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Komplexe Modelle einfach drucken

VX4000_printing

Mit den 3D-Drucksystemen von voxeljet lassen sich in nur wenigen Stunden komplexe Formen und Modelle für den Metallguss, aber auch maßgeschneiderte Film- und Designmodelle realisieren. Anwender schätzen neben der Präzision und bislang ungekannten Gestaltungsmöglichkeiten die wertvolle Zeitersparnis bei der Produktion von Kleinserien, Prototypen und Modellen. Eine anpassungsfähige, durchgängige Automatisierungs- und Steuerungslösung auf Grundlage leistungsfähiger B&R-Technik sorgt dafür, dass die Anlagen auch größere Druckaufträge zuverlässig, präzise und detailgetreu durchführen.

„Neben unseren Hauptkunden aus der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, des Maschinenbaus, Schiffsbaus und der Schwerindustrie entdecken auch neue Anwenderkreise vermehrt das Potenzial des 3D-Drucks, wenn es darum geht, Prototypen, Kleinserien oder Modelle schnell und ohne spezielle Werkzeuge zu erzeugen“, sagt Björn Matthes, der bei voxeljet die Elektroplanung zuständig ist. „Wir haben daher in den letzten Jahren nicht nur unsere Druckdienstleistungen massiv ausgebaut, sondern parallel ein vollständiges Gerätespektrum für die unterschiedlichsten Werkstückgrößen entwickelt.“

Voxeljet_3Dprint

Auf 3D-Druckern der voxeljet AG produzierte Kunstwerk. Mit den Anlagen lassen sich Werkstücke mit fast beliebiger Komplexität (inklusive Hinterschnitte) aus den unterschiedlichsten Partikelmaterialien – wie Formsand oder Kunststoff – herstellen. (Quelle: voxeljet AG)

Größtes 3D-Drucksystem der Welt

Das von voxeljet genutzte Druckprinzip ähnelt dem bei konventionellen Tintenstrahldruckern eingesetzten Verfahren. Statt Tinte versprüht der von voxeljet entwickelte Druckkopf allerdings flüssigen Binder. Dieser wird auf eine dünne Schicht eines Partikelmaterials selektiv nur an den Stellen aufgetragen, an denen das spätere Bauteil entstehen soll. Auf diese Weise lassen sich mit der VX4000, dem laut voxeljet größten industriellen 3D-Drucksystem der Welt, Schicht für Schicht Formen aus Sand auf einer Bauplattform mit den Maßen bis zu 4.000 x 2.000 x 1.000 mm (LxBxH) erzeugen.

Die 2009 von voxeljet erstmals produzierte VX4000 druckt eine Schicht in nur 75 Sekunden – bei einer Auflösung von 300 dpi und einer Schichtdicke von 300 µm. Ihr großer Bauraum erlaubt es, einzelne besonders große oder mehrere kleinere Werkstücke parallel, ohne Umwege und mit hoher Präzision detailgetreu direkt aus den CAD-Daten zu produzieren.

Dazu wird das 3D-CAD-Modell des Werkstücks über die Software in einem virtuellen Bauraum platziert und in die Druckschichten zerlegt. Die Aufbereitung der großen Datenmengen übernimmt bei allen voxeljet-Anlagen ein industrietauglicher PC mit einer SSD als Systemplatte und einer zusätzlichen Festplatte für die Daten mit mindestens 1 TB Speicherplatz.

Lückenloses Produktportfolio überzeugt

„Bis zur Einführung der VX4000 war der PC bei allen bis dahin von uns gebauten 3D-Druckern über eine CAN-Busanschaltung auch für die Steuerung der kompletten Anlage verantwortlich“, sagt Matthes. Für die VX4000 sollte aber eine zusätzliche Abstraktionsebene eingezogen werden, um die Steuerungsarchitektur weiter zu vereinfachen und den PC zu entlasten. Zudem musste das Antriebskonzept der beiden Portalsysteme, an dem der Druckkopf beziehungsweise die Partikelausbringungseinheit (Recoater) montiert ist, zu einem Gantry-System ausgebaut werden.

