基于 PC 的控制技術助力實現大型塑料零部件增材制造

3D 打印工藝已經成為實現塑料零部件開發、原型制作和單件小批量生產創新的關鍵，可能精度、速度和物體尺寸會對 3D 打印造成限制。波蘭設備制造商 ATMAT 使用倍福的控制和驅動技術突破了這些限制。

大約還在 10 多年前，3D 打印技術主要用于快速原型開發。但如今，3D 打印已逐漸成為批量生產的一部分。位于克拉科夫的設備制造商 ATMAT 很早就認識到了 3D 打印的巨大潛力，并且在傳統機械工程的基礎上，專門制造工業級 3D 打印機，作為公司的第二大主力產品。ATMAT 公司目前通過新推出的 Saturn 和 Jupiter 大型打印機系列產品，在不犧牲精度、打印速度和操作便利性的情況下，將 3D 打印機的工作空間擴大到一個新的水平。開發人員基于 PC 控制技術實現了這一目標，即采用 TwinCAT 3 軟件、適合控制柜安裝的“經濟型”面板型 PC CP6700 以及 EtherCAT I/O 端子模塊和倍福的伺服驅動技術。

專家們站在 Saturn 3D 打印機前（左起）：ATMAT 公司自動化部經理 Robert Grolik、高級 PLC 程序員 Jacek Domański、倍福波蘭分公司大客戶經理 Sebastian Aszklar 與當地銷售經理 Krzysztof Pulut，以及 ATMAT 公司首席運營官 Mateusz Dyl?g。

大幅面 3D 打印機已經涉及了汽車、航空等很多有趣的應用領域。例如，其中一個特別的項目是修復一架法國在二戰前研制的老式戰斗機 Caudron CR.714。不僅機身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。這意味著使用傳統方法重建飛機將需要花費大量的時間和成本。因此決定在 ATMAT 的支持下使用 3D 打印技術生產這些零部件。“該項目最重要的方面，同時也是最大的挑戰，包括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化打印好的零部件，以確保在組裝時不會破壞歷史元素。”

高精度打印尺寸達 1.2 立方米的精細零部件

這類修復的前提是高精度的 3D 打印機有足夠大的工作空間，才能生產超大尺寸的飛機零部件以及復雜的幾何形狀。所有零部件都采用 FFF/FDM（熔融沉積成型技術）打印。在這個過程中，一臺擠出機用于加熱打印材料，直至熔化，送入打印頭，并精確地層層堆積在工作臺上，直至整個零部件打印完成。在此期間，工作臺用作 Z 軸，而定時皮帶傳動的龍門軸則用作 X 和 Y 軸。一臺 Saturn 3D 打印機被用于重建飛機零部件。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。“我們從一開始就同等重視客戶的特定項目和 3D 打印機本身。我們在緊湊型 3D 打印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幅面 3D 打印機，比如 Jupiter 和 Saturn 型號。”Robert Grolik 強調說道。

Jupiter 和 Saturn 不僅適用于制作功能性原型。系統設計使得它可以直接集成到生產線上，從而優化 3D 打印單件小批量生產。“跨·國公司，尤其是汽車整車制造企業，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，車輛個性化定制也越來越重要。“增材制造技術可以助力實現這些個性化設備選項的生產：制作時間短、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；現在還可以打印體積更大、形狀更復雜的結構體，包括儀表盤和照明元件。

倍福 AM8121 伺服電機與 EL72xx 系列伺服電機端子模塊結合，助力實現高速、高精度的打印頭運動。

此外，汽車制造商正在認真思考將 3D 打印用于整車制造的可行性（不僅針對一些限定版車輛，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。這種趨勢不僅體現在汽車行業。“異常訂單和小批量生產訂單份額的增長很好地說明了這一點。”Robert Grolik 指出。這是因為 3D 打印不僅能夠在正式生產前測試創新的解決方案；3D 打印也簡化了公司小批量生產的組織工作。人們不再需要提前訂購和儲備零部件，只需根據具體的需求進行打印即可。

Saturn 大幅面打印機就是能夠帶來這些好處的典型產品。該設備專為復雜（即高精度）應用而開發，它有一個巨大的大理石工作臺、一根龍門軸以及兩個打印單元（主打印頭和輔助打印頭），可以實現高速打印。主打印頭由兩個擠出機組成，可以配備一到兩個打印噴頭。這樣可以顯著加快打印速度，即使是打印復雜的幾何形狀。巨型工作臺中內置的四區加熱系統可以保障工作平臺的正確溫度。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。巨型打印區域安裝在一個帶隔熱的加熱室中，以保持溫度恒定。

緊湊型驅動技術助力實現高精度運動控制

ATMAT 為大幅面打印機配備了倍福的 AM8121緊湊型伺服電機。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。對于 ATMAT 來說，以前使用 Jupiter 系列積累的積極經驗對選擇驅動產品起了決定性作用。“AM8121緊湊型伺服電機的其中一個優勢是，它們可以通過 EL72xx 伺服電機端子模塊驅動。”倍福區域銷售經理 Krzysztof Pulut 說道。“由于標準 EtherCAT 端子模塊的體積非常小，與傳統的伺服驅動器相比，它們可以節省控制柜中的大量空間。此外，單電纜技術（OCT）將動力和反饋系統整合在一根電纜上，大大減少了打印機的布線工作。OCT 不僅能夠減少布線出錯的風險，而且還能夠減少設備制造商需要保留的系統組件數量。”Z 軸的運動通過一個由 EL7031 EtherCAT 端子模塊驅動的步進電機執行。

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

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 端子模塊實現。用于監測擠出機頭、工作臺和腔體溫度的特殊傳感器也使用了相應的 EtherCAT 端子模塊。“溫度調節對 FDM 打印機的熔融分層具有決定性意義，因為它能夠確保打印件的質量。”Robert Grolik 在解釋端子模塊對打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打印效果至關重要的解決方案：他們使用激光傳感器測量打印頭和工作臺之間的距離，從而提高打印質量，尤其是在打印第一層材料時。

通過 TwinCAT HMI 進行直觀操作

3D 打印機通過 TwinCAT 3 和適合控制柜安裝的經濟型面板型 PC CP6700 自動控制。“即使對于復雜的 3D 打印訂單，Intel Atom? 處理器（雙核）和 4 GB 內存也完全夠用。”Robert Grolik 強調說道。在系統完整性保護方面，專家們使用 30 GB 的閃存作為外部存儲介質，并配備了倍福的 1 秒鐘 UPS。控制硬件能夠在惡劣的生產條件下工作，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，響應時間短，并支持遠程訪問和二維碼掃描儀。”Robert Grolik 說道。

“倍福的開放創新堅定了我們與其合作的決心。倍福每年都堅持開發和實施新的解決方案，這在控制系統制造商中實屬罕見。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 操作系統的面板型 PC，它們都有利于我們將 3D 打印機集成到更高級別的系統中。”