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

I servomotori e i robot stanno trasformando le applicazioni additive. Scopri i suggerimenti e le applicazioni più recenti sull'implementazione dell'automazione robotica e del controllo avanzato del movimento per la produzione additiva e sottrattiva, nonché le prospettive future: 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, parti e prodotti, la produzione additiva e sottrattiva sono due ottimi esempi che hanno fornito l’efficienza e il risparmio sui costi che i produttori cercano per rimanere competitivi.

Denominata stampa 3D, la produzione additiva (AM) è un metodo non tradizionale che di solito utilizza dati di progettazione digitale per creare oggetti tridimensionali solidi fondendo i materiali strato dopo strato dal basso verso l'alto. Spesso realizzando parti Near-Net-Shape (NNS) senza sprechi, l'uso dell'AM per la progettazione di prodotti sia di base che complessi continua a permeare settori come quello automobilistico, aerospaziale, energetico, medico, dei trasporti e dei prodotti 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 sempre si escludono a vicenda, poiché possono essere utilizzati per integrare varie fasi dello sviluppo del prodotto. Un modello concettuale o un prototipo iniziale viene spesso creato mediante il processo additivo. Una volta finalizzato il prodotto, potrebbero essere necessari lotti più grandi, aprendo la porta alla produzione sottrattiva. Più recentemente, dove il tempo è essenziale, vengono applicati metodi ibridi additivi/sottrattivi per cose come la riparazione di parti danneggiate/usurate o la creazione di parti di qualità con tempi di consegna inferiori.

AUTOMATICO AVANTI

Per soddisfare le rigorose richieste dei clienti, i produttori stanno integrando una gamma di materiali di filo come acciaio inossidabile, nichel, cobalto, cromo, titanio, alluminio e altri metalli diversi nella costruzione delle loro parti, iniziando con un substrato morbido ma resistente e finendo con un materiale duro e resistente all'usura. -componente resistente. In parte, ciò ha rivelato la necessità di soluzioni ad alte prestazioni per una maggiore produttività e qualità negli ambienti di produzione sia additiva che sottrattiva, in particolare quando sono coinvolti processi come la produzione additiva con arco a filo (WAAM), la WAAM sottrattiva, il rivestimento laser sottrattivo o la decorazione. I punti salienti includono:

