Servomotoren en robots transformeren additieve toepassingen. Ontdek de nieuwste tips en toepassingen bij de implementatie van robotautomatisering en geavanceerde bewegingsbesturing voor additieve en subtractieve productie, en wat de toekomst brengt: denk aan hybride additieve/subtractieve methoden.
AUTOMATISERING VOORUITGAAN
Door Sarah Mellish en RoseMary Burns
De toepassing van energieomzetters, bewegingsregeltechnologie, extreem flexibele robots en een eclectische mix van andere geavanceerde technologieën zijn drijvende krachten achter de snelle groei van nieuwe productieprocessen in het industriële landschap. Additieve en subtractieve productie, die een revolutie teweegbrengen in de manier waarop prototypes, onderdelen en producten worden gemaakt, zijn twee belangrijke voorbeelden van processen die fabrikanten de efficiëntie en kostenbesparingen bieden die ze nastreven om concurrerend te blijven.
Additieve productie (AM), ook wel 3D-printen genoemd, is een niet-traditionele methode die doorgaans digitale ontwerpgegevens gebruikt om solide driedimensionale objecten te creëren door materialen laag voor laag van onder naar boven te versmelten. AM, dat vaak near-net-shape (NNS)-onderdelen zonder afval produceert, wordt nog steeds gebruikt in zowel eenvoudige als complexe productontwerpen in sectoren zoals de auto-industrie, de lucht- en ruimtevaart, de energiesector, de medische sector, de transportsector en de consumentengoederensector. Het subtractieve proces daarentegen houdt in dat delen uit een blok materiaal worden verwijderd door middel van zeer nauwkeurig snijden of bewerken om een 3D-product te creëren.
Ondanks belangrijke verschillen sluiten additieve en subtractieve processen elkaar niet altijd uit, omdat ze kunnen worden gebruikt om verschillende stadia van productontwikkeling aan te vullen. Een vroeg conceptmodel of prototype wordt vaak gecreëerd door het additieve proces. Zodra dat product is afgerond, kunnen grotere series nodig zijn, wat de weg vrijmaakt voor subtractieve productie. Meer recentelijk, waar tijd van essentieel belang is, worden hybride additieve/subtractieve methoden toegepast voor zaken als het repareren van beschadigde/versleten onderdelen of het creëren van kwaliteitsonderdelen met een kortere doorlooptijd.
AUTOMATISEER VOORUIT
Om aan de strenge eisen van klanten te voldoen, integreren fabrikanten diverse draadmaterialen zoals roestvrij staal, nikkel, kobalt, chroom, titanium, aluminium en andere ongelijksoortige metalen in hun onderdelenconstructie. Ze beginnen met een zacht maar sterk substraat en eindigen met een harde, slijtvaste component. Dit heeft deels de behoefte aan hoogwaardige oplossingen voor een hogere productiviteit en kwaliteit in zowel additieve als subtractieve productieomgevingen aan het licht gebracht, met name waar het processen zoals Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), WAAM-subtractieve productie, lasercladding-subtractieve productie of decoratie betreft. Enkele hoogtepunten zijn:
- Geavanceerde servotechnologie:Om beter te voldoen aan time-to-market-doelen en klantspecificaties op het gebied van maatnauwkeurigheid en afwerkingskwaliteit, kiezen eindgebruikers voor geavanceerde 3D-printers met servosystemen (in plaats van stappenmotoren) voor optimale bewegingsregeling. De voordelen van servomotoren, zoals Yaskawa's Sigma-7, zetten het additieve proces op zijn kop en helpen fabrikanten om veelvoorkomende problemen te overwinnen dankzij de mogelijkheden om de printer te versterken:
- Trillingsonderdrukking: robuuste servomotoren beschikken over trillingsonderdrukkingsfilters, antiresonantie- en kerffilters, die zorgen voor extreem vloeiende bewegingen. De visueel onaangename trapsgewijze lijnen die worden veroorzaakt door de koppelrimpeling van stappenmotoren kunnen hiermee worden geëlimineerd.
- Snelheidsverbetering: een printsnelheid van 350 mm/s is nu realiteit, meer dan een verdubbeling van de gemiddelde printsnelheid van een 3D-printer met een stappenmotor. Evenzo kan een printsnelheid tot 1500 mm/s worden bereikt met roterende technologie of tot 5 meter/s met lineaire servotechnologie. De extreem snelle acceleratie die wordt geboden door hoogwaardige servo's, zorgt ervoor dat 3D-printkoppen sneller in de juiste positie worden gebracht. Dit draagt aanzienlijk bij aan het verminderen van de noodzaak om een heel systeem te vertragen om de gewenste afwerkingskwaliteit te bereiken. Deze upgrade in motion control betekent bovendien dat eindgebruikers meer onderdelen per uur kunnen produceren zonder in te leveren op kwaliteit.
- Automatische afstemming: servosystemen kunnen zelfstandig hun eigen afstemming uitvoeren, waardoor ze zich kunnen aanpassen aan veranderingen in de mechanica van een printer of variaties in een printproces. 3D-stappenmotoren maken geen gebruik van positiefeedback, waardoor het vrijwel onmogelijk is om veranderingen in processen of mechanische afwijkingen te compenseren.
- Encoderfeedback: robuuste servosystemen die absolute encoderfeedback bieden, hoeven slechts één keer een homingroutine uit te voeren, wat resulteert in een hogere uptime en kostenbesparingen. 3D-printers die gebruikmaken van stappenmotortechnologie missen deze functie en moeten elke keer dat ze worden ingeschakeld, een homingroutine uitvoeren.
