倍福基于 PC 的控制技术灵活应用于固态金属增材制造中

在无需熔化的金属 3D 打印中简化了工程和面向未来的开发

美国 Meld Manufacturing 公司开创了一种使用摩擦和压力的固态金属增材制造工艺。与传统的基于熔融沉积成型技术的增材制造工艺相比更有优势，采用新工艺的 3D 打印机可以打印出超大尺寸且强度更高的零件。该公司采用倍福灵活的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技术实现系统的最佳控制。该公司采用倍福灵活的 EtherCAT 和基于 PC 的控制技术实现系统的最佳控制。

这家位于弗吉尼亚州克里斯蒂安斯堡的公司在首席执行官 Nanci Hardwick 带领下，为国防、科研和制造领域的众多客户提供服务。据 MELD 公司技术总监 Chase Cox 博士介绍，MELD 于 2018 年从其母公司 Aeroprobe 拆分出来，将搅拌摩擦焊的原理应用于增材制造技术。搅拌摩擦焊是一种不需要熔化金属的焊接方法。

MELD 基于此原理开发出了一种实现 3D 打印多层沉积的增材制造工艺。此项获得专利的工艺需要旋转固体金属棒材，同时在沉积点施加特定的压力，通过摩擦使金属塑性变形并沉积一层。通过绝热加热，即不与外界交换热量，如果金属棒以正确的速度连续快速旋转，金属原料就会保持持续流动。

这一创新工艺让设备终端用户能够使用任意金属材料打印零件，包括铝合金以及通常会给其它增材制造系统带来问题的其它金属原料。该工艺不像其它大部分 3D 打印方法那样需要熔化金属原料，不会影响金属的特性。因此打印出来的产品更坚固，更不容易出现孔隙、热裂纹等问题，此类问题是熔融沉积成型技术的增材制造工艺常见的问题。这种固态金属 3D 工艺的加工速度比基于熔融的工艺快了至少 10 倍，并且消耗的能源更少。

持续开发需要灵活的自动化技术

MELD 目前可提供 L3、K2 和 3Po 等多款标准的 3D 打印机，可以打印各种尺寸的零件，从大约 3 英尺（90 厘米）长、1 英尺（30 厘米）高到大约 13 英尺（4 米）长、3.5 英尺（1 米）高。公司还可提供 CD-14 套件包 ，它包含一个带旋转沉积工具的主轴、电气外壳和 HMI，设备制造商可以将其安装在大型定制化系统中。实践证明，开放、可扩展的控制技术对于实现可持续发展至关重要。

公司自 2018 年成立以来，其最初的控制平台已经无法满足需求。首先，MELD 的高级自动化工程师 Fred Lalande 不得不为其供应商的平台编写一个 G 代码解释器。此外，还需要一台集成了单独的软件包的额外PC 运行 HMI 和交换性能数据。最后，该平台在连接现场设备方面遇到了困难。Fred Lalande 努力让该平台与倍福的 EL70xx 系列步进电机端子模块进行通信，于是他与倍福当地团队成员、区域销售工程师 Chuck Padvorac 和应用工程师 Jack Plyler 取得了联系。当他听说了倍福基于 PC 的完整的集成控制系统，Lalande 坚信他已经为 MELD 找到了理想的控制平台。

TwinCAT 3 自动化软件是 Fred Lalande 最终决定选择倍福的主要原因。Lalande 曾使用 Codesys 的 ST 格式编写了第一台设备的代码，他发现使用 TwinCAT 开发平台时，可以在很短的时间内轻松的转换代码。在此期间，他不仅使用 TwinCAT NCI 软件包实现了一个可以在 PLC 内执行 G 代码文件的程序，而且还在 TwinCAT HMI 中设计了一个新的基于 HTML5 的操作界面。“以前，我必须使用两到三个不同的软件包，那是一种痛苦。”他说道。“有了 TwinCAT，我只需打开一个程序就能找到我所需的一切。”

