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近年來，增材制造技術(shù)取得了快速發(fā)展。其中，金屬材料的 3D 打印就是這一技術(shù)發(fā)展的主要進(jìn)展之一。為了加強(qiáng)這一趨勢，荷蘭埃因霍溫的 TNO 增材制造部門正在開發(fā)一款名為“Hyproline”的“針對小金屬零件的高性能生產(chǎn)線”，控制采用了Beckhoff的硬件和TwinCAT3軟件，該生產(chǎn)線由一條包含用于加工各種外形結(jié)構(gòu)的小型金屬產(chǎn)品的打印機(jī)和模塊的集成式生產(chǎn)線構(gòu)成。

迄今為止，3D 打印過程僅限于小批量交付產(chǎn)品的獨(dú)立機(jī)器，如假體或非標(biāo)機(jī)器零部件。“單件流”生產(chǎn)能力是 3D 打印的巨大好處之一，并在有關(guān)智慧產(chǎn)業(yè)或工業(yè) 4.0 的討論中經(jīng)常提及。

若要滿足大規(guī)模定制生產(chǎn)的需求，即現(xiàn)代消費(fèi)者想要以一種實(shí)惠的價格購買一個單一的產(chǎn)品，需要將各種各樣的產(chǎn)品與高生產(chǎn)數(shù)字結(jié)合起來。為此，荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究院 TNO 開發(fā)了“Hyproline”。這款高速生產(chǎn)線使得 3D 打印成為整個工藝過程不可或缺的部分，因此可以提升產(chǎn)量，同時增加產(chǎn)品種類，提高產(chǎn)品質(zhì)量。基于 PrintValley 理念的“混合制造”能夠高速地將 100 種不同產(chǎn)品型號的 3D 打印和精密加工結(jié)合在一起。

Hyproline 以歐洲研究項(xiàng)目開始自己的生涯

歐盟公開贊同 Hyproline 機(jī)器的開發(fā)和建造，為 Hyproline 研究項(xiàng)目提供了總計(jì) 400 萬歐元的資金支持。埃因霍溫的 TNO“增材制造裝備”部是這一項(xiàng)目的重要合作伙伴之一。其他合作方包括伯明翰大學(xué)（英國）、工業(yè)復(fù)興與可持續(xù)發(fā)展研究所（Swerea，瑞典） 以及 CCM 公司（機(jī)電學(xué)概念中心，荷蘭）、 赫格納斯（瑞典）和 ITI TranscenData（英國）。高級項(xiàng)目經(jīng)理 Frits Feenstra、研發(fā)工程師 Frits Verhoeven 與 TNO 控制和自動化開發(fā)員 Herbert Fiedler 已經(jīng)在 Hyproline 項(xiàng)目上合作四年了，計(jì)劃于 2015 年完成此項(xiàng)目。Frits Feenstra 評論道：“對于 Hyproline，我們要解決兩個關(guān)鍵點(diǎn)：首先，我們要大大加快成套的、個性化的金屬產(chǎn)品的生產(chǎn)速度，其次，我們想要將 3D 打印并入一套完整的生產(chǎn)線中。”雖然 Hyproline 平臺自身還不能生產(chǎn)金屬產(chǎn)品，但加工 100 多件不同金屬的過程已經(jīng)是邁向高速、高品質(zhì)生產(chǎn) 3D 打印部件的重要一步。

TNO 團(tuán)隊(duì)站在 Hyproline 前：高級項(xiàng)目經(jīng)理 Frits Feenstra、研發(fā)工程師 Frits Verhoeven 與控制和自動化開發(fā)員 Herbert Fiedler（從左至右）

