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美國(guó) Meld Manufacturing 公司開創(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(tǒng)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(shì)，采用新工藝的 3D 打印機(jī)可以打印出超大尺寸且強(qiáng)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(xiàn)系統(tǒng)的最佳控制。
在無需熔化的金屬 3D 打印中
簡(jiǎn)化了工程和面向未來的開發(fā)
這家位于弗吉尼亞州克里斯蒂安斯堡的公司在首席執(zhí)行官 Nanci Hardwick 帶領(lǐng)下，為國(guó)防、科研和制造領(lǐng)域的眾多客戶提供服務(wù)。據(jù) MELD 公司技術(shù)總監(jiān) Chase Cox 博士介紹，MELD 于 2018 年從其母公司 Aeroprobe 拆分出來，將攪拌摩擦焊的原理應(yīng)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 基于此原理開發(fā)出了一種實(shí)現(xiàn) 3D 打印多層沉積的增材制造工藝。此項(xiàng)獲得專利的工藝需要旋轉(zhuǎn)固體金屬棒材，同時(shí)在沉積點(diǎn)施加特定的壓力，通過摩擦使金屬塑性變形并沉積一層。通過絕熱加熱，即不與外界交換熱量，如果金屬棒以正確的速度連續(xù)快速旋轉(zhuǎn)，金屬原料就會(huì)保持持續(xù)流動(dòng)。
這一創(chuàng)新工藝讓設(shè)備終端用戶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(tǒng)帶來問題的其它金屬原料。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。因此打印出來的產(chǎn)品更堅(jiān)固，更不容易出現(xiàn)孔隙、熱裂紋等問題，此類問題是熔融沉積成型技術(shù)的增材制造工藝常見的問題。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(xù)開發(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(biāo)準(zhǔn)的 3D 打印機(jī)，可以打印各種尺寸的零件，從大約 3 英尺（90 厘米）長(zhǎng)、1 英尺（30 厘米）高到大約 13 英尺（4 米）長(zhǎng)、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(zhuǎn)沉積工具的主軸、電氣外殼和 HMI，設(shè)備制造商可以將其安裝在大型定制化系統(tǒng)中。實(shí)踐證明，開放、可擴(kuò)展的控制技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。
公司自 2018 年成立以來，其最初的控制平臺(tái)已經(jīng)無法滿足需求。首先，MELD 的高級(jí)自動(dòng)化工程師 Fred Lalande 不得不為其供應(yīng)商的平臺(tái)編寫一個(gè) G 代碼解釋器。此外，還需要一臺(tái)集成了單獨(dú)的軟件包的額外PC 運(yùn)行 HMI 和交換性能數(shù)據(jù)。最后，該平臺(tái)在連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備方面遇到了困難。Fred Lalande 努力讓該平臺(tái)與倍福的 EL70xx 系列步進(jìn)電機(jī)端子模塊進(jìn)行通信，于是他與倍福當(dāng)?shù)貓F(tuán)隊(duì)成員、區(qū)域銷售工程師 Chuck Padvorac 和應(yīng)用工程師 Jack Plyler 取得了聯(lián)系。當(dāng)他聽說了倍�；� PC 的完整的集成控制系統(tǒng)，Lalande 堅(jiān)信他已經(jīng)為 MELD 找到了理想的控制平臺(tái)。
CP2924 多點(diǎn)觸控控制面板（這里是豎屏）和 TwinCAT HMI 可以通過基于 Web 的編程實(shí)現(xiàn)舒適和直觀的操作界面
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 格式編寫了第一臺(tái)設(shè)備的代碼，他發(fā)現(xiàn)使用 TwinCAT 開發(fā)平臺(tái)時(shí)，可以在很短的時(shí)間內(nèi)輕松的轉(zhuǎn)換代碼。在此期間，他不僅使用 TwinCAT NCI 軟件包實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可以在 PLC 內(nèi)執(zhí)行 G 代碼文件的程序，而且還在 TwinCAT HMI 中設(shè)計(jì)了一個(gè)新的基于 HTML5 的操作界面。“以前，我必須使用兩到三個(gè)不同的軟件包，那是一種痛苦。”他說道�！坝辛� TwinCAT，我只需打開一個(gè)程序就能找到我所需的一切�！�
