Động cơ servo và robot đang chuyển đổi các ứng dụng bồi đắp. Tìm hiểu những mẹo và ứng dụng mới nhất khi triển khai tự động hóa robot và điều khiển chuyển động tiên tiến cho sản xuất bồi đắp và cắt gọt, cũng như những gì sắp tới: hãy nghĩ đến phương pháp bồi đắp/trừ lai.
TIẾN BỘ TỰ ĐỘNG HÓA
Bởi Sarah Mellish và RoseMary Burns
Việc áp dụng các thiết bị chuyển đổi năng lượng, công nghệ điều khiển chuyển động, robot cực kỳ linh hoạt và sự kết hợp đa dạng của các công nghệ tiên tiến khác là những yếu tố thúc đẩy sự phát triển nhanh chóng của các quy trình chế tạo mới trên toàn bộ ngành công nghiệp. Cách mạng hóa phương thức chế tạo nguyên mẫu, linh kiện và sản phẩm, sản xuất bồi đắp và sản xuất cắt gọt là hai ví dụ điển hình đã mang lại hiệu quả và tiết kiệm chi phí mà các nhà chế tạo đang tìm kiếm để duy trì khả năng cạnh tranh.
Được gọi là in 3D, sản xuất bồi đắp (AM) là một phương pháp phi truyền thống, thường sử dụng dữ liệu thiết kế kỹ thuật số để tạo ra các vật thể ba chiều rắn bằng cách kết hợp vật liệu từng lớp một từ dưới lên. Thường tạo ra các chi tiết gần như hình dạng lưới (NNS) mà không có chất thải, AM cho cả thiết kế sản phẩm cơ bản và phức tạp tiếp tục thâm nhập vào các ngành công nghiệp như ô tô, hàng không vũ trụ, năng lượng, y tế, vận tải và hàng tiêu dùng. Ngược lại, quy trình loại bỏ đòi hỏi phải loại bỏ các phần khỏi khối vật liệu bằng cách cắt hoặc gia công chính xác cao để tạo ra sản phẩm 3D.
Mặc dù có những khác biệt quan trọng, quy trình cộng và trừ không phải lúc nào cũng loại trừ lẫn nhau — vì chúng có thể được sử dụng để bổ trợ cho các giai đoạn phát triển sản phẩm khác nhau. Một mô hình ý tưởng ban đầu hoặc nguyên mẫu thường được tạo ra bằng quy trình cộng. Khi sản phẩm đó được hoàn thiện, có thể cần những lô hàng lớn hơn, mở ra cánh cửa cho sản xuất trừ. Gần đây hơn, khi thời gian là yếu tố then chốt, các phương pháp cộng/trừ kết hợp đang được áp dụng cho những việc như sửa chữa các bộ phận bị hư hỏng/mòn hoặc tạo ra các bộ phận chất lượng với thời gian chờ ngắn hơn.
TỰ ĐỘNG HÓA TIẾP THEO
Để đáp ứng nhu cầu khắt khe của khách hàng, các nhà chế tạo đang tích hợp một loạt các vật liệu dây như thép không gỉ, niken, coban, crom, titan, nhôm và các kim loại khác vào cấu trúc chi tiết của họ, bắt đầu với một lớp nền mềm nhưng chắc chắn và hoàn thiện bằng một thành phần cứng, chống mài mòn. Điều này phần nào cho thấy nhu cầu về các giải pháp hiệu suất cao để nâng cao năng suất và chất lượng trong cả môi trường sản xuất bồi đắp và trừ đắp, đặc biệt là đối với các quy trình như sản xuất bồi đắp hồ quang dây (WAAM), WAAM-trừ đắp, phủ laser-trừ đắp hoặc trang trí. Các điểm nổi bật bao gồm:
- Công nghệ Servo tiên tiến:Để đáp ứng tốt hơn các mục tiêu về thời gian đưa sản phẩm ra thị trường và các yêu cầu thiết kế của khách hàng, liên quan đến độ chính xác kích thước và chất lượng hoàn thiện, người dùng cuối đang chuyển sang sử dụng máy in 3D tiên tiến với hệ thống servo (thay vì động cơ bước) để kiểm soát chuyển động tối ưu. Những lợi ích của động cơ servo, chẳng hạn như Sigma-7 của Yaskawa, đã đảo ngược quy trình sản xuất bồi đắp, giúp các nhà chế tạo khắc phục các vấn đề thường gặp nhờ khả năng tăng cường hiệu suất máy in:
- Chống rung: Động cơ servo mạnh mẽ có bộ lọc chống rung cũng như bộ lọc chống cộng hưởng và bộ lọc khía, tạo ra chuyển động cực kỳ mượt mà có thể loại bỏ các đường bậc thang khó chịu về mặt thị giác do gợn mô-men xoắn của động cơ bước gây ra.
