Avanti in 3D: superare le sfide nella stampa 3D di metalli

I servomotori e i robot stanno rivoluzionando le applicazioni additive. Scopri i suggerimenti e le applicazioni più recenti per l'implementazione dell'automazione robotica e del controllo avanzato del movimento nella produzione additiva e sottrattiva, e le prospettive future: i metodi ibridi additivi/sottrattivi.

PROMUOVERE L'AUTOMAZIONE

Di Sarah Mellish e RoseMary Burns

L'adozione di dispositivi di conversione di potenza, tecnologie di controllo del movimento, robot estremamente flessibili e un mix eclettico di altre tecnologie avanzate sono fattori trainanti per la rapida crescita di nuovi processi di fabbricazione nel panorama industriale. Rivoluzionando il modo in cui vengono realizzati prototipi, componenti e prodotti, la produzione additiva e sottrattiva sono due esempi lampanti che hanno fornito l'efficienza e i risparmi sui costi che i produttori cercano per rimanere competitivi.

La produzione additiva (AM), nota anche come stampa 3D, è un metodo non tradizionale che utilizza dati di progettazione digitale per creare oggetti tridimensionali solidi, fondendo i materiali strato dopo strato dal basso verso l'alto. Spesso producendo componenti quasi a forma finale (NNS) senza sprechi, l'utilizzo dell'AM per la progettazione di prodotti, sia semplici che complessi, continua a diffondersi in settori come quello automobilistico, aerospaziale, energetico, medicale, dei trasporti e dei beni di consumo. Al contrario, il processo sottrattivo prevede la rimozione di sezioni da un blocco di materiale mediante taglio o lavorazione di alta precisione per creare un prodotto 3D.

Nonostante le differenze sostanziali, i processi additivi e sottrattivi non si escludono sempre a vicenda, in quanto possono essere utilizzati per integrare diverse fasi dello sviluppo del prodotto. Un modello concettuale iniziale o un prototipo vengono spesso creati tramite il processo additivo. Una volta finalizzato il prodotto, potrebbero essere necessari lotti più grandi, aprendo la strada alla produzione sottrattiva. Più recentemente, quando il tempo è un fattore critico, si stanno applicando metodi ibridi additivi/sottrattivi per attività come la riparazione di parti danneggiate/usurate o la creazione di componenti di qualità con tempi di consegna ridotti.

AUTOMATIZZA AVANTI

Per soddisfare le rigorose esigenze dei clienti, i produttori stanno integrando una vasta gamma di materiali per fili, come acciaio inossidabile, nichel, cobalto, cromo, titanio, alluminio e altri metalli dissimili, nella costruzione dei loro componenti, partendo da un substrato morbido ma resistente e terminando con un componente duro e resistente all'usura. Ciò ha in parte evidenziato la necessità di soluzioni ad alte prestazioni per una maggiore produttività e qualità sia negli ambienti di produzione additiva che sottrattiva, soprattutto in processi come la produzione additiva ad arco di filo (WAAM), WAAM-sottrattiva, rivestimento laser-sottrattivo o decorazione. Tra i punti salienti:

