Avanti in 3D: supera le sfide della stampa 3D in metallo

Servomotori e robot stanno trasformando le applicazioni additive. Scopri i suggerimenti e le applicazioni più recenti per l'implementazione dell'automazione robotica e del controllo avanzato del movimento per la produzione additiva e sottrattiva, e scopri cosa ci riserva il futuro: pensa ai metodi ibridi additivi/sottrattivi.

AUTOMAZIONE AVANZATA

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 eccellenti che hanno fornito l'efficienza e il risparmio sui costi che i produttori cercano per rimanere competitivi.

Nota come stampa 3D, la produzione additiva (AM) è un metodo non tradizionale che solitamente utilizza dati di progettazione digitali per creare oggetti solidi tridimensionali fondendo i materiali strato per strato dal basso verso l'alto. Realizzando spesso parti near-net-shape (NNS) senza sprechi, l'uso della produzione additiva per la progettazione di prodotti, sia semplici che complessi, continua a permeare 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 ad alta precisione per creare un prodotto 3D.

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

AUTOMATIZZA IN AVANTI

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

• Tecnologia servo avanzata:Per soddisfare al meglio gli obiettivi di time-to-market e le specifiche di progettazione dei clienti, in termini di precisione dimensionale e qualità di finitura, gli utenti finali si stanno rivolgendo a stampanti 3D avanzate con servosistemi (anziché motori passo-passo) per un controllo ottimale del movimento. I vantaggi dei servomotori, come il Sigma-7 di Yaskawa, rivoluzionano il processo additivo, aiutando i produttori a superare i problemi più comuni grazie a funzionalità di potenziamento della stampante:
  • Soppressione delle vibrazioni: i servomotori robusti sono dotati di filtri di soppressione delle vibrazioni, nonché di filtri antirisonanza e notch, garantendo un movimento estremamente fluido in grado di eliminare le sgradevoli linee a gradini causate dall'ondulazione di coppia del motore passo-passo.
  • Aumento della velocità: una velocità di stampa di 350 mm/sec è ora una realtà, più che raddoppiando la velocità media di una stampante 3D con motore passo-passo. Analogamente, è possibile raggiungere velocità di spostamento fino a 1.500 mm/sec utilizzando la tecnologia rotativa o fino a 5 metri/sec utilizzando la tecnologia servo lineare. La capacità di accelerazione estremamente rapida offerta dai servo ad alte prestazioni consente di spostare le testine di stampa 3D nella posizione corretta più rapidamente. Questo contribuisce notevolmente ad alleviare la necessità di rallentare un intero sistema per raggiungere la qualità di finitura desiderata. Di conseguenza, questo aggiornamento nel controllo del movimento significa anche che gli utenti finali possono produrre più parti all'ora senza sacrificare la qualità.
  • Regolazione automatica: i servosistemi possono eseguire autonomamente la propria regolazione personalizzata, il che consente di adattarsi a modifiche nella meccanica di una stampante o a variazioni nel processo di stampa. I motori passo-passo 3D non utilizzano il feedback di posizione, rendendo quasi impossibile compensare variazioni nei processi o discrepanze nella meccanica.
  • Feedback dell'encoder: i servosistemi robusti che offrono feedback assoluto tramite encoder devono eseguire la routine di homing una sola volta, con conseguente maggiore tempo di attività e risparmio sui costi. Le stampanti 3D che utilizzano la tecnologia dei motori passo-passo non dispongono di questa funzionalità e devono essere riportate alla posizione iniziale 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 ha la capacità di rilevamento del feedback necessaria per rilevare un inceppamento dell'estrusore, una carenza che può portare alla rovina di un intero processo di stampa. In quest'ottica, i servosistemi possono rilevare i backup dell'estrusore e prevenire lo strappo del filamento. La chiave per prestazioni di stampa superiori è 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 del 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:Proprio come i robusti servomotori stanno trasformando le applicazioni additive, lo stesso vale per i robot. Le loro eccellenti prestazioni di traiettoria, la rigida struttura meccanica e l'elevata protezione dalla polvere (IP), combinate con un avanzato controllo antivibrazioni e la capacità multiasse, rendono i robot a sei assi altamente flessibili un'opzione ideale per i processi complessi che circondano l'utilizzo delle stampanti 3D, nonché per azioni chiave per la produzione sottrattiva e i metodi ibridi additivo/sottrattivi.
