extrudernoggrannhet, samt synkronisering och skydd mot pappersstopp.
- Högpresterande robotar:Precis som robusta servomotorer omvandlar additiva tillämpningar, gör även robotar det. Deras utmärkta banprestanda, styva mekaniska struktur och höga dammskyddsklassning (IP) – i kombination med avancerad antivibrationskontroll och fleraxlig kapacitet – gör mycket flexibla sexaxliga robotar till ett idealiskt alternativ för de krävande processer som omger användningen av 3D-skrivare, såväl som viktiga åtgärder för subtraktiv tillverkning och hybrida additiva/subtraktiva metoder.
Robotautomation som komplement till 3D-utskriftsmaskiner innebär i stor utsträckning hantering av utskrivna delar i installationer med flera maskiner. Från att lossa enskilda delar från utskriftsmaskinen till att separera delar efter en utskriftscykel med flera delar, optimerar mycket flexibla och effektiva robotar driften för högre genomströmning och produktivitetsvinster.
Med traditionell 3D-utskrift är robotar till hjälp med pulverhantering, påfyllning av skrivarpulver vid behov och borttagning av pulver från färdiga delar. På liknande sätt kan andra efterbehandlingsuppgifter som är populära vid metallbearbetning, som slipning, polering, gradning eller skärning, enkelt utföras. Kvalitetsinspektion, såväl som förpacknings- och logistikbehov, tillgodoses också direkt med robotteknik, vilket frigör tillverkare att fokusera sin tid på arbete med högre förädlingsvärde, som specialtillverkning.
För större arbetsstycken utrustas industrirobotar med lång räckvidd för att direkt förflytta ett 3D-skrivarhuvud med extrudering. Detta, i kombination med kringutrustning som roterande baser, positionerare, linjära spår, gantryverktyg med mera, ger den arbetsyta som krävs för att skapa rumsliga friformsstrukturer. Förutom klassisk snabbprototypframställning används robotar för tillverkning av stora volymer av friformsdelar, gjutformar, 3D-formade fackverkskonstruktioner och hybriddelar i storformat. - Fleraxliga maskinstyrenheter:Innovativ teknik för att ansluta upp till 62 rörelseaxlar i en enda miljö möjliggör nu multisynkronisering av ett brett utbud av industrirobotar, servosystem och frekvensomriktare som används i additiva, subtraktiva och hybridprocesser. En hel familj av enheter kan nu arbeta sömlöst tillsammans under fullständig styrning och övervakning av en PLC (programmerbar logikstyrenhet) eller IEC-maskinstyrenhet, som MP3300iec. Professionella plattformar som denna programmeras ofta med ett dynamiskt 61131 IEC-programvarupaket, som MotionWorks IEC, och använder välkända verktyg (t.ex. RepRap G-koder, funktionsblockdiagram, strukturerad text, stegdiagram etc.). För att underlätta enkel integration och optimera maskinens drifttid ingår färdiga verktyg som bäddnivelleringskompensation, tryckförskjutningskontroll av extrudern, multispindlar och extruderstyrning.
- Avancerade användargränssnitt för tillverkning:Olika programvarupaket är mycket fördelaktiga för tillämpningar inom 3D-utskrift, formskärning, verktygsmaskiner och robotteknik, och kan snabbt leverera ett lättanpassat grafiskt maskingränssnitt, vilket ger en väg till större mångsidighet. Intuitiva plattformar som Yaskawa Compass är utformade med kreativitet och optimering i åtanke och gör det möjligt för tillverkare att enkelt anpassa skärmar. Från att inkludera centrala maskinattribut till att tillgodose kundernas behov krävs lite programmering – eftersom dessa verktyg tillhandahåller ett omfattande bibliotek med förbyggda C#-plugin eller möjliggör import av anpassade plugin.
HÖJA SIG ÖVER
Medan de enskilda additiva och subtraktiva processerna fortfarande är populära, kommer en större övergång till hybridmetoden med additiva/subtraktiva metoder att ske under de närmaste åren. Förväntas växa med en genomsnittlig årlig tillväxttakt (CAGR) på 14,8 procent år 2027.1, marknaden för hybridadditiv tillverkningsmaskiner är redo att möta den ökande kundefterfrågan. För att höja sig över konkurrenterna bör tillverkare väga för- och nackdelar med hybridmetoden för sin verksamhet. Med möjligheten att producera delar efter behov, vilket i sin tur minskar koldioxidavtrycket avsevärt, erbjuder den hybrida additiva/subtraktiva processen några attraktiva fördelar. Oavsett bör de avancerade teknikerna för dessa processer inte förbises och bör implementeras i verkstadsmiljöer för att underlätta högre produktivitet och produktkvalitet.
Publiceringstid: 13 augusti 2021