• Tecnologia servo avanzata:Per rispondere al meglio alle esigenze di time-to-market e alle specifiche di progettazione dei clienti, in particolare per quanto riguarda la precisione dimensionale e la qualità della finitura, gli utenti finali si stanno orientando verso stampanti 3D avanzate dotate di sistemi servoassistiti (invece dei motori passo-passo) per un controllo ottimale del movimento. I vantaggi dei servomotori, come il Sigma-7 di Yaskawa, rivoluzionano il processo di produzione additiva, aiutando i produttori a superare i problemi più comuni grazie alle loro capacità di potenziamento della stampante.
  • Soppressione delle vibrazioni: i robusti servomotori sono dotati di filtri di soppressione delle vibrazioni, nonché di filtri anti-risonanza e notch, che garantiscono un movimento estremamente fluido in grado di eliminare le antiestetiche linee a gradini causate dall'ondulazione della coppia del motore passo-passo.
  • Aumento della velocità: una velocità di stampa di 350 mm/sec è ora una realtà, più del doppio della velocità media di una stampante 3D con motore passo-passo. Allo stesso modo, è possibile raggiungere una velocità di spostamento fino a 1.500 mm/sec con la tecnologia rotativa o fino a 5 metri/sec con la tecnologia servo lineare. L'accelerazione estremamente rapida offerta dai servomotori ad alte prestazioni consente di spostare le testine di stampa 3D nelle posizioni corrette più rapidamente. Ciò contribuisce notevolmente a ridurre la necessità di rallentare l'intero sistema per raggiungere la qualità di finitura desiderata. Di conseguenza, questo miglioramento nel controllo del movimento significa anche che gli utenti finali possono produrre più pezzi all'ora senza sacrificare la qualità.
  • Regolazione automatica: i sistemi servoassistiti possono eseguire autonomamente la propria regolazione personalizzata, consentendo di adattarsi ai cambiamenti nella meccanica di una stampante o alle variazioni del processo di stampa. I motori passo-passo 3D non utilizzano il feedback di posizione, rendendo pressoché impossibile compensare i cambiamenti nei processi o le discrepanze meccaniche.
  • Feedback dell'encoder: i robusti sistemi servoassistiti che offrono un feedback assoluto dell'encoder devono eseguire la procedura di homing una sola volta, con conseguente maggiore operatività e risparmio sui costi. Le stampanti 3D che utilizzano la tecnologia dei motori passo-passo non dispongono di questa funzionalità e devono essere azzerate ogni volta che vengono accese.
  • Rilevamento del feedback: l'estrusore di una stampante 3D può spesso rappresentare un collo di bottiglia nel processo di stampa e un motore passo-passo non possiede la capacità di rilevamento del feedback necessaria per individuare un inceppamento dell'estrusore, una lacuna che può compromettere l'intera stampa. Per questo motivo, i sistemi servoassistiti possono rilevare gli inceppamenti dell'estrusore e prevenire l'estrusione del filamento. La chiave per prestazioni di stampa superiori risiede in un sistema a circuito chiuso incentrato su un encoder ottico ad alta risoluzione. I servomotori con un encoder assoluto ad alta risoluzione a 24 bit possono fornire 16.777.216 bit di risoluzione di feedback a circuito chiuso per una maggiore precisione degli assi e dell'estrusore, nonché per la sincronizzazione e la protezione dagli inceppamenti.
• Robot ad alte prestazioni:Così come i robusti servomotori stanno trasformando le applicazioni additive, allo stesso modo i robot stanno facendo altrettanto. Le loro eccellenti prestazioni di traiettoria, la struttura meccanica rigida e l'elevato grado di protezione dalla polvere (IP), combinati con un controllo antivibrazione avanzato e la capacità multiasse, rendono i robot a sei assi altamente flessibili la soluzione ideale per i processi impegnativi legati all'utilizzo delle stampanti 3D, nonché per le operazioni chiave della produzione sottrattiva e dei metodi ibridi additivi/sottrattivi.
  L'automazione robotica complementare alle stampanti 3D comprende ampiamente la gestione dei pezzi stampati in impianti con più macchine. Dallo scarico dei singoli pezzi dalla stampante alla separazione dei componenti dopo un ciclo di stampa multi-pezzo, robot altamente flessibili ed efficienti ottimizzano le operazioni per una maggiore produttività e un aumento della capacità produttiva.
  Nella stampa 3D tradizionale, i robot sono utili per la gestione della polvere, ricaricando la stampante quando necessario e rimuovendo la polvere dai pezzi finiti. Allo stesso modo, altre operazioni di finitura comuni nella lavorazione dei metalli, come la molatura, la lucidatura, la sbavatura o il taglio, vengono eseguite con facilità. Anche il controllo qualità, l'imballaggio e le esigenze logistiche vengono soddisfatte direttamente dalla tecnologia robotica, consentendo ai produttori di concentrarsi su attività a maggior valore aggiunto, come la fabbricazione su misura.
  Per i pezzi di grandi dimensioni, i robot industriali a lungo raggio vengono attrezzati per movimentare direttamente la testina di estrusione di una stampante 3D. Questo, in combinazione con strumenti periferici come basi rotanti, posizionatori, binari lineari, portali e altro ancora, fornisce lo spazio di lavoro necessario per creare strutture spaziali a forma libera. Oltre alla prototipazione rapida classica, i robot vengono utilizzati per la fabbricazione di componenti a forma libera di grande volume, stampi, strutture reticolari tridimensionali e componenti ibridi di grande formato.
• Controllori per macchine multiasse:L'innovativa tecnologia per la connessione di fino a 62 assi di movimento in un unico ambiente rende ora possibile la multisincronizzazione di un'ampia gamma di robot industriali, servosistemi e azionamenti a frequenza variabile utilizzati nei processi additivi, sottrattivi e ibridi. Un'intera famiglia di dispositivi può ora lavorare in perfetta sinergia sotto il controllo e il monitoraggio completi di un PLC (Controllore Logico Programmabile) o di un controllore macchina IEC, come l'MP3300iec. Spesso programmate con un pacchetto software IEC 61131 dinamico, come MotionWorks IEC, piattaforme professionali come questa utilizzano strumenti familiari (ad esempio, codici G RepRap, diagrammi a blocchi funzionali, testo strutturato, diagrammi a scaletta, ecc.). Per facilitare la facile integrazione e ottimizzare i tempi di attività della macchina, sono inclusi strumenti preconfigurati come la compensazione del livellamento del piano, il controllo dell'anticipo di pressione dell'estrusore e il controllo di più mandrini ed estrusori.
• Interfacce utente per la produzione avanzata:Particolarmente utili per applicazioni di stampa 3D, taglio di forme, macchine utensili e robotica, diversi pacchetti software consentono di creare rapidamente un'interfaccia grafica per la macchina, facile da personalizzare, aprendo la strada a una maggiore versatilità. Progettate pensando alla creatività e all'ottimizzazione, piattaforme intuitive come Yaskawa Compass permettono ai produttori di personalizzare facilmente le schermate con il proprio marchio. Dall'inserimento degli attributi principali della macchina all'adattamento alle esigenze del cliente, è richiesta una programmazione minima, poiché questi strumenti offrono un'ampia libreria di plug-in C# predefiniti o consentono l'importazione di plug-in personalizzati.

ELEVATI AL DI SOPRA

Sebbene i processi additivi e sottrattivi singoli rimangano popolari, nei prossimi anni si assisterà a una maggiore transizione verso il metodo ibrido additivo/sottrattivo, che dovrebbe crescere a un tasso di crescita annuo composto (CAGR) del 14,8% entro il 2027.¹Il mercato delle macchine ibride per la produzione additiva è pronto a soddisfare la crescente domanda dei clienti. Per distinguersi dalla concorrenza, i produttori dovrebbero valutare attentamente i pro e i contro del metodo ibrido per le proprie attività. Grazie alla possibilità di produrre componenti secondo necessità e a una significativa riduzione dell'impronta di carbonio, il processo ibrido additivo/sottrattivo offre vantaggi interessanti. In ogni caso, le tecnologie avanzate per questi processi non dovrebbero essere sottovalutate e dovrebbero essere implementate negli stabilimenti produttivi per favorire una maggiore produttività e una migliore qualità del prodotto.