Das Ziel: Ein neuartiger, transportabler 3D-Drucker, der große funktionelle oder dekorative Objekte, wie etwa Outdoor-Mobiliar und Ornamente, aus recyceltem Material fertigt. Dieses Projekt hatte sich das Start-up Colossus aus dem belgischen Limburg vorgenommen und hat es gemeinsam mit dem Maschinenbauer IMA aus Houthalen, Belgien, in Angriff genommen.
Die recycelten Materialien verarbeitet man im Fused Granular Fabrication (FGF)-Verfahren. Dabei wird ein Kunststoff-Granulat in einem Extruder aufgeschmolzen und das Endprodukt durch einen schichtweisen Auftrag erzeugt. Der Druckkopf des Extruders wird in dieser Anwendung in einem speziellen Linear-Portal im Raum bewegt. Die Berechnung der Verfahrdaten für das Linear-Portal erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird aus dem 3D-Modell des Endprodukts ein G-Code erzeugt. Die Steuerung verarbeitet diesen G-Code und berechnet so die Bewegung des Druckkopfs im Raum. Beide Rechenvorgänge erfordern hohe Prozessorleistung.
Weniger Gewicht durch Wegfall von Motor an der Y-Achse
Dries Daniels, Project Engineer, Chris Briers, Senior Automation Engineer, und Thomas Voets, Hardware Engineer, alle bei IMA, haben ein XYZ-Portal als Antrieb für den 3D-Drucker entwickelt. Dabei treiben Zahnriemen die X- und Y-Achse an, sodass die Y-Achse keinen Motor erfordert. Ziel war das Einsparen von Gewicht, wiegt doch der Extruder allein bereits 70 kg. Nachteil allerdings: Um die korrekten X- und Y-Koordinaten in die entsprechenden Daten für den Zahnriemenantrieb umzusetzen, ist ein zusätzlicher Rechenvorgang erforderlich. Das XYZ-Portal hängt seinerseits an vier Spindeln, die alle über einen eigenen Antrieb verfügen. Somit lässt sich die Druckfläche perfekt parallel zur Fläche der X- und Y-Achse halten.
Offene Steuerungsplattform für 3D-Drucker
Für die Steuerung des Druckers fiel die Wahl auf die offene Plattform PC-based Control vom Automatisierungsspezialisten Beckhoff Automation. „Es war von Anfang an klar, dass wir diese Offenheit benötigen, damit alle Komponenten untereinander kommunizieren können“, erklärt Briers. Eine der Komponenten ist die Heizzonenregelung des Extruders. Hierfür nutzt der Maschinenbauer IMA das Twincat 3 Plastic Processing Framework. „Der Extruder hat sechs Heizzonen mit 3-Punkt-Regelung. Jede Zone besitzt ein Heizband und einen Ventilator zur Kühlung. Für einen stabilen Prozess müssen diese exakt angesteuert werden. Um mit dem Drucken des Materials zu starten und zu stoppen, wird eine Verschlussdüse eingesetzt. Das ist ein motorisiertes Ventil, mit dem man den Durchfluss regeln kann. Die Bedienung dieses Ventils stellt eine Störgröße für den Temperaturregler dar, die passend ausgeregelt werden muss“, präzisiert Briers.
Der Extruder arbeitet mit konstantem Massedurchsatz, das heißt die Bewegung des Druckkopfs muss abhängig von der Geometrie des Endprodukts geregelt werden. Die betreffenden Parameter muss der Benutzer selbst einstellen können.
Bibliotheken für Extrusion und CNC vereinfachen Implementierung
Die von IMA entwickelte Lösung basiert auf einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 sowie – realisiert über Servoverstärker AX5000 – auf drei Doppel-Stellantrieben und einem Einzel-Stellantrieb. Das Visualisierungsprogramm ist in .NET geschrieben, sodass sich das Visualisierungslayout einfach an die Wünsche des Kunden anpassen ließ.
Die Steuerungssoftware kann große Datenmengen im G-Code-Format einlesen und verarbeiten. Twincat CNC übernimmt dabei die Interpolation und die kinematische Transformation der virtuellen X- und Y-Achse zur A- und B-Achse des XYZ-Portals. Die Verarbeitung des G-Codes ist eine typische CNC-Funktionalität, die wie die Heizungsregelung des Extruders als Bibliothek in Twincat zur Verfügung steht. Dank dieser Bibliotheken kann man die Implementierung äußerst komplexer Aufgaben auf die Parametrierung verfügbarer Funktionen reduzieren. So erfolgt die Temperaturregelung des Extruders mit dem Twincat 3 Plastic Processing Framework (TF8540). Die Reglerparameter werden automatisch ermittelt (Autotuning). Mithilfe dieser optimalen Parameter ist ein schnelles Aufheizen bei geringem Überschwingen möglich.
Ethercat-Module von Beckhoff steuern Heiz- und Kühlelemente im 3D-Drucker
Um die Temperaturen der einzelnen Zonen auszulesen sowie die Heiz- und Kühlelemente anzusteuern, wurde der Extruder mit IP-67-Ethercat-Box-Modulen ausgerüstet. Für die Überwachung des Drucks im Extruder wird eine Twinsafe-Klemme verwendet, um einen sicheren Ablauf zu gewährleisten. Damit sich die Möglichkeiten des 3D-Drucks auf das Publikum optimal übertragen, gilt das verwendete Human Machine Interface (HMI) als besonders wichtige Komponente. IMA entschied sich als hierfür geeignete Hardware für das Multitouch-Control-Panel CP2912 mit 12-Zoll-Display.
Durch das kreative Design des neuen 3D-Druckers ist es gelungen, den verfügbaren Platz in einem Container optimal zu nutzen. So lassen sich Produkte mit Abmessungen bis zu 2,72 x 1,25 x 1,5 m herstellen. Der Drucker beeindruckt laut Anbieter mit einer Fertigungsleistung von bis zu 15 kg pro Stunde. Mit einer Düsengröße von 2 bis 8 mm lässt sich zudem eine ausreichend hohe Auflösung erzielen. Je nach gewünschtem Ergebnis sind die Produkte direkt verwendbar. Bei Bedarf können mit verschiedenen Nachbearbeitungsverfahren unterschiedliche Oberflächenqualitäten erzeugt werden.
Den ersten Drucker präsentierte das Start-up bereits ab 2018 auf verschiedenen Veranstaltungen. Der 3D-Gigant weckte bei den Besuchern großes Interesse für diese neue Form des Recyclings, sodass künftig mehrere dieser Drucker unterschiedliche Produkte im industriellen Maßstab fertigen sollen.
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