„Sind an einem Antriebsverbund unterschiedliche Lieferanten beteiligt, kann es bei Problemen zu Reibungsverlusten durch unklare Zuständigkeiten kommen, wie wir in der Vergangenheit lernen mussten“, erklärt Matthes. „Deshalb haben wir gleich nach einem Automatisierungspartner gesucht, der das gesamte Automatisierungssystem vom Getriebe über die Steuerung bis hin zur Visualisierung abdeckt.“

voxeljet beendete die Marktsondierungsphase schnell mit einem klaren Favoriten, wie der Elektroplaner berichtet: „Das lückenlose Produktportfolio von B&R inklusive integrierter Sicherheit und durchgängigem Programmier- und Parametrierwerkzeug hat uns überzeugt. Es bietet alles, was wir benötigen und gibt uns Raum für innovative Weiterentwicklungen.“

Besiegelt hat die Entscheidung ein gemeinsamer Termin mit den Applikationsingenieuren von B&R, bei dem sich die Verantwortlichen von voxeljet im Rahmen einer Demonstration selbst ein Bild davon machen konnten, wie einfach ein Gantry-System mit der B&R-Technik aufzubauen ist.

Dienstleistungshalle_Übersicht
VX4000_Bauraum.jpg: Das größte industrielle 3D-Drucksystem der Welt verfügt über eine Bauplattform (LxBxH) von 4.000 x 2.000 x 1.000 mm und ist mit seinen hochwertigen Komponenten für den Dauereinsatz konzipiert. (Quelle: voxeljet AG)
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Das Bedienterminal der neuen VX2000 von voxeljet, das auf einem Power Panel mit Touch Screen von B&R basiert. Die Visualisierungsanwendung wird vom PC ausgeführt, der auch die Druckdaten für den 3D-Drucker aufbereitet. (Quelle: Franz Joachim Roßmann)

Flexibel einsetzbare Architektur

Bei der Automatisierungslösung für die VX4000, die ganz nach Plan bis auf den PC ausschließlich mit B&R-Technik realisiert wurde, fungiert eine CPU aus dem X20-System als Motion-Steuerung. Sie setzt die vom PC erzeugten und über Standardethernet übermittelten Verfahrbefehle in die entsprechenden Bewegungen der Motoren um. Neben den 4 Servomotoren (Z-Achse) der beiden Portale, die im Gantry-Verbund arbeiten, sind bei der VX4000 noch bis zu 8 weitere Servomotoren, die ebenfalls zum Teil synchronisiert sind (2 x X1, 2 x X2), im Einsatz.

voxeljet setzt ausnahmslos Servomotoren ein, um die Architektur flexibel zu halten, schnell auf zukünftige Anforderungen reagieren zu können sowie die Lagerhaltung zu optimieren. Die Motoren werden durchgängig von ACOPOSmulti-Antrieben versorgt, die über POWERLINK mit der Steuerung kommunizieren. Letztere fungieren nicht nur als Bewegungssteuerung, sondern auch als Ablaufsteuerung für untergeordnete Funktionen, die direkt mit dem Druck zusammenhängende Funktionen wie das Verfahren des Druckkopfs (Y) oder das Befüllen des Recoaters regeln.

„Der gemäß dieser Architektur gebaute Prototyp der VX4000 arbeitet noch heute effizient und zuverlässig bei uns im Dienstleistungszentrum“, sagt Matthes. „Zwischenzeitlich haben wir die Architektur aber schon wieder weiterentwickelt.“