  L'automazione robotica complementare alle macchine per la stampa 3D prevede ampiamente la movimentazione di pezzi stampati in installazioni multi-macchina. Dallo scarico dei singoli pezzi dalla macchina alla separazione dei pezzi dopo un ciclo di stampa multi-parte, robot altamente flessibili ed efficienti ottimizzano le operazioni per una maggiore produttività e un aumento della produttività.
  Con la stampa 3D tradizionale, i robot sono utili nella gestione della polvere, ricaricandola quando necessario e rimuovendola dai pezzi finiti. Allo stesso modo, altre attività di finitura dei pezzi comuni nella fabbricazione dei metalli, come la molatura, la lucidatura, la sbavatura o il taglio, sono facilmente eseguibili. Anche il controllo qualità, così come le esigenze di imballaggio e logistica, vengono soddisfatte direttamente dalla tecnologia robotica, consentendo ai produttori di concentrarsi su attività a più alto valore aggiunto, come la fabbricazione personalizzata.
  Per pezzi di grandi dimensioni, robot industriali a lungo raggio vengono equipaggiati per muovere direttamente una testa di estrusione della stampante 3D. Questo, in combinazione con strumenti periferici come basi rotanti, posizionatori, guide 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 pezzi a forma libera di grandi volumi, stampi, strutture a traliccio sagomate in 3D e pezzi ibridi di grande formato.
• Controllori per macchine multiasse:L'innovativa tecnologia per il collegamento di un massimo di 62 assi di movimento in un unico ambiente rende ora possibile la sincronizzazione multipla 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 funzionare in modo integrato e integrato sotto il controllo e il monitoraggio completo di un PLC (Programmable Logic Controller) o di un controllore macchina IEC, come l'MP3300iec. Spesso programmate con un pacchetto software IEC dinamico 61131, come MotionWorks IEC, piattaforme professionali come questa utilizzano strumenti familiari (ad esempio, codici G RepRap, diagramma a blocchi funzionali, testo strutturato, diagramma ladder, ecc.). Per facilitare l'integrazione e ottimizzare i tempi di attività della macchina, sono inclusi strumenti predefiniti come la compensazione del livellamento del letto, il controllo dell'avanzamento della pressione dell'estrusore, il controllo di più mandrini ed estrusori.
• Interfacce utente di produzione avanzata:Estremamente vantaggiosi per applicazioni di stampa 3D, taglio di forme, macchine utensili e robotica, diversi pacchetti software possono fornire rapidamente un'interfaccia grafica macchina facile da personalizzare, aprendo la strada a una maggiore versatilità. Progettate pensando alla creatività e all'ottimizzazione, piattaforme intuitive, come Yaskawa Compass, consentono ai produttori di personalizzare e personalizzare facilmente le schermate. Dall'inclusione degli attributi principali della macchina alla soddisfazione delle esigenze dei clienti, la programmazione è minima, poiché questi strumenti offrono un'ampia libreria di plug-in C# predefiniti o consentono l'importazione di plug-in personalizzati.

ELEVARE SOPRA

Sebbene i processi additivi e sottrattivi singoli rimangano popolari, nei prossimi anni si assisterà a un maggiore passaggio al metodo ibrido additivo/sottrattivo. Si prevede una crescita a un tasso annuo composto (CAGR) del 14,8% entro il 2027.¹Il mercato delle macchine per la produzione additiva ibrida è pronto a soddisfare l'aumento della domanda in continua evoluzione dei clienti. Per distinguersi dalla concorrenza, i produttori dovrebbero valutare i pro e i contro del metodo ibrido per le loro attività. Grazie alla possibilità di produrre componenti in base alle esigenze, con una significativa riduzione dell'impronta di carbonio, il processo ibrido additivo/sottrattivo offre alcuni vantaggi interessanti. In ogni caso, le tecnologie avanzate per questi processi non dovrebbero essere trascurate e dovrebbero essere implementate in fabbrica per favorire una maggiore produttività e una migliore qualità del prodotto.