Trudno o lepsze rozwiązanie

Masowa produkcja identycznych elementów opiera się na formowaniu wtryskowym. Gdy chodzi o szybkie wykonywanie prototypów lub małej serii niestandardowych elementów, niezastąpionym narzędziem jest drukarka 3D. Każda próba działania pomiędzy tymi skrajnościami wymaga pewnych kompromisów. Czy aby na pewno?

Pomiędzy produkcją masową a szybkim prototypowaniem rozciąga się obszar, którego potencjał pozostaje niewykorzystany. Luka rynkowa, której ani formowanie wtryskowe, ani istniejąca technologia druku 3D nie mogą wypełnić ze względu na wygórowane koszty lub po prostu brak możliwości wykonania. „Mniejsze partie nie są w stanie zrekompensować kosztów wykonania form” – wyjaśnia Steve Chillscyzn, dyrektor generalny Evolve Additive Solutions. „Z drugiej strony, konwencjonalne drukarki 3D są zbyt wolne, aby można było z ich pomocą efektywnie zwiększać skalę produkcji."

W 2017 roku firma Evolve postanowiła wypełnić tę lukę. Po latach intensywnych prac rozwojowych konstruktorzy ze startupu z siedzibą w Minnesocie znaleźli rozwiązanie, które według nich jest szybsze niż jakakolwiek inna dostępna obecnie na rynku technologia przyrostowa stosowana na skalę produkcyjną. Aby wykonać swoje pierwsze systemy komercyjne, firma Evolve szukała niezawodnego partnera w dziedzinie automatyki, który podzielałby jej wizję. Takim partnerem okazała się firma Hartfiel Automation z siedzibą w Minneapolis, współpracująca z B&R w zakresie technologii i dystrybucji.

Stworzona przez Evolve platforma nosi nazwę SVP, co jest skrótem od „scalable volume production” – produkcja o skalowalnym wolumenie. Sercem platformy SVP jest nowa, rewolucyjna technika przyrostowa firmy Evolve, zwana selektywnym termoplastycznym procesem elektrofotograficznym (selective thermoplastic electrophotographic process) – lub po prostu STEP. Objaśnienie teoretyczne koncepcji STEP brzmi dość prosto: Trójwymiarowe części są drukowane jako seria dwuwymiarowych plastrów układanych i zespalanych w pełni funkcjonalną całość o klasie produkcyjnej.

Proces STEP rozpoczyna się od techniki znanej z druku 2D – osadzania elektrofotograficznego. Jako surowiec wykorzystuje znane konstrukcyjne tworzywa termoplastyczne, takie jak ABS i nylon, które są mikronizowane na drobne cząstki w ramach opatentowanego procesu. Połączenie sprawdzonej techniki i sprawdzonych materiałów w sposób nigdy dotąd niestosowany: to właśnie dało platformie Evolve szybkość niezbędną do zapewnienia na skalę produkcyjną elastyczności właściwej dla wytwarzania przyrostowego oraz krótkich czasów realizacji.

Produkcja funkcjonalnych części to jednak nie tylko ilość, ale również jakość. „Aby mieć pewność, że nasi klienci zyskają jakość użytkową, jakiej oczekują od wybranych materiałów, potrzebowaliśmy własnego rozwiązania w zakresie sterowania, zapewniającego niezwykle precyzyjne pozycjonowanie i synchronizację w trakcie wyrównywania i zespalania plastrów” – wyjaśnia John Lees, wiceprezes Evolve ds. inżynierii. „Ta niezawodna, powtarzalna jakość użytkowa jest dokładnie tym, co uzyskaliśmy dzięki naszej współpracy technicznej z Hartfiel i B&R”

Etapy wyrównywania i łączenia wymagają łącznie sześciu osi sterowania napędami: dwóch, które kontrolują prędkość i napięcie pasa transferowego oraz dwóch do poziomego i pionowego ruchu płyt konstrukcyjnych. „Precyzyjne pozycjonowanie i synchronizacja mają kluczowe znaczenie dla procesu układania warstw” – mówi Scott Albrecht, wiceprezes ds. zaawansowanych technologii sterowania w firmie Hartfiel. „A mikrosekundowe wyzwalacze i kompensacja tętnień w serwonapędach ACOPOS P3 firmy B&R pomogły nam osiągnąć naprawdę świetne wyniki”