隨著解決方案的發(fā)展和時(shí)間的推移，代碼也變得越來越復(fù)雜。TwinCAT 中的代碼易于移植，因此在設(shè)計(jì)下一代設(shè)備時(shí)，程序調(diào)整起來也很容易。此外，增材制造領(lǐng)域的企業(yè)都非常重視知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，尤其是像這種獨(dú)特的獲得專利的工藝。TwinCAT 在這方面很有優(yōu)勢(shì)，倍福的 Chuck Padvorac 指出：“倍福軟件平臺(tái)讓 MELD 能夠使用我們的 OEM 證書功能鎖定其寶貴的代碼。一切都通過密碼加密保護(hù)，因此沒有人可以抄襲 MELD 的開發(fā)成果�！�
據(jù) Chase Cox 介紹，在這種 3D 打印工藝中，必須根據(jù)每種特定材料調(diào)整主軸速度，以保持連續(xù)打印所需的溫度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，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 公司無與倫比的工藝。
每臺(tái)設(shè)備都配置了一臺(tái)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(kuò)展件和更多功能選項(xiàng)的操作界面。
運(yùn)動(dòng)控制和功能安全
L3、K2 和 3PO 型號(hào)的 3D 打印機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制是通過倍福的伺服解決方案實(shí)現(xiàn)的。各種 AX5000 伺服驅(qū)動(dòng)器和 AM8000 伺服電機(jī)與配套減速機(jī)一起控制 X、Y 和 Z 坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)。EL72xx 系列伺服電機(jī)端子模塊為連續(xù)送料系統(tǒng)提供動(dòng)力，F(xiàn)red Lalande 解釋道：“送料系統(tǒng)允許操作人員一次性裝入 8 小時(shí)的材料。通過倍福的緊湊型運(yùn)動(dòng)控制解決方案，材料可以根據(jù)需要自動(dòng)移動(dòng)到轉(zhuǎn)塔車床上。”驅(qū)動(dòng)組件還配備了單電纜技術(shù)(OCT)，即將動(dòng)力和反饋系統(tǒng)集成在一根電纜中，以簡(jiǎn)化調(diào)試工作。
第三方變頻器和主軸電機(jī)控制每臺(tái)設(shè)備旋轉(zhuǎn)沉積工具的旋轉(zhuǎn)，Lalande 發(fā)現(xiàn)，由于變頻器基于 EtherCAT 技術(shù)，集成變得很簡(jiǎn)單。根據(jù) Lalande 的說法，EtherCAT 為同時(shí)使用倍福設(shè)備以及第三方設(shè)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 開發(fā)環(huán)境中通過編程實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的急停按鈕、安全門和 TwinSAFE 運(yùn)動(dòng)控制功能�！癟winSAFE 使用起來很簡(jiǎn)單。”Lalande 說道，“通過實(shí)施這一解決方案，我們將我們的設(shè)備的安全性能等級(jí)提升到了 PLe，即最高安全等級(jí)�！�
面向未來的 3D 打印技術(shù)
隨著 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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。EtherCAT 和單電纜技術(shù)縮短了調(diào)試時(shí)間，而 TwinCAT 整合了 HMI、運(yùn)動(dòng)控制、PLC 等設(shè)備控制功能。該自動(dòng)化平臺(tái)還簡(jiǎn)化了 OPC UA、LabVIEW™、MATLAB®/Simulink® 等應(yīng)用程序的使用。
為了跟上公司的創(chuàng)新步伐，TwinCAT 提供的開發(fā)工具可以助力維護(hù)整個(gè)設(shè)備的統(tǒng)一代碼庫(kù)。源代碼版本控制工具（如 Git）可以無縫集成到 TwinCAT 開發(fā)和 TwinCAT 項(xiàng)目比較工具中�！坝辛诉@些工具，我們就可以更輕松地管理驗(yàn)收測(cè)試�！盕red Lalande 說道。
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