Az ATMAT lengyel gépépítő vállalat most a Beckhoff vezérlés- és hajtástechnikájával jelentős mértékben kitolta a lehetőségek határait. Mintegy tíz évvel ezelőttig a 3D nyomtatást főként a gyors prototípusgyártásban használták, napjainkra azonban ez az eljárás egyre inkább bevonult a sorozatgyártásba is. A krakkói székhelyű ATMAT gépépítő vállalat korán felismerte a 3D nyomtatásban rejlő nagy lehetőségeket, és a hagyományos gépészet mellett második fő tevékenységként ipari 3D nyomtatók gyártására szakosodott.

Tömeggyártásra alkalmas jelenlegi Saturn és Jupiter nyomtatóival a vállalat megnövelte a munkaterület méretét, a pontosság, nyomtatási sebesség és könnyű kezelhetőség kompromisszumok nélküli megtartása mellett. A fejlesztők mindezt PC-alapú vezérléssel érték el, amelyet a Beckhoff TwinCAT 3 automatizálási szoftverével, Economy-sorozatú CP6700 típusú, beépített panel PC-jével, valamint EtherCAT be/ki meneti termináljaival és szervohajtás-technológiájával valósították meg.

A nagy méretű 3D nyomtatóknak számos érdekes felhasználási területe van, többek között a járműipari és a légi közlekedési ágazat. Az egyik kivételes projekt például a Caudrin CR.714 típusú francia muzeális repülő restaurálása, amely a II. világháború előttről maradt meg. Nemcsak a törzs sérült meg a háború alatt, hanem a gépből hiányoztak a légcsavarlapátok, a légcsavartengely, a légcsavarfedél és a motorház is.

Ez azt jelentette, hogy hagyományos módszerekkel a gép helyreállítása igen sok pénzbe és időbe került volna, ezért az a döntés született, hogy ezeket az alkatrészeket 3D nyomtatással fogják legyártani az ATMAT támogatásával. „A legfontosabb szempont és egyúttal legnagyobb kihívás az volt, hogy a törzs alakját és valós méreteit a lehető legpontosabban reprodukáljuk – fejtette ki Robert Grolik, az ATMAT automatizálási területének vezetője. – Tekintve, hogy múzeumi kiállítási tárgyról van szó, a nyomtatott alkatrészek rögzítését úgy kellett megoldanunk, hogy beszereléskor ne sérüljenek meg az eredeti elemek.”

Akár 1,2 m³ méretű precíziós alkatrészek pontos nyomtatása

Ilyen jellegű restauráláshoz olyan 3D nyomtatók szükségesek, amelyek munkaterülete elegendően nagy a kiterjedt és gyakran bonyolult geometriájú repülőgép-alkatrészek legyártásához. Minden alkatrészt műanyag szálas (FFM) vagy ráolvasztásos (FDM) technológiával nyomtattunk. Ennél a folyamatnál egy műanyag szálat extruderben megolvasztanak, az olvadékot a nyomtatófejbe juttatják, és a munkaasztalon pontosan, rétegenként viszik fel, amíg el nem készül az alkatrész. Ennek során a Z tengely a munkaasztal, az X és Y tengely szerepét pedig vezérműszíjjal hajtott portáltengelyek töltik be.

A repülőgép alkatrészeinek rekonstruálásához a Saturn típusú 3D nyomtatót használták. Az 1 200 × 1 000 × 1 000 mm munkaterű Saturn a Jupiter után a második legnagyobb formátumú ATMAT gyártmányú 3D nyomtató. „Kezdettől fogva az egyedi megrendelésekre és ezzel párhuzamosan a 3D nyomtatókra összpontosítottunk. Csak a kompakt 3D nyomtató gyártása terén szerzett szakértelmünkre alapozva voltunk egyáltalán képesek olyan hatékony, nagy méretű 3D nyomtatási technológia kifejlesztésére, amilyet a Jupiter és a Saturn modellnél alkalmaztunk” – nyilatkozta Robert Grolik.

A Jupiter és a Saturn nem csak működő prototípusok létrehozására alkalmazható kiválóan. Kialakításuknál fogva közvetlenül beépíthetők gyártósorokba, így lehetővé teszik egyedi 3D alkatrészek optimalizált tömeggyártását. „Ezt szívesen használják nemzetközi nagyvállalatok, különösen a járműiparban” – fejtette ki Grolik. Ennek oka, hogy egyre fontosabbá válik a járművek személyre szabott kialakítása és számos felszereltségi kiegészítő elem biztosítása. „Ezeket a személyre szabott felszereltségi opciókat additív elvű technológiával gyorsan, egyszerűen és kismértékű többletköltségek mellett lehet legyártani.” Nemcsak egyszerű alkatrészeket, például felnikupakokat vagy kormánykerékelemeket lehet nyomtatni, hanem ma már nagyobb és egészen bonyolult szerkezeti elemeket, például műszerfalakat és világítótesteket is.

A járműgyártók komoly lehetőségként kezelik teljes autók 3D nyomtatással történő gyártását is – nem pusztán limitált járműsorozatoknál, hanem működő prototípusoknál is egy új modell valódi megjelenésének 1:1 méretarányú bemutatására, még a tömeggyártás megkezdése előtt. Ez a tendencia nemcsak a járműiparra jellemző. „Ezt látjuk tükröződni abban is, hogy egyre több a szokatlan megrendelés és a kis darabszámú terméksorozat” – fejtette ki Grolik. Ennek oka, hogy a 3D nyomtatással nem csupán az innovatív megoldások gyártás előtti vizsgálata válik lehetővé, hanem egyszerűsíthető a kis darabszámú gyártás megszervezése is. Nem kell többé alkatrészeket előre megrendelni és raktározni, 3D nyomtatással a követelményeknek megfelelően elkészíthetők a részegységek.