Podobnie jak w przypadku formowania wtryskowego, precyzyjnie kontrolowane cykle temperatury i ciśnienia są kluczem do zapewnienia niezmiennie wysokiej jakości wyników. „Komputer Automation PC 3100 firmy B&R zapewnia nam dużą moc obliczeniową potrzebną do koordynowania wszystkich złożonych zadań sterowania napędami i temperaturą, przy tym zajmuje bardzo mało miejsca w szafie” – wyjaśnia Albrecht.

Skaner powierzchni sprawdza niedoskonałości, które są następnie kompensowane poprzez osadzanie większej lub mniejszej ilości materiału w określonych miejscach podczas drukowania kolejnej warstwy. W rezultacie otrzymujemy w pełni zwartą część o stałych właściwościach we wszystkich kierunkach. „Nasze części mają średnią chropowatość powierzchni wynoszącą zaledwie pięć mikronów” – twierdzi Lees. „Normalnie takie wykończenie mogłoby wymagać piaskowania, ale dzięki precyzji sterowania, którą osiągnęliśmy wspólnie z Hartfiel i B&R, jesteśmy w stanie zrobić to bez żadnej obróbki końcowej”

Po opracowaniu dwóch wczesnych iteracji swojej platformy przy użyciu innych układów sterowania, w 2020 roku firma Evolve zwróciła się do Hartfiel w sprawie wykonania swojego pierwszego systemu komercyjnego. „Zadecydowały o tym w równym stopniu czynniki techniczne i zaufanie do partnera” – wspomina Chillscyzn. „Począwszy od poziomu zaangażowania technicznego, jaki zaoferowały firmy Hartfiel i B&R, po zrozumienie wykazane w kwestii naszych potrzeb i kierunku, w jakim zmierza technologia przyrostowa.”

Firma Hartfiel współpracowała z inżynierami Evolve w trakcie wielu miesięcy intensywnych prac rozwojowych, aby dostroić silniki liniowe, wdrożyć wysoce precyzyjne sterowanie prędkością i naprężeniem pasa oraz zsynchronizować ruch płyty konstrukcyjnej. Jej pracownicy dostarczyli nawet pełny schemat elektryczny i układ paneli oraz zajęli się uzyskaniem certyfikatu UL (Underwriters Laboratories). „To nie było tak, że dostarczyli trochę części i... radźcie sobie sami" – wspomina Lees. „Byli głęboko zaangażowani przez cały czas trwania projektu i nadal zapewniają szybkie tempo realizacji bieżących aktualizacji i adaptacji.”

„Słuchanie właśnie takich historii, opowiadanych przez naszych partnerów z całego kraju, sprawia mi największą frajdę” – mówi Patrick McDermott, prezes B&R North America. „Opowiadają je ludzie, jakich szukamy: ludzie, którzy podzielają naszą pasję do rozwiązywania problemów inżynieryjnych. Oferowanie produktów światowej klasy to jedno. Ale to, co mnie naprawdę ekscytuje to obserwowanie, jak zespół ludzi urzeczywistnia potencjał tkwiący w technologii i osiąga coś, czego nigdy wcześniej nie zrobiono – na przykład to, co firma Hartfiel dokonała w Evolve.”

Potencjał technologiczny odegrał również rolę w zmianie dostawcy. „Nie osiągnęliśmy jeszcze pułapu możliwości, jeśli chodzi o współpracę z B&R” – zauważa Lees i jako przykład podaje plany wykorzystania systemu wizji maszynowej B&R do dalszego doskonalenia wyrównywania układanych warstw. „Cieszymy się, że wraz z takimi partnerami jak Hartfiel i B&R możemy wkroczyć w nową erę produkcji addytywnej, gdzie technologia ta będzie nadal rozwijać się skokowo.”