Obrovská 3D tlačiareň ťaží z vysokovýkonného spracovania údajov

Colossus je začínajúci podnik v belgickom Limburgu, ktorého názov hovorí za všetko: spoločnosť vlastní jednu z najväčších prenosných 3D tlačiarní, v ktorej sa výrobky tlačia z plastu. Vyvinul ju tím Colossus v spolupráci s výrobcom strojov IMA z Houthalenu v Belgicku. Ovládacie prvky tlačiarne pochádzajú od spoločnosti Beckhoff a riadia nielen posuvné osi v stroji, ale aj teplotu extrudéra v tlačovej hlave.
Obrovská 3D tlačiareň ťaží z vysokovýkonného spracovania údajov

Spoločnosť Colossus plánuje s novou 3D tlačiarňou vyrábať veľké funkčné alebo ozdobné predmety, napríklad záhradný nábytok. Vstupným materiálom do tlačiarne sú recyklované plasty, čím vznikajú ďalšie špeciálne požiadavky. 3D tlačiareň je inštalovaná v kontajneri a prepravovaná na obchodné výstavy a festivaly ako „atrakcia“. Aby sa zabezpečilo, že návštevníci takýchto udalostí budú môcť zažiť a sledovať fascináciu 3D výroby v priamom prenose, výrobky sa musia vytvárať rýchlo – oveľa rýchlejšie, ako v súčasnosti umožňujú štandardné technológie. Stručne povedané, Colossus poveril výrobcu strojov IMA veľmi ambicióznym projektom.

Recyklované materiály sa spracúvajú pomocou procesu FGF (Fused Granular Fabrication), pri ktorom sa plastový granulát roztaví v extru­déri a konečný produkt sa vytvorí nanesením vrstvu po vrstve materiálu. V tejto aplikácii sa tlačová hlava extrudéra pohybuje priestorom pomocou špeciálneho lineárneho portálu.

Veľké 3D objekty vyžadujú veľké množstvo údajov

Údaje na riadenie pohonu pre lineárny portál sa určujú v dvoch krokoch: najprv sa vygeneruje G-kód z 3D modelu konečného produktu. Riadiaci systém kód spracuje a vypočíta pohyb tlačovej hlavy v priestore. Obidva tieto výpočtové postupy vyžadujú vysoký výkon procesora.

Tím IMA vrátane projektového technika Driesa Danielsa, staršieho technika automatizácie Chrisa Briersa a hardvérového technika Thomasa Voetsa vyvinul portál XYZ ako pohon pre 3D tlačiareň. Ozubené remene poháňajú obidve osi X aj Y, takže os Y nevyžaduje motor. Cieľom bolo dosiahnuť čo najnižšiu hmotnosť, pretože samotný extrudér váži 70 kg. Z toho dôvodu je však potrebný ďalší výpočet na prevod správnych súradníc X a Y na zodpovedajúce údaje pre pohon ozubených remeňov. Samotný portál XYZ je namontovaný na štyroch vretenách, z ktorých každé je vybavené vlastným pohonom. Týmto spôsobom môže byť tlačová rovina udržiavaná dokonale rovnobežne s rovinou osi X a Y.

Otvorená riadiaca platforma

Na riadenie tlačiarne bola vybratá otvorená platforma od spoločnosti Beckhoff, postavená na riadení pomocou priemyselného PC. „Od samého začiatku bolo jasné, že potrebujeme otvorený systém, aby mohli všetky komponenty navzájom komunikovať,“ hovorí Ch. Briers. Jednou zo súčastí je riadenie vyhrievacej zóny extrudéra. IMA na to používa softvér TwinCAT 3 Plastic Processing Framework. „Extrudér má šesť vyhrievacích zón s trojbodovým riadením. Každá zóna má vyhrievacie pásmo a ventilátor na chladenie. Na dosiahnutie stabilného procesu treba tieto zariadenia presne riadiť. Spustenie a zastavenie toku taveniny sa realizuje cez dýzu. Ide o ventil ovládaný pohonom, ktorý sa používa na reguláciu prietoku. Činnosť tohto ventilu predstavuje poruchovú veličinu pre regulátor teploty, ktorý ju musí kompenzovať.“ Extrudér pracuje s konštantným výkonom. To znamená, že pohyb tlačovej hlavy musí byť riadený vo vzťahu k tvaru konečného produktu. Používatelia musia byť schopní sami upraviť príslušné parametre.