A Saturn nagy méretű nyomtató kiválóan példázza a fent említett előnyöket. A kifejezetten igényes (azaz rendkívüli pontosságot megkövetelő) alkalmazásokhoz kifejlesztett gép masszív gránit munkaasztalán a két nyomtatóművet (egy fő és egy segédfejet) tartalmazó portáltengely végzi a nagy sebességű nyomtatást. A fő fej két, egyenként egy vagy két nyomtatófúvókát tartalmazó extruderből áll. Ezzel bonyolult geometriáknál is jelentősen gyorsítható a nyomtatás, magyarázta Grolik. A munkaterületen a megfelelő hőmérsékletet a masszív asztalba épített négyzónás fűtőrendszer biztosítja, amelynek független hőmérséklet-szabályozói nemcsak az energiafogyasztást csökkentik, hanem lehetővé teszik az előírt munkahőmérséklet gyorsabb elérését is. Az állandó hőmérséklet fenntartása érdekében az óriási nyomtatási terület egy szigetelt fűtőkamrába van beszerelve.

Kompakt hajtástechnológia pontos mozgásvezérléshez

Az ATMAT nagy méretű nyomtatói a Beckhoff AM8121 típusú szervomotorjait tartalmazzák. Ennek és a masszív konstrukciónak köszönhetően az X és az Y tengelyen 50 µm-es, a Z tengelyen 10 µm-es pozicionálási pontosság érhető el. Az ATMAT a Jupiter sorozatnál folytatott korábbi együttműködés pozitív tapasztalatai alapján döntött a Beckhoff hajtáselemei mellett. „Az AM8121 típusú szervomotorok egyik előnye, hogy EL72xx-sorozatú szervomotor-terminálokról vezérelhetők – részletezte Krzysztof Pulut, a Beckhoff területi értékesítési vezetője. – A normál EtherCAT terminálok kompakt méretei következtében a szokványos szervohajtásokhoz képest jóval kevesebb helyre van szükség a vezérlőszekrényben.”

Ezenfelül az OCT (egykábeles technológia) révén jelentősen egyszerűbbé válik a nyomtató kábelezése, mivel a tápellátás és a visszacsatoló jelek továbbítása egyetlen vezetéken történik. „Az OCT segítségével egyúttal csökkenthető a kábelezési hibák kockázata is, és a gépépítőnek is kevesebb rendszerelemet kell raktáron tartania” – tette hozzá Krzysztof Pulut. A Z tengely menti mozgatást egy EL7031 típusú EtherCAT terminálról vezérelt léptetőmotor végzi.

A Beckhoff szállította az összes be/ki meneti modult és a biztonsági technológia elemeit is. A biztonsági követelményeknek való megfelelést EL6900, EL1904 és EL2904 típusú TwinSAFE terminálok teszik lehetővé. A speciális érzékelőket – amelyek többek között az extruderfejek, az asztal és a fűtőkamra hőmérsékletét figyelik – megfelelő EtherCAT terminálokon keresztül csatlakoztatták a rendszerhez. „A hőszabályozás döntő fontosságú az FDM-technológiájú nyomtatók olvadékrétegezésénél, mert ezzel biztosítható a nyomtatott alkatrész megfelelő minősége” – mutatott rá Robert Grolik, hangsúlyozva a terminálok fontosságát a nyomtatási folyamatban. A jó nyomtatási eredmények eléréséhez szükség volt egy további érdekes megoldásra is, aminek ötlete az ATMAT automatizálási szakértőitől származott: lézeres érzékelővel mérik a nyomtatófej és az asztal közötti távolságot, ami tovább javítja a nyomtatás minőségét, különösen az első anyagrétegeknél.

Intuitív kezelés TwinCAT HMI kezelőfelülettel

A 3D nyomtató automatizálásának és vezérlésének hátterét a TwinCAT 3 szoftvercsomag és az Economy-sorozatú CP6700 típusú beépített panel PC adja. „A kétmagos Intel Atom® processzor és a 4 GB RAM teljesen elegendő még a mi bonyolult 3D nyomtatási megrendeléseinknél is” – hangsúlyozta Robert Grolik. A rendszer rendelkezésre állását egy külső adathordozóként használt 30 GB-os flashmemória és egy Beckhoff által gyártott 1 s áthidalási idejű szünetmentes tápegység biztosítja. A vezérlőeszközök kiválasztásánál elsődleges szempont volt, hogy esetenként zord gyártási körülményeket kell elviselni, valamint fontos tényező volt a beépített TwinCAT HMI megjelenítő szoftver is. „Az utóbbi sokféle elrendezést, gyors válaszidőket és távoli hozzáférést is lehetővé tesz, továbbá támogatja a QR-kódok leolvasását” – tette hozzá Robert Grolik.

„Ami meggyőző volt a Beckhoff vállalattal való együttműködés tekintetében, az az innováció iránti nyitottságuk. A Beckhoff folyamatosan olyan megoldásokat fejleszt és valósít meg, amelyek más gyártóknál ritkán találhatók meg. A mi szempontunkból a legfontosabb az OCT-technológia, a kezelőfelület korszerű fejlesztőkörnyezete és a Windows 10 rendszert futtató panel PC volt, amely megkönnyítette 3D nyomtatóink magasabb szintű rendszerekbe történő beépítését” – összegezte Robert Grolik.