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近年來，增材制造技術取得了快速發(fā)展。其中，金屬材料的 3D 打印就是這一技術發(fā)展的主要進展之一。為了加強這一趨勢，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)構的小型金屬產(chǎn)品的打印機和模塊的集成式生產(chǎn)線構成。

迄今為止，3D 打印過程僅限于小批量交付產(chǎn)品的獨立機器，如假體或非標機器零部件。“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)代消費者想要以一種實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，荷蘭應用科學研究院 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 以歐洲研究項目開始自己的生涯

歐盟公開贊同 Hyproline 機器的開發(fā)和建造，為 Hyproline 研究項目提供了總計 400 萬歐元的資金支持。埃因霍溫的 TNO“增材制造裝備”部是這一項目的重要合作伙伴之一。其他合作方包括伯明翰大學（英國）、工業(yè)復興與可持續(xù)發(fā)展研究所（Swerea，瑞典） 以及 CCM 公司（機電學概念中心，荷蘭）、 赫格納斯（瑞典）和 ITI TranscenData（英國）。高級項目經(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 項目上合作四年了，計劃于 2015 年完成此項目。Frits Feenstra 評論道：“對于 Hyproline，我們要解決兩個關鍵點：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 團隊站在 Hyproline 前：高級項目經(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，為托盤設置正確的高度，為下一個加工步驟做好準備。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行拋光。然后重復加工步驟，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：“我們的目標是實現(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構提供指令。“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。主要是因為倍福的系統(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。開放性和維 護對我們來說非常重要，因為我們希望繼續(xù)使用我們過去在新的生產(chǎn)線中開發(fā)出的機器控制系統(tǒng)。對于功能編程，我們使用的是 TwinCAT，而對于運動控制硬件，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 用于同步機器人和打印機的墨粉灌裝機構。”

Delta 機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)的機器安全通過使用倍福防護等級為 IP 20 和 IP 67 的 TwinSAFE I/O 模塊保證。“TwinSAFE 使得機器安全和機器控制通過相同的現(xiàn)場總線和相同的電纜進行通訊。”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 個直接安裝在機器上的 TwinSAFE IP 67 端子盒 EP1908 與機器控制系統(tǒng)直接通訊。

速度又達新高

“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)效率來說至關重要。”有鑒于此，TNO 開發(fā)團隊旨在將生產(chǎn)能力提高到約 10000 件/天。