随着解决方案的发展和时间的推移，代码也变得越来越复杂。TwinCAT 中的代码易于移植，因此在设计下一代设备时，程序调整起来也很容易。此外，增材制造领域的企业都非常重视知识产权保护，尤其是像这种独特的获得专利的工艺。TwinCAT 在这方面很有优势，倍福的 Chuck Padvorac 指出：“倍福软件平台让 MELD 能够使用我们的 OEM 证书功能锁定其宝贵的代码。一切都通过密码加密保护，因此没有人可以抄袭 MELD 的开发成果。”

据 Chase Cox 介绍，在这种 3D 打印工艺中，必须根据每种特定材料调整主轴速度，以保持连续打印所需的温度。为了实现这一目标，TwinCAT Controller Toolbox 中的 PID 控制器在轴控制上提供了双闭环，确保成功实施 MELD 公司无与伦比的工艺。

每台设备都配置了一台安装有 TwinCAT 的倍福 C6920 控制柜式工业 PC。倍福的 CP2924 多点触控控制面板配备了带定制按钮扩展件和更多功能选项的操作界面。

运动控制和功能安全

L3、K2 和 3PO 型号的 3D 打印机的运动控制是通过倍福的伺服解决方案实现的。各种 AX5000 伺服驱动器和 AM8000 伺服电机与配套减速机一起控制 X、Y 和 Z 坐标的运动。EL72xx 系列伺服电机端子模块为连续送料系统提供动力，Fred Lalande 解释道：“送料系统允许操作人员一次性装入 8 小时的材料。通过倍福的紧凑型运动控制解决方案，材料可以根据需要自动移动到转塔车床上。”驱动组件还配备了单电缆技术(OCT)，即将动力和反馈系统集成在一根电缆中，以简化调试工作。

第三方变频器和主轴电机控制每台设备旋转沉积工具的旋转，Lalande 发现，由于变频器基于 EtherCAT 技术，集成变得很简单。根据 Lalande 的说法，EtherCAT 为同时使用倍福设备以及第三方设备都提供了即插即用的便利。

MELD 还采用了倍福的 TwinSAFE 集成式安全解决方案。Fred Lalande 因此能够在同一个 TwinCAT 开发环境中通过编程实现驱动器的急停按钮、安全门和 TwinSAFE 运动控制功能。“TwinSAFE 使用起来很简单。”Lalande 说道，“通过实施这一解决方案，我们将我们的设备的安全性能等级提升到了 PLe，即最高安全等级。”

面向未来的 3D 打印技术

随着 MELD 在增材制造方面不断取得进展，基于 PC 的控制为其提供了坚实的基础。EtherCAT 和单电缆技术缩短了调试时间，而 TwinCAT 整合了 HMI、运动控制、PLC 等设备控制功能。该自动化平台还简化了 OPC UA、LabVIEWTM、MATLAB^®/Simulink^® 等应用程序的使用。

为了跟上公司的创新步伐，TwinCAT 提供的开发工具可以助力维护整个设备的统一代码库。源代码版本控制工具（如 Git）可以无缝集成到 TwinCAT 开发和 TwinCAT 项目比较工具中。“有了这些工具，我们就可以更轻松地管理验收测试。”Fred Lalande 说道。

图片注释

MELD 工艺的另一个优势是：打印出来的金属比通过熔融沉积成型金属 3D 打印制作的零件更坚固

一台 MELD 的 B8 打印机已准备就绪，可以进行打印

由 MELD 开发的增材制造工艺可以使用任意金属材料进行打印

CP2924 多点触控控制面板（这里是竖屏）和 TwinCAT HMI 可以通过基于 Web 的编程实现舒适和直观的操作界面

从左至右：倍福的 Jack Plyler 和 Chuck Padvorac 与 MELD 的 Chase Cox 和 Fred Lalande