Softvérové knižnice extrudéra a CNC zjednodušujú implementáciu

Riešenie vyvinuté spoločnosťou IMA je založené na ultra kompaktnom priemyselnom počítači C6030, na troch dvojitých akčných členoch a jednom samostatnom akčnom člene implementovanom prostredníctvom servopohonov AX5000. Vizualizačný program je napísaný v .NET, vďaka čomu možno vizualizáciu ľahko prispôsobiť podľa priania zákazníka.

Riadiaci softvér dokáže načítať a spracovať veľké množstvo údajov vo formáte G-kódu. TwinCAT CNC sa stará o interpoláciu a kinematickú transformáciu virtuálnej osi X a Y na os A a B portálu XYZ. Spracovanie G-kódu je typická funkcia CNC a podobne ako regulácia zahrievania extrudéra je k dispozícii ako knižnica zabudovaná do TwinCAT. S týmito knižnicami sa môže implementácia extrémne zložitých úloh obmedziť na parametrizáciu dostupných funkcií. Teplota extrudéra sa riadi pomocou TwinCAT 3 Plastic Processing Framework (TF8540). Parametre riadenia sa určujú automaticky (automatické ladenie). Pomocou optimalizovaného nastavenia parametrov možno dosiahnuť rýchle vyhrievanie s nízkym preregulovaním.

Na odčítanie teploty v jednotlivých zónach a na reguláciu vykurovacích a chladiacich prvkov bol extrudér vybavený I/O modulmi IP67 EtherCAT Box. TwinSAFE Terminal sa používa na monitorovanie tlaku v extrudéri, čím sa zaistí bezpečnosť prevádzky.
Na optimálne sprostredkovanie zaujímavých možností 3D tlače verejnosti sa ako dôležitý prvok používa operátorský panel. IMA si ako vizuálne príťažlivý hardvér vybral viacdotykový ovládací panel CP2912 s 12“ displejom.

Pôsobivá rýchlosť tlače

3D tlačiareň od spoločnosti Colossus je vo všetkých ohľadoch vynikajúcim zariadením a prináša ohromujúce výsledky. Jej kreatívny dizajn umožňuje čo najlepšie využitie dostupného priestoru vnútri prepravného a predvádzacieho kontajnera. V zariadení možno vyrobiť 3D tlačené diely s rozmermi až 2,72 x 1,25 x 1,5 m. Tlačiareň sa môže pochváliť aj pôsobivou výstupnou kapacitou až 15 kg za hodinu. Dostatočne vysoké rozlíšenie sa dá dosiahnuť s veľkosťou dýzy 2 až 8 mm. Vytlačené výrobky sú pripravené na okamžité použitie v závislosti od požadovanej povrchovej úpravy. Aby sa dosiahli rôzne povrchové vlastnosti, môžu sa použiť rôzne techniky dodatočného spracovania.

Colossus predstavil prvú tlačiareň dodanú v apríli 2018 na viacerých podujatiach a veľtrhoch. Účastníci týchto podujatí prejavili veľký záujem o 3D gigant a jeho nový spôsob recyklácie. Preto sa predpokladá, že v budúcnosti bude na výrobu rôznych výrobkov v priemyselnom meradle nasadený väčší počet týchto tlačiarní.

Riešenia pre plastikársky priemysel

  • Riadenie extrudéra pre mobilné 3D tlačiarne.

Prínosy pre zákazníka

  • Riadiaci systém spracúva veľké množstvo údajov.
  • Vďaka dodatočným výpočtom nie je pre os Y potrebný žiaden motor.

Riadenie na báze PC

  • Vďaka otvorenosti systému ponúka riadenie pomocou PC všetky možnosti na komunikáciu medzi najrôznejšími komponentmi stroja.
  • Veľmi kompaktný priemyselný počítač C6030 umožňuje spracovanie veľkého množstva údajov.
  • TwinCAT 3 Plastic Processing Framework(TF8540) ponúka všetky funkcie potrebné na riadenie extrudéra.
  • TwinCAT CNC sa stará o interpoláciu a kinematickú transformáciu virtuálnej osi X a Y na osi A a B portálu XYZ.
  • Servopohony AX5000 zabezpečujú dynamické a presné pohyby tlačovej hlavy.

Ďalšie informácie sú dostupné na uvedených adresách:
www.madeinlimburg.be/bedrijven/colossus
www.machinebouw.be
www.beckhoff.com/plastics

Thomas Kosthorst
obchodný riaditeľ
Stroje na spracovanie plastov/hydraulické aplikácie
Beckhoff Automation
www.beckhoff.cz