在無(wú)需熔化的金屬 3D 打印中簡(jiǎn)化了工程和面向未來(lái)的開(kāi)發(fā)

美國 Meld Manufacturing 公司開(kāi)創(chuàng )了一種使用摩擦和壓力的固態(tài)金屬增材制造工藝。與傳統的基于熔融沉積成型技術(shù)的增材制造工藝相比更有優(yōu)勢，采用新工藝的 3D 打印機可以打印出超大尺寸且強度更高的零件。該公司采用倍福靈活的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現系統的最佳控制。該公司采用倍福靈活的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技術(shù)實(shí)現系統的最佳控制。

MELD 工藝的另一個(gè)優(yōu)勢是：打印出來(lái)的金屬比通過(guò)熔融沉積成型金屬 3D 打印制作的零件更堅固

這家位于弗吉尼亞州克里斯蒂安斯堡的公司在首席執行官 Nanci Hardwick 帶領(lǐng)下，為國防、科研和制造領(lǐng)域的眾多客戶(hù)提供服務(wù)。據 MELD 公司技術(shù)總監 Chase Cox 博士介紹，MELD 于 2018 年從其母公司 Aeroprobe 拆分出來(lái)，將攪拌摩擦焊的原理應用于增材制造技術(shù)。攪拌摩擦焊是一種不需要熔化金屬的焊接方法。

MELD 基于此原理開(kāi)發(fā)出了一種實(shí)現 3D 打印多層沉積的增材制造工藝。此項獲得專(zhuān)利的工藝需要旋轉固體金屬棒材，同時(shí)在沉積點(diǎn)施加特定的壓力，通過(guò)摩擦使金屬塑性變形并沉積一層。通過(guò)絕熱加熱，即不與外界交換熱量，如果金屬棒以正確的速度連續快速旋轉，金屬原料就會(huì )保持持續流動(dòng)。

一臺 MELD 的 B8 打印機已準備就緒，可以進(jìn)行打印

這一創(chuàng )新工藝讓設備終端用戶(hù)能夠使用任意金屬材料打印零件，包括鋁合金以及通常會(huì )給其它增材制造系統帶來(lái)問(wèn)題的其它金屬原料。該工藝不像其它大部分 3D 打印方法那樣需要熔化金屬原料，不會(huì )影響金屬的特性。因此打印出來(lái)的產(chǎn)品更堅固，更不容易出現孔隙、熱裂紋等問(wèn)題，此類(lèi)問(wèn)題是熔融沉積成型技術(shù)的增材制造工藝常見(jiàn)的問(wèn)題。這種固態(tài)金屬 3D 工藝的加工速度比基于熔融的工藝快了至少 10 倍，并且消耗的能源更少。

持續開(kāi)發(fā)需要靈活的自動(dòng)化技術(shù)

MELD 目前可提供 L3、K2 和 3Po 等多款標準的 3D 打印機，可以打印各種尺寸的零件，從大約 3 英尺（90 厘米）長(cháng)、1 英尺（30 厘米）高到大約 13 英尺（4 米）長(cháng)、3.5 英尺（1 米）高。公司還可提供 CD-14 套件包 ，它包含一個(gè)帶旋轉沉積工具的主軸、電氣外殼和 HMI，設備制造商可以將其安裝在大型定制化系統中。實(shí)踐證明，開(kāi)放、可擴展的控制技術(shù)對于實(shí)現可持續發(fā)展至關(guān)重要。

公司自 2018 年成立以來(lái)，其最初的控制平臺已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求。首先，MELD 的高級自動(dòng)化工程師 Fred Lalande 不得不為其供應商的平臺編寫(xiě)一個(gè) G 代碼解釋器。此外，還需要一臺集成了單獨的軟件包的額外PC 運行 HMI 和交換性能數據。最后，該平臺在連接現場(chǎng)設備方面遇到了困難。Fred Lalande 努力讓該平臺與倍福的 EL70xx 系列步進(jìn)電機端子模塊進(jìn)行通信，于是他與倍福當地團隊成員、區域銷(xiāo)售工程師 Chuck Padvorac 和應用工程師 Jack Plyler 取得了聯(lián)系。當他聽(tīng)說(shuō)了倍?；?PC 的完整的集成控制系統，Lalande 堅信他已經(jīng)為 MELD 找到了理想的控制平臺。

TwinCAT 3 自動(dòng)化軟件是 Fred Lalande 最終決定選擇倍福的主要原因。Lalande 曾使用 Codesys 的 ST 格式編寫(xiě)了第一臺設備的代碼，他發(fā)現使用 TwinCAT 開(kāi)發(fā)平臺時(shí)，可以在很短的時(shí)間內輕松的轉換代碼。在此期間，他不僅使用 TwinCAT NCI 軟件包實(shí)現了一個(gè)可以在 PLC 內執行 G 代碼文件的程序，而且還在 TwinCAT HMI 中設計了一個(gè)新的基于 HTML5 的操作界面?！耙郧?，我必須使用兩到三個(gè)不同的軟件包，那是一種痛苦?！彼f(shuō)道?！坝辛?TwinCAT，我只需打開(kāi)一個(gè)程序就能找到我所需的一切?！?/p>

