基于 PC 的開放式控制和驅動技術在增材制造領域的應用

格勞博集團是一家在全球范圍內運作的家族企業，自 95 年前成立以來，一直致力于為全球知名的汽車制造商研發以及生產各種系統和機床。在當今這個日新月異的時代，他們不僅致力于追求技術創新，更具有很強的市場開拓能力。他們于 2019 年成功研制出的增材制造領域的第一臺機床樣機。其新型液態金屬打印機 GMP300 配備了基于 PC 的自動化控制技術，它能夠經濟高效地使用鋁合金線材進行高精度、高速度的 3D 打印。

格勞博集團總部位于德國明德海姆市，其產品范圍包括通用加工中心、高度靈活的生產系統和手動裝配站，以及主要針對汽車行業的全自動裝配生產線。2018 年，公司出于創新考慮，將重點放在增材制造設備上，以評估電動汽車和燃料電池等未來技術。

使用 GMP300 液態金屬印刷機生產的部件示例

經濟靈活的增材制造技術

GMP300 液態金屬打印機采用無粉制造工藝，可安全快速地生產形狀接近成品的部件，為客戶提供可靠、高效且經濟的系統技術（采用 3 軸運動學，最大軸速度為 30 米/分），同時還提供了最大的生產靈活性。此外，該系統還配備了一個含惰性氣體的裝配空間，以及大量用于監測液滴、噴嘴和部件高度的傳感器。同時，它還可加工鋁合金線材，由于無需處理粉末，從而降低了潛在風險。格勞博增材制造團隊負責人 Johannes Glasschr?der 博士解釋道：“我們為此開發了一種全新的技術，與傳統工藝相比，具有更加廣闊的發展前景。例如，線材原料要比常用的粉末原料便宜得多。這為快速、經濟地小批量加工制造鋁合金部件提供了理想條件。”

格勞博增材制造團隊的 Emanuel Engelsberger 在談及所面臨的技術挑戰時補充道：“ CNC 系統與每個鋁滴精準同步是關鍵。例如，為了實現高精度定位，必須精確補償鋁滴從打印頭到形成部件之間的下落時間。我們為這項研發投入了大量的時間和精力，特別是為了能夠以最大速度精確地生產邊角和尖銳邊緣。液滴頻率與軸速度的匹配也起著極其重要的作用。同樣，大量的傳感器數據不僅可用于分析，而且也是參數調整和過程控制的基礎。只有這樣，才能在部件制造過程中直接補償任何可能的微小誤差。”Johannes Glasschr?der 博士認為，該技術的應用范圍非常廣泛，幾乎沒有任何限制，但它對打印速度的要求各不相同。目前已經實現了每秒 1000 個鋁滴的打印速度，但通常打印速度為每秒 250 個鋁滴。使用較慢的打印速度時，結果通常會更精確，并且也可以使用更大的鋁滴體積快速實現所需效果。

基于 PC 的控制技術具有速度快、精度高的特點

繼格勞博在電動汽車領域采用倍福基于 PC 的控制技術獲得成功之后，增材制造團隊也決定選用這項技術。Emanuel Engelsberger 解釋道：“我們不僅能滿足傳統要求和內部標準，而且基于 PC 的控制技術還能夠完全滿足我們對速度和精度的要求。”Johannes Glasschr?der 博士也證實了這一點：“最重要的是，倍福的控制平臺易于使用，開放性強，并且可以集成我們自己的擴展功能，這意味著它是經得起未來考驗的。”

AX5000 伺服驅動器與 AM8000 系列伺服電機配合使用，確保實現高精度、高動態的運動

C6030 超緊湊型工業 PC，其單核計算能力很高，非常適合這個應用。Johannes Glasschr?der 博士還認為，Beckhoff工業 PC 搭載的處理器種類非常豐富且定期更新，能夠滿足未來發展需求以及可持續發展方面的要求。格勞博選擇了一臺CP3918 多點觸控控制面板，配備 18.5 英寸顯示屏和定制化按鈕擴展件，確保機器操作方便。

總共七個伺服軸所需的高精度和高動態運動通過 3 個單通道和 2 個雙通道 AX5000 伺服驅動器以及 AM8000 伺服電機實現。此外，格勞博還使用了倍福的安全產品：在伺服驅動器方面，使用的是 AX5805 TwinSAFE 驅動器選項卡，而在 I/O 方面，使用的則是 EL6910 TwinSAFE 邏輯端子模塊和多個 TwinSAFE 端子模塊。總體而言，I/O 層由大量數字量和模擬量 EtherCAT 端子模塊以及 EtherCAT 端子盒構成。Emanuel Engelsberger 在描述它們的重要優勢時說道：“對我們來說，數據采集、處理的速度和精度至關重要。只有采用倍福的 XFC 極速控制技術，即 EL2262 超采樣端子模塊，我們才能根據軌跡規劃精確設置相應的觸發信號，并實現與視覺系統同步等要求。而這正是 GMP300 的核心應用。” 此外，另一個優勢是倍福的 I/O 產品具有各種接口，便于集成 IO-link 傳感器（通過 El6224）等設備。

性能強大且操作便捷的軟件組件

Emanuel Engelsberger 認為，倍福 TwinCAT 自動化軟件已經通過大量應用證明了其優勢，尤其是在與各種 EtherCAT 模擬量模塊配合使用時，TwinCAT 3 組件（TF4100）提供了豐富的控制算法。例如，在用打印頭的線材原料生產均勻的鋁熔體時，正確的溫度控制至關重要。在工程環境中，其優勢在于無需花時間切換開發環境就能預仿真機器序列，并且擁有豐富的虛擬化功能選項。

TwinCAT 3 CNC (TF5200) 是應用核心（軌跡計算）的基礎，Emanuel Engelsberger 解釋道：“TwinCAT 的開發界面、軟件架構和易用性在我們熟悉期間就給了我很大支持。在 TcXaeShell 中可以簡單方便來實現我們的核心專業技術。因此，如前所述，為了在數控系統中精確定位鋁液滴必須進行類似于預計算的操作，以便正確計算出液滴的下落時間。因此，我們需要準確地知道下一個液滴在軌跡曲線中的位置，然后相應地設置觸發器。”