連續(xù)式輸送機(jī)解決方案

“我們必須要對 3D 打印總是在大批量生產(chǎn)中才能用到的想法說再見了。” Frits Feenstra 解釋道。“目前，我們?nèi)匀灰鸩酵瓿蛇@些工作，就像 3D 打印慣常的那樣。但我們的目標(biāo)是同時產(chǎn)生幾個，也許是完全不同的產(chǎn)品，為此，我們開發(fā)了 Hyproline。”與一輛玩具火車一直轉(zhuǎn)圈驚人地相似的是，Hyproline 實(shí)施了一個總長為 8 米的環(huán)形輸送帶系統(tǒng)，上面安裝了 100 個托架/托盤。輸送帶的速度最快可以達(dá)到 2 米/秒，經(jīng)過各個處理工位。各個加工步驟由安裝在皮帶上的模塊執(zhí)行。安裝的模塊包括高度測量（托盤和打印層）、金屬部件的 3D 掃描、激光加工（磨削、研磨和拋光）、打印本身，以及作為最后一個步驟的閃固。在每一次旋轉(zhuǎn)中，為托盤設(shè)置正確的高度，為下一個加工步驟做好準(zhǔn)備。由于皮帶的長度夠長，我們可以在皮帶上安裝大量的打印機(jī)和其它模塊。所提供的部件是通過打印金屬粉末（鈦、316L 不銹鋼或銅）制成的，隨后進(jìn)行燒結(jié)。”Frits Verhoeven 說道。3D 掃描儀測定所用金屬的粗糙度。如果表面過于粗糙，就用激光束對表面進(jìn)行拋光。然后重復(fù)加工步驟，直到產(chǎn)品完成并可以從皮帶上移除。

可升降輸送帶用于快速調(diào)整托盤高度

TNO 值控制系統(tǒng)開放性

一臺集成式 Delta 機(jī)器人從皮帶上“即時”拾取裝滿成品的托盤。Herbert Fiedler 指出：“我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn) 2 米/秒的最高速度，盡管目前的 1.3 米/秒的速度已經(jīng)是一個了不起的成就。”一臺倍福的 CX2020 嵌入式控制器控制機(jī)器人，另外兩臺倍福的控制器為輸送帶和打印頭的清洗及墨粉灌裝機(jī)構(gòu)提供指令。“TwinCAT 3 用作集成式自動化軟件。”控制系統(tǒng)開發(fā)人員說道。“我們使用倍福的硬件和軟件解決方案已經(jīng)有 5 年了。主要是因?yàn)楸陡５南到y(tǒng)具有良好的開放性，讓我們能夠自由選擇控制器和協(xié)議。同時，與我們過去使用的控制系統(tǒng)相比，倍福的系統(tǒng)更易于維護(hù)。開放性和維 護(hù)對我們來說非常重要，因?yàn)槲覀兿Ｍ^續(xù)使用我們過去在新的生產(chǎn)線中開發(fā)出的機(jī)器控制系統(tǒng)。對于功能編程，我們使用的是 TwinCAT，而對于運(yùn)動控制硬件，我們使用的是倍福的 AX5000 系列伺服驅(qū)動器。EtherCAT 橋接端子模塊 EL6692 用于同步機(jī)器人和打印機(jī)的墨粉灌裝機(jī)構(gòu)。”

Delta 機(jī)器人從皮帶即時拾取每個成品 — 速度最高為 2 米/秒

集成安全

Hyproline 系統(tǒng)的機(jī)器安全通過使用倍福防護(hù)等級為 IP 20 和 IP 67 的 TwinSAFE I/O 模塊保證。“TwinSAFE 使得機(jī)器安全和機(jī)器控制通過相同的現(xiàn)場總線和相同的電纜進(jìn)行通訊。”Herbert Fiedler 闡述道。“這樣就無需使用外部接線。”AX5000 系列伺服驅(qū)動器的安全功能通過 AX5805 安全選項(xiàng)卡集成。兩臺 CX2020 嵌入式控制器與用于控制這些安全功能的 TwinSAFE 邏輯端子模塊 EL6900 直接連接。用于監(jiān)控屏幕和緊急停止按鈕的傳感器通過 8 個直接安裝在機(jī)器上的 TwinSAFE IP 67 端子盒 EP1908 與機(jī)器控制系統(tǒng)直接通訊。

速度又達(dá)新高

“現(xiàn)在，Hyproline 能夠同時打印和處理 100 個形狀完全不同的產(chǎn)品。”高級項(xiàng)目經(jīng)理 Frits Feenstra 說道。“Hyproline 的速度對于提高其生產(chǎn)效率來說至關(guān)重要。”有鑒于此，TNO 開發(fā)團(tuán)隊(duì)旨在將生產(chǎn)能力提高到約 10000 件/天。