在短短几小时内,Voxeljet公司的3D打印系统就能为金属铸造件,甚至是定制化电影布景或建筑模型创建复杂的模具和模型。除了3D打印机能够实现的高精度和高复杂性设计之外,用户对于它在进行小规模生产和原型建模时节省了大量时间也非常欣喜。所有这些都是通过基于高性能贝加莱技术的集成自动化及控制解决方案实现的,从而确保能够可靠而精确地处理大型打印任务。

“除了我们在汽车、航空航天、机械制造、造船和重工行业中的主要客户之外,我们看到来自更多其它行业的新客户正在发现3D打印的潜力。”Voxeljet公司电气工程师Björn Matthes解释道。“在不使用特殊工具情况下进行小规模生产和原型建模时尤其如此。近年来,我们显著扩大了我们的打印服务范围,与此同时,我们还开发了用于处理各种尺寸工件的全系列设备。”

通过Voxeljet的3D打印机生产的艺术品。这些打印机可以使用各种原材料如型砂或塑料制造几乎无限复杂的物品(包括嫩肉)。(来源:Voxeljet AG)

世界上最大的3D打印系统

Voxeljet公司使用的打印技术与传统喷墨打印机十分相似。不同之处在于,公司专门开发的打印头使用液态粘合剂取代了油墨。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层,然后由喷头喷出的液态粘合剂进行固化,以想要创建的工件形状进行层层叠加。世界上最大的3D打印机VX4000就是通过这种方式,使用塑料、砂或其它粉末材料制造长4米,宽2米,高1米的零部件。

Voxeljet公司在2009年首次推出VX4000,它仅用75秒就能完成每层打印,分辨率达300dpi,厚度仅300微米。宽敞的打印托盘允许VX4000同时生产大型或几个小型零部件。通过直接使用CAD数据确保高精度。

打印机软件将三维CAD模型放置在一个虚拟工作区内,然后将其分解成打印层。为了处理所涉及的大量数据,Voxeljet系统使用了一个工业级PC,它配备了一个SSD系统盘以及一个额外拥有1TB存储容量的硬盘。

没有竞争对手的无缝产品组合

“在VX4000之前生产的3D打印机上,PC也是通过CAN总线控制整个系统的,”Matthes说道。在开发VX4000时,Voxeljet公司另外引入了一个抽象层,从而进一步简化了控制架构,减轻了一些PC负担。他们还开发了一个装有打印头和微粒喷头的龙门系统。

“我们的经验是,如果驱动系统由不同的供应商提供,那么可能会因供应商之间关系紧张和责任不清而出现问题,”Matthes解释道。“因此,我们一直在寻找能够处理整个自动化系统,提供从减速器到控制系统及HMI的合作伙伴。”

Matthes指出,Voxeljet的评估过程很快就有了结果。“贝加莱的无缝产品组合宽广灵活,包括集成安全以及通用开发和配置工具,他们真正地使我们相信,我们已经找到了合适的合作伙伴。贝加莱系统为我们提供了我们需要的一切以及面向未来创新的充足空间。”

该决定是在与贝加莱应用工程师一起参与的一次会议中做出的,会上Voxeljet能够亲眼目睹使用贝加莱技术建立一个龙门系统是多么容易。

世界上最大的3D打印机拥有一个长4米、宽2米、高1米的打印室。凭借高质量的组件设计,它可以实现连续可靠的运行。(来源:Voxeljet AG)
Voxeljet公司新型VX2000的操作终端基于带触摸屏的贝加莱Power Panel。HMI应用程序运行在与准备3D打印机打印数据相同的PC上。(来源:Franz Joachim Roßmann)

灵活的架构

VX4000的自动化解决方案使用了除PC之外的贝加莱技术,在该方案中贝加莱X20系列PLC用作运动控制器。PC产生的运动指令通过标准以太网被传输至CPU模块,然后被转换成相应的电机运动。除了控制龙门系统Z轴的4个伺服电机之外,VX4000还另外使用了8个伺服电机实现部分同步(2 x X1和2 x X2)。

Voxeljet专门使用了伺服电机来确保灵活的架构,面向未来需求的快速响应以及优化库存。所有电机全部通过ACOPOSmulti驱动器实现控制,并经由POWERLINK实现通信。这些驱动器不仅被用于运动控制,它们还可以被用来协调低级功能之间的顺序,管理与打印直接相关的任务,如移动打印头(Y)和添加粉末微粒。

“使用该架构制造的VX4000原型机现在仍在我们的服务中心内高效、可靠地运行,”Matthes说道。“当然,我们至今都在不断地开发并改善该架构。”

通过openSAFETY实现简单设置

该自动化解决方案现在已经包含安全扭矩断开(STO)和安全限速(SLS)安全功能。Voxeljet公司的开发人员通过使用带集成SafeMOTION安全技术的ACOPOSmulti逆变模块和X20系统安全I/O模块实现了这两个功能。“即使对于长20米、宽7米的大型打印机而言,维护和设置也很容易,因为工作人员可以在打印机内安全地走动,无需按下开关就能监视整个过程,”Matthes说道。“由于采用了openSAFETY通信协议,因此集成安全功能所需要的设备和时间可以得到最大限度地减少。”

该系统由被分成两部分的I/O模块设计而成。安全I/O通道被直接连接到CPU上,而不受安全影响的I/O通道通过POWERLINK隔离。原先这种分离并不存在。“通过分离通道,系统现在更容易被扩展。另一个好处是,在不影响安全相关区域的情况下能够断开标准模块插片的电源,”Matthes继续说道。

Automation Studio为Voxeljet带来了许多明显的好处。它提供了一个能够将所有贝加莱自动化组件包括控制软件、HMI和安全功能统一起来的单个工具。全面的诊断功能使得软件分析和错误排除变得更容易。它特别有价值之处在于,工程环境拥有清晰的结构,能够通过集成的EPLAN接口同步硬件配置。Voxeljet公司的所有新项目都可以通过使用Automation Studio 4来创建。

“从培训开始到项目实施完毕,从头至尾贝加莱的服务都非常到位。他们所提供的支持非常突出,在过去有很多次都帮助到我们,快速响应我们的问题,并帮助我们建立自己的专业库。”Björn Matthes,电气工程师,Voxeljet AG

虚拟主轴简化复用

除了集成安全功能之外,Voxeljet还将虚拟主轴概念引入到系统架构中。现在,所有主轴都被用作虚拟主轴。对于Voxeljet来说这意味着,在开发控制软件时,无论哪个驱动器稍后被连到一个特定轴上或各轴之间应该如何一起工作都没有关系。“这使我们在系统完成之前就能对驱动器硬件进行仿真,并对自动化方案进行测试,”Matthes解释道。“更重要的是,利用虚拟轴可以简化自动化架构在其它系统上重复使用。”

Matthes根据经验说道,因为Voxeljet已经将贝加莱自动化方案重新应用到他们最新推出的VX2000上,只需稍加修改即可。

“在引入该项技术及其它技术时,我们从贝加莱处获得了极好的支持,”Matthes说道。“从培训开始到项目实施完毕,从头至尾贝加莱的服务都非常到位。他们所提供的支持非常突出,在过去有很多次都帮助到我们,快速响应我们的问题,并帮助我们建立自己的技术专长。”

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