- Cải thiện tốc độ: Tốc độ in 350 mm/giây giờ đây đã trở thành hiện thực, nhanh hơn gấp đôi tốc độ in trung bình của máy in 3D sử dụng động cơ bước. Tương tự, tốc độ di chuyển lên đến 1.500 mm/giây có thể đạt được bằng động cơ quay hoặc lên đến 5 mét/giây bằng công nghệ servo tuyến tính. Khả năng tăng tốc cực nhanh nhờ servo hiệu suất cao cho phép đầu in 3D di chuyển đến đúng vị trí nhanh hơn. Điều này giúp giảm đáng kể nhu cầu phải giảm tốc độ toàn bộ hệ thống để đạt được chất lượng hoàn thiện mong muốn. Tiếp theo, việc nâng cấp điều khiển chuyển động này cũng đồng nghĩa với việc người dùng cuối có thể chế tạo nhiều chi tiết hơn mỗi giờ mà không ảnh hưởng đến chất lượng.
- Tự động điều chỉnh: hệ thống servo có thể tự động thực hiện điều chỉnh tùy chỉnh, giúp thích ứng với những thay đổi trong cơ chế của máy in hoặc những sai lệch trong quy trình in. Động cơ bước 3D không sử dụng phản hồi vị trí, khiến việc bù trừ cho những thay đổi trong quy trình hoặc sự khác biệt về cơ chế gần như không thể.
- Phản hồi bộ mã hóa: hệ thống servo mạnh mẽ cung cấp phản hồi bộ mã hóa tuyệt đối chỉ cần thực hiện quy trình về đích một lần, giúp tiết kiệm thời gian hoạt động và chi phí. Máy in 3D sử dụng công nghệ động cơ bước không có tính năng này và cần được về đích mỗi khi bật nguồn.
- Cảm biến phản hồi: Đầu đùn của máy in 3D thường là một nút thắt trong quy trình in, và động cơ bước không có khả năng cảm biến phản hồi để phát hiện kẹt đầu đùn — một thiếu sót có thể dẫn đến hỏng toàn bộ bản in. Với điều này, hệ thống servo có thể phát hiện tình trạng kẹt đầu đùn và ngăn ngừa bong sợi nhựa. Chìa khóa cho hiệu suất in vượt trội là có một hệ thống vòng kín tập trung xung quanh bộ mã hóa quang học độ phân giải cao. Động cơ servo với bộ mã hóa độ phân giải cao tuyệt đối 24 bit có thể cung cấp 16.777.216 bit độ phân giải phản hồi vòng kín để tăng độ chính xác của trục và đầu đùn, cũng như đồng bộ hóa và bảo vệ chống kẹt.
- Robot hiệu suất cao:Cũng như động cơ servo mạnh mẽ đang chuyển đổi các ứng dụng in 3D, robot cũng vậy. Hiệu suất đường truyền tuyệt vời, cấu trúc cơ học cứng cáp và chỉ số chống bụi (IP) cao — kết hợp với khả năng kiểm soát chống rung tiên tiến và khả năng đa trục — khiến robot sáu trục có độ linh hoạt cao trở thành lựa chọn lý tưởng cho các quy trình khắt khe liên quan đến việc sử dụng máy in 3D, cũng như các thao tác chính trong sản xuất cắt gọt và phương pháp cắt gọt/cắt lai.
Tự động hóa robot bổ sung cho máy in 3D bao gồm việc xử lý các chi tiết in trong các hệ thống lắp đặt nhiều máy. Từ việc dỡ từng chi tiết khỏi máy in đến việc tách các chi tiết sau một chu kỳ in nhiều chi tiết, robot linh hoạt và hiệu quả cao giúp tối ưu hóa hoạt động để tăng năng suất và sản lượng.