- Feedbackdetectie: een extruder van een 3D-printer kan vaak een knelpunt vormen in het printproces, en een stappenmotor beschikt niet over de feedbackdetectie om een extruderstoring te detecteren – een tekortkoming die kan leiden tot de verpesting van een hele printopdracht. Met dit in gedachten kunnen servosystemen extruderstoringen detecteren en filamentstripping voorkomen. De sleutel tot superieure printprestaties is een closed-loop systeem met een optische encoder met hoge resolutie. Servomotoren met een 24-bits absolute encoder met hoge resolutie kunnen een closed-loop feedbackresolutie van 16.777.216 bits leveren voor een hogere nauwkeurigheid van de assen en extruder, evenals synchronisatie en bescherming tegen storingen.
- Hoogwaardige robots:Net zoals robuuste servomotoren additieve toepassingen transformeren, geldt dat ook voor robots. Hun uitstekende padprestaties, stijve mechanische structuur en hoge stofbeschermingsklasse (IP) – gecombineerd met geavanceerde trillingsdemping en meerassige mogelijkheden – maken zeer flexibele zesassige robots een ideale optie voor de veeleisende processen rondom het gebruik van 3D-printers, evenals voor belangrijke handelingen in de subtractieve productie en hybride additieve/subtractieve methoden.
Robotautomatisering, een aanvulling op 3D-printmachines, omvat veelal de verwerking van geprinte onderdelen in installaties met meerdere machines. Van het lossen van individuele onderdelen uit de printmachine tot het scheiden van onderdelen na een printcyclus met meerdere onderdelen, zeer flexibele en efficiënte robots optimaliseren de processen voor een hogere doorvoer en productiviteitswinst.
Bij traditioneel 3D-printen zijn robots behulpzaam bij het poederbeheer, het bijvullen van printerpoeder indien nodig en het verwijderen van poeder uit afgewerkte onderdelen. Andere afwerkingstaken die populair zijn in de metaalbewerking, zoals slijpen, polijsten, ontbramen of snijden, zijn eveneens eenvoudig uit te voeren. Kwaliteitscontrole, verpakking en logistieke behoeften worden ook direct met robottechnologie aangepakt, waardoor fabrikanten zich kunnen richten op werk met een hogere toegevoegde waarde, zoals maatwerk.
Voor grotere werkstukken worden industriële robots met een lange reikwijdte ingezet om de extrusiekop van een 3D-printer direct te verplaatsen. Dit, in combinatie met randapparatuur zoals roterende bases, positioneerders, lineaire rails, portaalkranen en meer, biedt de werkruimte die nodig is om ruimtelijke, vrijgevormde structuren te creëren. Naast klassieke rapid prototyping worden robots ook gebruikt voor de fabricage van grote volumes vrijgevormde onderdelen, matrijsvormen, 3D-vormige vakwerkconstructies en hybride onderdelen van groot formaat. - Meerassige machinebesturingen:Innovatieve technologie voor het verbinden van maximaal 62 bewegingsassen in één omgeving maakt nu multisynchronisatie van een breed scala aan industriële robots, servosystemen en frequentieregelaars mogelijk, die worden gebruikt in additieve, subtractieve en hybride processen. Een complete familie van apparaten kan nu naadloos samenwerken onder volledige controle en bewaking van een PLC (Programmable Logic Controller) of IEC-machinecontroller, zoals de MP3300iec. Professionele platforms zoals deze, vaak geprogrammeerd met een dynamisch 61131 IEC-softwarepakket, zoals MotionWorks IEC, maken gebruik van bekende tools (zoals RepRap G-codes, functieblokdiagrammen, gestructureerde tekst, ladderdiagrammen, enz.). Om eenvoudige integratie te vergemakkelijken en de uptime van de machine te optimaliseren, zijn kant-en-klare tools zoals bednivelleringscompensatie, extruderdrukverloopregeling, meervoudige spindel- en extruderbesturing opgenomen.
- Geavanceerde gebruikersinterfaces voor productie:Zeer nuttig voor toepassingen in 3D-printen, vormsnijden, gereedschapsmachines en robotica, zijn diverse softwarepakketten die snel een eenvoudig aan te passen grafische machine-interface kunnen leveren, wat de weg vrijmaakt voor meer veelzijdigheid. Intuïtieve platformen zoals Yaskawa Compass, ontworpen met creativiteit en optimalisatie in gedachten, stellen fabrikanten in staat om schermen te voorzien van hun merk en deze eenvoudig aan te passen. Van het toevoegen van kernkenmerken van de machine tot het inspelen op de behoeften van klanten, er is weinig programmering vereist – deze tools bieden een uitgebreide bibliotheek met voorgebouwde C#-plug-ins of maken het importeren van aangepaste plug-ins mogelijk.
STIJG BOVEN
Hoewel de enkelvoudige additieve en subtractieve processen populair blijven, zal de komende jaren een grotere verschuiving naar de hybride additieve/subtractieve methode plaatsvinden. Verwacht wordt dat de samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) tegen 2027 14,8 procent zal bedragen.1De markt voor hybride additieve productiemachines is klaar om te voldoen aan de toenemende vraag van klanten. Om de concurrentie voor te blijven, moeten fabrikanten de voor- en nadelen van de hybride methode voor hun bedrijfsvoering afwegen. Met de mogelijkheid om onderdelen naar behoefte te produceren en de CO2-voetafdruk aanzienlijk te verkleinen, biedt het hybride additieve/subtractieve proces een aantal aantrekkelijke voordelen. Desondanks mogen de geavanceerde technologieën voor deze processen niet over het hoofd worden gezien en moeten ze op de werkvloer worden geïmplementeerd om de productiviteit en productkwaliteit te verhogen.
Plaatsingstijd: 13-08-2021