• Servotecnologia avanzata:Per soddisfare meglio gli obiettivi di time-to-market e le specifiche di progettazione del cliente, per quanto riguarda la precisione dimensionale e la qualità della finitura, gli utenti finali si rivolgono a stampanti 3D avanzate con servosistemi (su motori passo-passo) per un controllo del movimento ottimale. I vantaggi dei servomotori, come Sigma-7 di Yaskawa, rivoluzionano il processo additivo, aiutando i produttori a superare i problemi comuni tramite funzionalità di potenziamento della stampante:
  • Soppressione delle vibrazioni: i robusti servomotori vantano filtri di soppressione delle vibrazioni, nonché filtri anti-risonanza e notch, garantendo un movimento estremamente fluido in grado di eliminare le linee a gradini visivamente sgradevoli 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 che raddoppiando la velocità di stampa media di una stampante 3D che utilizza un motore passo-passo. Allo stesso modo, è possibile raggiungere una velocità di traslazione fino a 1.500 mm/sec utilizzando la tecnologia rotativa o fino a 5 metri/sec utilizzando la servotecnologia lineare. La capacità di accelerazione estremamente rapida fornita attraverso servo ad alte prestazioni consente di spostare le testine di stampa 3D nelle posizioni corrette più rapidamente. Ciò contribuisce notevolmente ad alleviare la necessità di rallentare un intero sistema per raggiungere la qualità di finitura desiderata. Successivamente, questo aggiornamento nel controllo del movimento significa anche che gli utenti finali possono fabbricare più parti all’ora senza sacrificare la qualità.
  • Regolazione automatica: i servosistemi possono eseguire in modo indipendente la propria messa a punto personalizzata, che rende possibile l'adattamento ai cambiamenti nella meccanica di una stampante o alle variazioni in un processo di stampa. I motori passo-passo 3D non utilizzano il feedback di posizione, rendendo quasi impossibile compensare i cambiamenti nei processi o le discrepanze nella meccanica.
  • Feedback dell'encoder: i servosistemi robusti che offrono feedback assoluto dell'encoder devono eseguire una routine di homing solo una volta, con conseguente maggiore tempo di attività e risparmio sui costi. Le stampanti 3D che utilizzano la tecnologia del motore passo-passo non hanno questa funzionalità e devono essere posizionate ogni volta che vengono accese.
  • Rilevamento del feedback: un 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 per rilevare un inceppamento dell'estrusore, un deficit che può portare alla rovina di un intero lavoro di stampa. Tenendo presente questo, i servosistemi possono rilevare i backup dell’estrusore e prevenire lo stripping del filamento. La chiave per ottenere prestazioni di stampa superiori è disporre di un sistema a circuito chiuso incentrato su un codificatore 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 ad anello chiuso per una maggiore precisione dell'asse e dell'estrusore, nonché sincronizzazione e protezione dagli inceppamenti.
• Robot ad alte prestazioni:Proprio come i robusti servomotori stanno trasformando le applicazioni additive, lo stesso fanno anche i robot. Le loro eccellenti prestazioni di percorso, la struttura meccanica rigida e l'elevato grado di protezione dalla polvere (IP), combinati con il controllo antivibrante avanzato e la capacità multiasse, rendono i robot a sei assi altamente flessibili un'opzione ideale per i processi impegnativi che circondano l'utilizzo del 3D. stampanti, nonché azioni chiave per la produzione sottrattiva e i metodi ibridi additivi/sottrattivi.
  L’automazione robotica complementare alle macchine da stampa 3D comporta ampiamente la movimentazione di parti stampate in installazioni multi-macchina. Dallo scarico delle singole parti dalla macchina da stampa alla separazione delle parti dopo un ciclo di stampa multiparte, robot altamente flessibili ed efficienti ottimizzano le operazioni per una maggiore produttività e guadagni.
  Con la stampa 3D tradizionale, i robot sono utili nella gestione della polvere, nel ricaricare la polvere della stampante quando necessario e nella rimozione della polvere dalle parti finite. Allo stesso modo, altre attività di finitura delle parti comuni nella fabbricazione dei metalli, come la molatura, la lucidatura, la sbavatura o il taglio, possono essere facilmente eseguite. Anche l’ispezione della qualità, così come le esigenze di imballaggio e logistica, vengono soddisfatte direttamente dalla tecnologia robotica, consentendo ai produttori di concentrarsi su lavori a maggior valore aggiunto, come la fabbricazione personalizzata.
  Per i pezzi più grandi, i robot industriali a lungo raggio vengono attrezzati per spostare direttamente la testa di estrusione della stampante 3D. Questo, insieme a strumenti periferici come basi rotanti, posizionatori, binari lineari, portali e altro ancora, forniscono lo spazio di lavoro necessario per creare strutture spaziali a forma libera. Oltre alla classica prototipazione rapida, i robot vengono utilizzati per la fabbricazione di parti a forma libera di grandi volumi, forme di stampi, costruzioni di tralicci a forma 3D e parti ibride di grande formato.
• Controller di macchine multiasse:La tecnologia innovativa per connettere 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 funzionare perfettamente insieme sotto il controllo e il monitoraggio completi di un PLC (controllore logico programmabile) o di un controller macchina IEC, come MP3300iec. Spesso programmate con un pacchetto software IEC 61131 dinamico, come MotionWorks IEC, le piattaforme professionali come questa utilizzano strumenti familiari (ad esempio, codici G RepRap, diagramma a blocchi funzione, testo strutturato, diagramma Ladder, ecc.). Per facilitare una facile integrazione e ottimizzare i tempi di attività della macchina, sono inclusi strumenti già pronti come la compensazione del livellamento del letto, il controllo dell'avanzamento della pressione dell'estrusore, il controllo di mandrini multipli e dell'estrusore.
• Interfacce utente di produzione avanzate:Estremamente vantaggiosi per le applicazioni nella stampa 3D, nel taglio di forme, nelle macchine utensili e nella robotica, diversi pacchetti software possono fornire rapidamente un'interfaccia macchina grafica facile da personalizzare, aprendo la strada verso una maggiore versatilità. Progettate pensando alla creatività e all'ottimizzazione, le piattaforme intuitive, come Yaskawa Compass, consentono ai produttori di marchiare e personalizzare facilmente gli schermi. Dall'inclusione degli attributi principali della macchina alla soddisfazione delle esigenze dei clienti, è necessaria poca programmazione, poiché questi strumenti forniscono un'ampia libreria di plug-in C# predefiniti o consentono l'importazione di plug-in personalizzati.

SALIRE SOPRA

Sebbene i singoli processi additivo e sottrattivo rimangano popolari, nei prossimi anni si verificherà un maggiore spostamento verso il metodo ibrido additivo/sottrattivo. Si prevede che crescerà a un tasso di crescita annuale composto (CAGR) del 14,8% entro il 2027¹, il mercato delle macchine ibride per la produzione additiva è pronto a soddisfare la crescente domanda dei clienti. Per superare la concorrenza, i produttori dovrebbero valutare i pro e i contro del metodo ibrido per le loro attività. Con la capacità di produrre parti secondo necessità, con una notevole 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 nelle officine per facilitare una maggiore produttività e qualità del prodotto.