Với công nghệ in 3D truyền thống, robot hỗ trợ đắc lực trong việc quản lý bột, nạp lại bột in khi cần và loại bỏ bột khỏi các chi tiết đã hoàn thiện. Tương tự, các công việc hoàn thiện chi tiết khác phổ biến trong chế tạo kim loại như mài, đánh bóng, loại bỏ gờ hoặc cắt cũng dễ dàng được thực hiện. Công nghệ robot cũng đang đáp ứng trực tiếp nhu cầu kiểm tra chất lượng, đóng gói và hậu cần, giúp các nhà chế tạo rảnh tay để tập trung thời gian vào các công việc có giá trị gia tăng cao hơn, chẳng hạn như chế tạo theo yêu cầu.
Đối với các phôi lớn hơn, robot công nghiệp tầm xa đang được chế tạo để di chuyển trực tiếp đầu đùn của máy in 3D. Điều này, kết hợp với các công cụ ngoại vi như đế xoay, bộ định vị, đường ray tuyến tính, cổng trục và nhiều công cụ khác, đang cung cấp không gian làm việc cần thiết để tạo ra các cấu trúc dạng tự do trong không gian. Bên cạnh tạo mẫu nhanh cổ điển, robot còn được sử dụng để chế tạo các chi tiết dạng tự do khối lượng lớn, khuôn mẫu, kết cấu giàn 3D và các chi tiết lai khổ lớn. - Bộ điều khiển máy đa trục:Công nghệ tiên tiến cho phép kết nối tới 62 trục chuyển động trong một môi trường duy nhất hiện nay giúp đồng bộ hóa đa dạng nhiều loại robot công nghiệp, hệ thống servo và bộ truyền động biến tần được sử dụng trong các quy trình cộng, trừ và lai. Toàn bộ họ thiết bị giờ đây có thể hoạt động liền mạch cùng nhau dưới sự điều khiển và giám sát hoàn toàn của PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) hoặc bộ điều khiển máy IEC, chẳng hạn như MP3300iec. Thường được lập trình bằng gói phần mềm IEC 61131 động, chẳng hạn như MotionWorks IEC, các nền tảng chuyên nghiệp như thế này sử dụng các công cụ quen thuộc (ví dụ: mã G RepRap, Sơ đồ khối chức năng, Văn bản có cấu trúc, Sơ đồ bậc thang, v.v.). Để tạo điều kiện tích hợp dễ dàng và tối ưu hóa thời gian hoạt động của máy, các công cụ tích hợp sẵn như bù cân bằng giường, điều khiển áp suất đầu đùn, điều khiển nhiều trục chính và đầu đùn được bao gồm.
- Giao diện người dùng sản xuất tiên tiến:Rất hữu ích cho các ứng dụng in 3D, cắt tạo hình, máy công cụ và robot, các gói phần mềm đa dạng có thể nhanh chóng cung cấp giao diện máy đồ họa dễ tùy chỉnh, mở ra con đường dẫn đến tính linh hoạt cao hơn. Được thiết kế với sự sáng tạo và tối ưu hóa, các nền tảng trực quan như Yaskawa Compass cho phép các nhà sản xuất xây dựng thương hiệu và dễ dàng tùy chỉnh màn hình. Từ việc tích hợp các thuộc tính cốt lõi của máy đến việc đáp ứng nhu cầu của khách hàng, việc lập trình rất ít tốn công — vì các công cụ này cung cấp một thư viện plug-in C# dựng sẵn phong phú hoặc cho phép nhập các plug-in tùy chỉnh.
VƯỢT LÊN
Trong khi các quy trình cộng và trừ đơn lẻ vẫn phổ biến, một sự chuyển dịch lớn hơn sang phương pháp cộng/trừ kết hợp sẽ diễn ra trong vài năm tới. Dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 14,8% vào năm 2027.1Thị trường máy móc sản xuất bồi đắp lai đang sẵn sàng đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng. Để vượt lên trên đối thủ cạnh tranh, các nhà sản xuất nên cân nhắc ưu và nhược điểm của phương pháp lai trong hoạt động của mình. Với khả năng sản xuất linh kiện theo nhu cầu, đồng thời giảm đáng kể lượng khí thải carbon, quy trình bồi đắp/trừ lai mang lại một số lợi ích hấp dẫn. Tuy nhiên, không nên bỏ qua các công nghệ tiên tiến cho những quy trình này và nên được triển khai tại các nhà máy để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Thời gian đăng: 13-08-2021