隨著(zhù)解決方案的發(fā)展和時(shí)間的推移，代碼也變得越來(lái)越復雜。TwinCAT 中的代碼易于移植，因此在設計下一代設備時(shí)，程序調整起來(lái)也很容易。此外，增材制造領(lǐng)域的企業(yè)都非常重視知識產(chǎn)權保護，尤其是像這種獨特的獲得專(zhuān)利的工藝。TwinCAT 在這方面很有優(yōu)勢，倍福的 Chuck Padvorac 指出：“倍福軟件平臺讓 MELD 能夠使用我們的 OEM 證書(shū)功能鎖定其寶貴的代碼。一切都通過(guò)密碼加密保護，因此沒(méi)有人可以抄襲 MELD 的開(kāi)發(fā)成果?！?span style="text-align: center; text-indent: 2em;"> 

由 MELD 開(kāi)發(fā)的增材制造工藝可以使用任意金屬材料進(jìn)行打印

據 Chase Cox 介紹，在這種 3D 打印工藝中，必須根據每種特定材料調整主軸速度，以保持連續打印所需的溫度。為了實(shí)現這一目標，TwinCAT Controller Toolbox 中的 PID 控制器在軸控制上提供了雙閉環(huán)，確保成功實(shí)施 MELD 公司無(wú)與倫比的工藝。

每臺設備都配置了一臺安裝有 TwinCAT 的倍福 C6920 控制柜式工業(yè) PC。倍福的 CP2924 多點(diǎn)觸控控制面板配備了帶定制按鈕擴展件和更多功能選項的操作界面。

運動(dòng)控制和功能安全

L3、K2 和 3PO 型號的 3D 打印機的運動(dòng)控制是通過(guò)倍福的伺服解決方案實(shí)現的。各種 AX5000 伺服驅動(dòng)器和 AM8000 伺服電機與配套減速機一起控制 X、Y 和 Z 坐標的運動(dòng)。EL72xx 系列伺服電機端子模塊為連續送料系統提供動(dòng)力，Fred Lalande 解釋道：“送料系統允許操作人員一次性裝入 8 小時(shí)的材料。通過(guò)倍福的緊湊型運動(dòng)控制解決方案，材料可以根據需要自動(dòng)移動(dòng)到轉塔車(chē)床上?！彬寗?dòng)組件還配備了單電纜技術(shù)(OCT)，即將動(dòng)力和反饋系統集成在一根電纜中，以簡(jiǎn)化調試工作。

CP2924 多點(diǎn)觸控控制面板（這里是豎屏）和 TwinCAT HMI 可以通過(guò)基于 Web 的編程實(shí)現舒適和直觀(guān)的操作界面

第三方變頻器和主軸電機控制每臺設備旋轉沉積工具的旋轉，Lalande 發(fā)現，由于變頻器基于 EtherCAT 技術(shù)，集成變得很簡(jiǎn)單。根據 Lalande 的說(shuō)法，EtherCAT 為同時(shí)使用倍福設備以及第三方設備都提供了即插即用的便利。

MELD 還采用了倍福的 TwinSAFE 集成式安全解決方案。Fred Lalande 因此能夠在同一個(gè) TwinCAT 開(kāi)發(fā)環(huán)境中通過(guò)編程實(shí)現驅動(dòng)器的急停按鈕、安全門(mén)和 TwinSAFE 運動(dòng)控制功能?！癟winSAFE 使用起來(lái)很簡(jiǎn)單?！盠alande 說(shuō)道，“通過(guò)實(shí)施這一解決方案，我們將我們的設備的安全性能等級提升到了 PLe，即最高安全等級?！?/p>

面向未來(lái)的 3D 打印技術(shù)

隨著(zhù) MELD 在增材制造方面不斷取得進(jìn)展，基于 PC 的控制為其提供了堅實(shí)的基礎。EtherCAT 和單電纜技術(shù)縮短了調試時(shí)間，而 TwinCAT 整合了 HMI、運動(dòng)控制、PLC 等設備控制功能。該自動(dòng)化平臺還簡(jiǎn)化了 OPC UA、LabVIEWTM、MATLAB?/Simulink? 等應用程序的使用。

從左至右：倍福的 Jack Plyler 和 Chuck Padvorac 與 MELD 的 Chase Cox 和 Fred Lalande

為了跟上公司的創(chuàng )新步伐，TwinCAT 提供的開(kāi)發(fā)工具可以助力維護整個(gè)設備的統一代碼庫。源代碼版本控制工具（如 Git）可以無(wú)縫集成到 TwinCAT 開(kāi)發(fā)和 TwinCAT 項目比較工具中?！坝辛诉@些工具，我們就可以更輕松地管理驗收測試?！盕red Lalande 說(shuō)道。