Einfachere Inbetriebnahme mit openSAFETY

So schließt die Automatisierungslösung nun auch die Sicherheitsfunktionen Safe-Torque-Off (STO) und Safely-Limited Speed (SLS) ein, die die voxeljet-Entwickler mit Hilfe von ACOPOSmulti-Wechselrichtermodulen mit integrierter Sicherheitstechnik (SafeMOTION) und sicheren I/Os aus dem X20-System implementiert haben. „Gerade bei den großen Abmessungen der Anlage mit knapp 20 Metern Länge und 7 Metern Breite erleichtert es den Service und die Inbetriebnahme erheblich, wenn der Mitarbeiter sich im Inneren der Anlage ungefährdet bewegen und ohne die Betätigung eines Zustimmtasters Maschinenabläufe verfolgen kann“, sagt Matthes. „Der Material- und Zeitaufwand für die Integration der Sicherheitsfunktionen war aufgrund des Kommunikationsprotokolls openSAFETY minimal.“

Die Anlagenplaner haben die I/O-Module auf 2 Stränge verteilt. Während die sicheren I/O-Kanäle direkt an der CPU angereiht sind, befinden sich die nicht-sicherheitsrelevanten I/Os in einer über POWERLINK abgesetzten Insel. Zu Beginn gab es diese Aufteilung noch nicht. „Durch die Trennung fällt eine spätere Anlagenerweiterung leichter. Darüber hinaus hat die Aufteilung den Vorteil, dass die Spannungsversorgung für die Standard-Scheiben abgehängt werden kann und der sicherheitsrelevante Bereich davon unberührt bleibt“, sagt Matthes.

Automation Studio bietet für voxeljet klare Vorteile: Mit nur einem Tool lässt sich die komplette Automatisierungswelt von B&R inklusive Steuerungsanwendung, Visualisierung und Sicherheitsfunktionen abdecken. Die umfassenden Diagnosefunktionen erleichtern die Analyse der Software und die Fehlersuche deutlich. Besonders geschätzt wird die Übersichtlichkeit der Engineering Umgebung und die Übernahmemöglichkeit von Hardwarebäumen durch die integrierte EPLAN-Schnittstelle. Alle neuen Automatisierungsprojekte werden bei voxeljet mit Automation Studio 4 realisiert.

Björn Matthes PM

„Schon bei der ersten Schulung wurde deutlich, dass bei B&R eine Idee vom Anfang bis zum Ende konsequent durchdacht und umgesetzt wird. Der Support von B&R ist hervorragend und hat uns in der Vergangenheit schon wiederholt geholfen, in kürzester Zeit viele Fragen zu klären und eine Menge Know-how aufzubauen.“ Björn Matthes, Elektroplaner bei der voxeljet AG

Virtuelle Leitachsen vereinfachen Wiederverwendung

Neben integrierten Sicherheitsfunktionen hat voxeljet zwischenzeitlich aber auch das Konzept der virtuellen Achsen in die Architektur einfließen lassen. Seitdem werden ausschließlich diese als Master genutzt. Das bedeutet für das Unternehmen, dass es bei der Entwicklung der Steuerung erst einmal nebensächlich ist, welcher Antrieb später tatsächlich an einer bestimmten Achse hängt und wie die Achsen zusammenarbeiten. „Dadurch ist es möglich, die Antriebsseite problemlos zu simulieren, so dass die Automatisierungslösung schon vor Fertigstellung der Anlage getestet werden kann“, hebt Matthes hervor. „Darüber hinaus ist es bei der Verwendung virtueller Master-Achsen wesentlich einfacher, die Automatisierungsarchitektur für andere Anlagen wiederzuverwenden.“

Matthes spricht aus Erfahrung, voxeljet hat diese vorteilhafte Eigenschaft schon genutzt und die auf B&R-Technik basierende Automatisierungslösung mit geringem Anpassungsaufwand auf die VX2000 übertragen.

„Bei der Einführung dieser und anderer Entwicklungen wird voxeljet von B&R optimal unterstützt,“ sagt Matthes. „Schon bei der ersten Schulung wurde deutlich, dass bei B&R eine Idee vom Anfang bis zum Ende konsequent durchdacht und umgesetzt wird. Der Support von B&R ist hervorragend und hat uns in der Vergangenheit schon oft geholfen, in kürzester Zeit viele Fragen zu klären und Know-how aufzubauen.“

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